当今产品花费了大量的时间和工作使EMI辐射达到最小。大多数工程师采用优秀的设计惯例,最大限度地减少发生EMI问题的可能。今天,在设计和原型阶段执行预一致性测量已经十分常见,以在产品发出执行一致性测试前确定和解决潜在的EMI问题。这些技术降低了产品在测试机构最终全面一致性测试失败的风险。

预一致性测试

在EMI领域,不同的设计和认证阶段采用不同的设备和技术。在早期开发阶段,EMC设计技术与诊断技术相结合,得到低一致性测试签名,其对外部和内部干扰的灵敏度都很低。可以使用预一致性测试,在早期找到一致性测试问题,大大提高一遍通过全面EMC一致性测试的成功概率,而不需要额外的重新设计。如果早期一致性测试发现问题区域,那么预一致性测试就为评估设计修改方案提供了快速经济的方式。

满足国际标准并不要求进行预一致性测试,预一致性测试的目标是发现潜在问题,降低昂贵的一致性测试阶段测试失败的风险。使用的设备可以是不满足标准的设备,如果在测试结果中运用充足的裕量,其精度和动态范围可以低于满足标准的接收机。预一致性测试要求:

  • 频谱分析仪,带有峰值检测器(可以选配准峰值检测器)
  • 预放(选配)
  • 带有非金属支架的天线,用于放射辐射
  • 工频阻抗稳定性网络(LISN),用于传导辐射
  • 功率限制装置,用于传导辐射
  • 近场探头,用于诊断(选配)

预一致性测试既可以在认证实验室中使用快速测量技术完成,其目的只是为了“快速查看”问题区域;也可以由工程人员在临时地点完成。

在选择测试地点时,最好选择能使外部信号源达到最小的位置。农村地区、会议室或地下室都比较好,因为这些地方最大限度地减少了可能掩盖您要测量的DUT辐射水平的信号。

预一致性测试中通常使用通用频谱分析仪,如泰克RSA306,其中包含有通用滤波器和检测器。它们提供了设计流程中通常已经使用的快速测量工具,因此不需要额外投入。

检测方法

检测器计算规定采样间隔中的信号的单个点。检测方法可以计算正或负峰值、电压的RMS值或平均值、或准峰值(QP)。一致性测试实验室在全面一致性测试中使用准峰值(QP)检测器,但对比较保守的测试裕量,可以使用简单的峰值检测器进行预一致性测量。EMI部门或外部实验室一般在刚开始测试时使用简单的峰值检测器执行扫描,找到超过或接近规定极限的问题区域。对接近或超过极限的信号,他们执行QP测量。QP检测器是EMI测量标准规定的一种专用检测方法。QP检测器用来检测信号包络加权后的峰值(准峰值)。它根据持续时间和重复速率加权信号。发生频次较高或持续时间较长的信号的QP测量值要比偶发的短脉冲高。

一个经验法则是QP会一直小于等于峰值检测,而永远不会大于峰值检测。RSA306为进行EMI调试和诊断提供了峰值检测功能。您不需要准确地执行EMI部门或实验室扫描,因为所有的一切都是相对的。如果实验室报告显示DUT比极限高出3dB,峰值检测测量比极限高出6dB,那么您需要进行修复,使信号降低3dB或以上。

视频滤波器

某些EMI测量中规定了视频滤波器,频谱分析仪中最初使用视频滤波器,降低噪声变化在测量中的影响。视频滤波器一词源于其最初实现方式,当时低通滤波器被放在检测的输出与频谱分析仪CRT的Y轴模拟驱动输入之间。RTSAs和某些现代频谱分析仪采用数字技术,在信号上使噪声平滑化。在大多数EMI测量应用中,都规定关闭视频滤波器,或规定视频滤波器至少要比测量规定的RBW高出3倍。

国际放射源测量

随着无线革命进入新的部署阶段,业内正在转变为在各种非传统产品中增加无线功能,如温度计、咖啡机、甚至牙刷。这一革命面临的一个挑战是它需要产品制造商了解怎样在产品中适当地增加这种新的无线功能。从EMI角度看,它要求进行额外的故意放射源测试。故意放射源是指广播无线电能量(不是红外线能量或超声波能量)以执行功能的装置。产生故意放射辐射的设备包括:

  • 手机
  • 民用频段(CB)无线电
  • 对讲机
  • 无线连接
  • 蓝牙设备
  • 短距离广播设备
  • 无线钥匙接入系统
  • 有源近场通信(NFC)和射频识别(RFID)系统

很明显,传送能量需要无线电波。这些设备特意使用无线频谱,因此一直要求FCC或其他同等器件授权。作为故意辐射装置的器件还要满足非故意辐射测试要求。由于内部电路,其在器件设计使用的频率之外的频率上也可能会发生辐射。

在为这类测试选择频谱分析仪时,非常重要的一点是选择的仪器至少要能够捕获器件内部产生的放射信号的至少三阶谐波。故意辐射装置的测试设置与前面所示的放射辐射设置相同。但在这种情况下,关心的频率限于规范规定的辐射频率及频率模板,如WiFi、蓝牙等。

案例分析:放射辐射测量

在我们的预一致性测试中,我们使用了一米和几厘米两种距离。降低DUT与测试天线之间的距离会提高DUG信号强度与RF背景噪声之比。遗憾的是,近场结果并不会直接转换成EMI一致性测试中使用的远场测试,因此在得出结论时必须慎重。增加预放是提升相对DUT信号电平的另一种好方法。图1显示了设置的方框图。 201606 MRF Tech S3 F1 图1. 预一致性测试中放射辐射测试设置的方框图。

选择天线

在我们的测量中,我们使用了三台成本非常低的PC板对数周期天线和一台双锥天线。这些天线安装在三脚架上,放置简便。天线因数(AF)和电缆损耗可以输入到RSA306中,校正场强。双锥天线用于20 - 200 MHz频率。较长的20 - 200 MHz波长要求较大的天线,背景噪声也可能是一个问题,因为它包括许多无线广播频率。 使用频谱分析仪执行低成本EMI预一致性测试 图2. 测试天线采用Electro-Metrics EM-6912A双锥形天线

分析环境特性和测试结果

在把天线校正因数和电缆损耗输入RSA306后,打开峰值检测器电源,设置极限行。调节极限行,适应我们的测试环境。

在打开DUT电源前,一定要评估和分析测试环境特性。在极限行和环境噪底之间是否有足够的信号空间?是否有可以降低的已知信号?您是否需要把测试设置移到更安静的环境? 201606 MRF Tech S3 F3 图3. 环境背景结果。在VHF频段中可以清楚地看到广播信号。 201606 MRF Tech S3 F4 图4. DUT的测试结果。超限情况不是由DUT引起的。

在我们的测试中,使用已经通过EMI一致性测试的泰克WiFi演示电路板,因此没有检测到失败。好消息,如果您已经正确设置测试,没有什么东西接近极限行,那么这可能意味着您已经可以准备进行一致性测试。

如果在这个阶段发现问题,那么可能要求进一步诊断和修改设计。RSA306上提供的功能既支持一致性测量,也支持诊断。熟悉DUT设计的工程师可以确定问题信号。近场探测工具也可能会非常实用,我们后面会对此展开讨论。

近场测量与远场测量 201606 MRF Tech S3 F5 图5. 在近场中,波阻抗取决于信号源的特点及距信号源的距离。在远场中,阻抗是恒定的。

在全面一致性测试实验室中,我们使用EMI接收机和精心校准的天线,在3米或10米距离上测试电子器件。换句话说,也可能在远场中完成测量。这些测试舱旨在消除或大大降低所有不想要的RF信号,以便只测量DUT的EMI信号。

尽管我们需要尽最大努力来保证预一致性测试中的RF背景噪声达到最小,但背景噪声可能仍然很明显。降低测试天线与DUT之间的距离可以提升DUT相对于RF背景的信号电平。

图5显示了近扬和远场中波阻抗的特点,以及它们之间的转换区域。我们可以看到,在近场区域中,场可以以磁场阻抗为主,也可以以电波阻抗为主。近场测量用于调试,因为它们可以确定能量来源,并能够在不需要专用测试站点的情况下执行测试。

但是,一致性测试是在远场中进行的,从近场测量中预测远场能量水平可能会非常复杂,因为远场信号的强度不仅取决于信号源强度,还取决于放射机制及可能采用的任何屏蔽或滤波。我们必须记住的一条经验法则是如果我们能够在远场中观察到一个信号,那么我们也应该能够在近场中观察到相同的信号。我们可能能够在近场中观察到一个信号,但在远场中却观察不到相同的信号。