通信設(shè)備輻射發(fā)射超標的案例分析及對策

劉海濤，雷釗，郭正銘

（四川省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗所，成都 610100）

1 問題描述

某型號通信設(shè)備產(chǎn)品擁有天饋端口、光纖端口與供電端口，測試過程中供電端口、光纖端口及其外界互聯(lián)，天饋端口與接收裝置直接聯(lián)系進行通信，在這種工作模式下，產(chǎn)品將依據(jù)國家標準GB/T 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》Class B的標準限值要求進行輻射發(fā)射測試，測試時發(fā)現(xiàn)，無論是垂直極化還是水平極化，該產(chǎn)品在300 MHz頻點處的幅值超出Class B級限值約8 dB，測試結(jié)果示意見圖1，超出標準限值要求。

2 故障定位

關(guān)于產(chǎn)品輻射發(fā)射測試超標的故障定位問題，一般使用比較測試的方法，依靠測試儀器與EMC經(jīng)驗來對故障原因進行判斷與驗證，其分析過程示意見圖2[1]。

由于待測設(shè)備工作時必須采用外部供電模式，所以在排查故障時，首先去掉了待測設(shè)備與外聯(lián)設(shè)備間的光纖連接，再次進行輻射發(fā)射測試時發(fā)現(xiàn)，騷擾頻譜曲線幾乎沒有變化。由此可知，光纖及其端口并未向外泄露輻射騷擾信號。因此，輻射騷擾信號可能來自于待測設(shè)備的外殼或電源線束。

使用金屬箔條對待測設(shè)備外殼上的孔縫進行纏繞，再次進行輻射發(fā)射測試時發(fā)現(xiàn)，騷擾頻譜曲線仍未變化，由此可知，輻射超標信號是沿著待測設(shè)備的電源線向外傳播共模騷擾信號。

選擇合適的鐵氧體磁環(huán)并套在電源線上，磁環(huán)的阻抗特性抑制了電源線上傳播的共模騷擾電流，進行輻射發(fā)射測試時發(fā)現(xiàn)，300 MHz頻點處的騷擾頻譜幅度下降明顯，限值余量變大，由此可以判定300 MHz頻點處的輻射騷擾超標信號來自電源線，其測試結(jié)果示意見圖3。

根據(jù)EMC三要素“騷擾源、傳播路徑、敏感設(shè)備”的定義，敏感設(shè)備則是依據(jù)GB/T 9254-2008標準規(guī)定的測量接收機、測量天線及其測試附件的系統(tǒng)，傳播路徑是沿著待測設(shè)備電源線及其周圍的空間，而超標的騷擾信號頻點為300 MHz，可以明顯看出騷擾源仍在產(chǎn)品內(nèi)部的某個電路上。因此，需要開啟產(chǎn)品的外殼，繼續(xù)定位騷擾源的具體位置，即分析造成300 MHz頻點輻射發(fā)射超標的源頭。

可以應用便攜式測量接收機與近場探頭掃描待測產(chǎn)品內(nèi)部集成的各個電路板上方空間，同時觀察測量接收機的頻譜掃描曲線最大值是否出現(xiàn)在300 MHz附近。

圖2 產(chǎn)品輻射發(fā)射測試超標的故障定位流程

圖3 某型號通信設(shè)備垂直極化的輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)（電源線上添加鐵氧體磁環(huán)）

圖4 某款數(shù)字集群通信設(shè)備主電路板在垂直極化下的輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)

故障定位步驟如下：

首先，將待測設(shè)備主電路板從產(chǎn)品外殼中取出并放置到絕緣支撐墊上，再次進行輻射騷擾測試時發(fā)現(xiàn)，在眾多超標頻點中300 MHz頻點的幅值仍未最大值，其測試結(jié)果示意見圖4。

其次，使用測量接收機與近場探頭組成的掃描系統(tǒng)對待測設(shè)備主電路板上方的空間進行輻射熱點掃描，可以確認300 MHz頻點的騷擾源位于CPU與FPGA外圍電路時鐘驅(qū)動器電路附近，測試結(jié)果示意見圖5。

圖5 某型號通信設(shè)備主電路板在近場掃描下的輻射發(fā)射熱點分布

圖6 某型號通信設(shè)備主電路板時鐘驅(qū)動器輸入輸出端口的測試結(jié)果

再次，查看時鐘驅(qū)動器電路的Layout圖與原理圖發(fā)現(xiàn)，該時鐘驅(qū)動器的時鐘輸入信號頻率為60 MHz，而其時鐘輸出信號頻率中所含的300 MHz頻點是60 MHz頻點的5次諧波，其測試結(jié)果示意見圖6。

最終，確認了該時鐘驅(qū)動器的輸出端產(chǎn)生了60 MHz晶振頻率的五次諧波頻點300 MHz。

圖7 某型號通信設(shè)備主電路板時鐘驅(qū)動器輸出端口貼片電阻Rs斷開前后的比對測試結(jié)果

3 故障整改

觀察該時鐘驅(qū)動器的Layout圖與電路原理圖（圖6）可知，時鐘驅(qū)動器輸出信號通過PCB走線分別向CPU、FPGA、SDRAM、DSP、ADC以及DAC等芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號，并且該PCB路徑并非直接走線，而是通過一個Rs貼片電阻與特性阻抗為50 Ω的PCB走線相串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)對外分發(fā)各種時鐘信號的，見圖7所示[2]。

經(jīng)比對該時鐘驅(qū)動器輸出端口貼片電阻Rs斷開前后的頻譜曲線不難發(fā)現(xiàn)，Rs阻值對300 MHz及其它頻點幅值的大小有直接影響。通過查看該器件的技術(shù)手冊得知，該貼片電阻Rs用來匹配PCB傳輸線特性阻抗與時鐘驅(qū)動器輸出端的內(nèi)阻。

圖8 某信號通信設(shè)備主電路板時鐘驅(qū)動器輸出端口貼片電阻Rs阻值優(yōu)選流程

因此，該貼片電阻Rs阻值的選擇是由PCB走線的特性阻抗以及時鐘驅(qū)動器輸出端阻抗決定的，其中時鐘驅(qū)動器輸出端阻抗是由芯片自身決定的，其數(shù)值可通過查詢器件手冊來得到。那么，就需要使用仿真技術(shù)與實測技術(shù)來驗證Rs阻值是否可以良好匹配PCB走線的特性阻抗與時鐘驅(qū)動器輸出端阻抗。

經(jīng)反復仿真與調(diào)試實測確認，Rs阻值由原先的10 Ω調(diào)整到55 Ω時，不但PCB走線引起的反射最小，而且對外發(fā)射的電磁騷擾頻率也普遍降低。輻射發(fā)射超標整改方法是更換Rs阻值，其流程示意見圖8[3]。

圖9 某信號通信設(shè)備主電路板時鐘驅(qū)動器輸出端口貼片電阻Rs阻值更換后的輻射發(fā)射測試結(jié)果

4 效果驗證

Rs阻值由10 Ω變更為55 Ω后，重新將主電路板安裝到產(chǎn)品外殼之中，再次進行輻射發(fā)射測試驗證后發(fā)現(xiàn)，測試天線無論是垂直極化，還是水平極化，其輻射發(fā)射頻譜曲線均遠離GB/T 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》Class B標準限值（如圖9所示）。由此可見，對時鐘驅(qū)動器輸出端口匹配電阻Rs的調(diào)整可以大大改善產(chǎn)品的輻射騷擾發(fā)射水平，對比最大輻射頻點280 MHz處的幅值，電阻Rs調(diào)整之后的輻射騷擾發(fā)射程度與原先相比降低了約20 dB，并且遠離標準限值要求，其流程示意見圖9。

5 結(jié)語

時鐘驅(qū)動器芯片輸出端口一般均內(nèi)帶串阻，其串阻值較低且阻值精度較差，為與PCB板內(nèi)走線的特性阻抗匹配，其中需要串接一個匹配電阻Rs。對于Rs阻值的選擇，芯片的技術(shù)手冊并沒有給出明確的推薦數(shù)值，因此需要結(jié)合電磁仿真軟件做阻抗匹配與信號完整性分析，并最終通過測試來驗證Rs阻值選擇的正確性。

從本案例來看，通過調(diào)整Rs阻值來使得時鐘驅(qū)動器輸出信號從原先的阻抗失配狀態(tài)恢復到阻抗匹配狀態(tài)，可以有效地較低時鐘信號的諧波發(fā)射，從而降低了產(chǎn)品的輻射騷擾發(fā)射水平。

在本案例的故障定位之初，有些工程師建議通過加裝磁環(huán)來解決問題，而這些措施雖然解決了問題，但是會增加產(chǎn)品的制造成本，同時導致生產(chǎn)過程的復雜，采用對電路板的信號完整性分析方法可主動控制產(chǎn)品的EMI問題，這是一種值得推廣的低成本、高效率的方法。