物聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品設(shè)計中的低成本EMI/EMC預(yù)一致性測試

摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在無線通信技術(shù)中的EMI/EMC問題，本文以基于USB接口的RSA306實時頻譜分析儀進(jìn)行EMI預(yù)一致性分析測試為例，就如何進(jìn)行IoT的EMI/EMC測試進(jìn)行分析。

　　萬物互聯(lián)在帶來機(jī)遇的同時，也帶來了許多的挑戰(zhàn)。在廣泛應(yīng)用于WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等無線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，電磁干擾和電磁兼容(EMI/EMC)問題變得非常突出。為此，世界各地都制訂了不同的EMI法規(guī)(如FCC、ETSI、IC和KCC等)和EMI/EMC實驗室認(rèn)證，以改善IoT設(shè)備的可靠性;此外，隨著各種高速接口的大量應(yīng)用和混合信號處理電路的應(yīng)用，IoT設(shè)備的EMI環(huán)境變得更具挑戰(zhàn)性。而另一方面，IoT硬件開發(fā)項目工程師在有效使用混合信號測試工具的經(jīng)驗方面也面臨著挑戰(zhàn)(如圖1所示)。

物聯(lián)網(wǎng)全面開發(fā)測試驗證工具

　　產(chǎn)品最終的應(yīng)用目的(是家庭使用、汽車使用或者是工廠環(huán)境使用?是中國國內(nèi)銷售還是出口到歐美?)決定了物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)測試驗證工具需要遵循的規(guī)范，而需要遵循的EMI規(guī)范又決定了需要的測試工作。此外，不同行業(yè)對EMI規(guī)范的定義也有所不同。

　　傳統(tǒng)的EMI一致性測試是窮盡式測試，耗時較長，在產(chǎn)品開發(fā)的最終階段發(fā)生EMI測試失敗可能會導(dǎo)致昂貴的重新設(shè)計成本，并會耽誤產(chǎn)品上市;此外，在認(rèn)證實驗室中進(jìn)行全面一致性測試成本可能會很高(每天的費用在1,000~3,000美元)。為了不影響產(chǎn)品的上市周期及最大限度降低成本，預(yù)一致性測試通常會用在早期階段進(jìn)行一致性問題檢測。這將大大提高通過全面EMI一致性測試的成功概率，而不需要額外的重新設(shè)計，從而有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期;另外，預(yù)一致性測試設(shè)置相對簡單，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和規(guī)劃，可以成為設(shè)計調(diào)試中的重要工具。

　　泰克科技一直以來堅持將業(yè)界廣受歡迎的信號分析軟件擴(kuò)展到多個平臺應(yīng)用的策略，這讓工程師能夠獲得相同的測試界面，同時也使他們能夠在較短時間內(nèi)進(jìn)行更多新功能特性的測試。泰克先后基于MDO4000B和SignalVu-PC電腦推出了WiFi分析功能，并增加了對藍(lán)牙的測試功能。他們將會穩(wěn)步地發(fā)布新軟件，所有新的功能都將在SignalVu軟件上以及任何可以運行該軟件的平臺上實現(xiàn)。因此，當(dāng)前的功能和未來將會實現(xiàn)的功能都將在RSA5000、RSA6000以及泰克所有基于Windows平臺的示波器上實現(xiàn)。這意味著在采用SignalVu軟件進(jìn)行測試時，所有分析平臺都會有相同的外觀以及使用體驗。如圖2所示，泰克科技測試產(chǎn)品組幫助工程師輕松應(yīng)對包括實時頻譜分析、802.11xx 分析、藍(lán)牙無線分析、蜂窩調(diào)制分析和EMI 預(yù)一致性分析等IoT產(chǎn)品開發(fā)中的各種信號分析挑戰(zhàn)。

使用頻譜分析儀執(zhí)行低成本EMI預(yù)一致性測試

　　RSA306實時頻譜分析儀(如圖3所示)是一款適合EMI預(yù)一致性測試的測試解決方案，特別適合IoT應(yīng)用中對簡便操作和經(jīng)濟(jì)性的要求。這些功能特性覆蓋了當(dāng)前的大部分主流IoT應(yīng)用。該頻譜分析儀支持9kHz~6.2 GHz頻率范圍，可捕捉高達(dá)40MHz帶寬的射頻信號。如IEEE802.11n的無線通訊信號，對于動態(tài)范圍為-160 dBm至+20 dBm的通訊信號，可檢測的最小持續(xù)時間可達(dá)到100us;免費標(biāo)配SignalVu-PC的功能，包括幅度、頻率、相位隨時間的變位，I /Q信號分量隨時間的變位、頻譜、瀑布圖和AM/FM/PM調(diào)制信號的分析等。

　　在預(yù)一致性測試中放射輻射測量和傳導(dǎo)輻射測量是兩項非常重要的測試項目，它們很大限度地減少了產(chǎn)品通過EMI認(rèn)證所需的費用和時間。我們將通過兩個實測案例分析基于RSA306實現(xiàn)放射輻射和傳導(dǎo)輻射測試方法。

　　1.放射輻射測量分析

　　該放射輻射測量分析案例中，使用的是一米和幾厘米兩種距離。降低被測設(shè)備(DUT)與測試天線之間的距離會提高DUT信號強(qiáng)度與RF背景噪聲之比，但近場測試結(jié)果并不會直接轉(zhuǎn)換成EMI一致性測試中使用的遠(yuǎn)場測試信號。因此，在得出結(jié)論時必須慎重增加預(yù)放以提升相對DUT 信號電平。

　　測量中使用了三臺成本非常低的PC板對數(shù)周期天線和一臺雙錐天線。這些天線安裝在三腳架上，放置簡便。天線因數(shù)(AF) 和電纜損耗可以輸入到RSA306，校正場強(qiáng)。雙錐天線用于接收20 - 200 MHz頻率的信號，較長的波長要求較大的天線，由于其中包括許多無線廣播頻率，因而，背景噪聲也可能是一個問題。

　　在把天線校正因數(shù)和電纜損耗輸入RSA306后，打開峰值檢測器電源，設(shè)置極限行;調(diào)節(jié)極限行，使之適應(yīng)測試環(huán)境。在打開DUT電源前，一定要評估和分析測試環(huán)境特性(如圖5(a)所示)，從而確定在極限行和環(huán)境噪底之間是否有足夠的信號空間、是否有可以降低的已知信號以及是否需要把測試設(shè)置移到更安靜的環(huán)境。

　　如果對背景噪聲滿意，打開DUT電源，兩項測量之差即為來自DUT的輻射(如圖5(b)所示)。在本案例測試中，使用已經(jīng)通過EMI一致性測試的泰克WiFi演示電路板，沒有檢測到失敗。如果已經(jīng)正確設(shè)置測試，沒有什么東西接近極限行，那么這可能意味著已經(jīng)可以準(zhǔn)備進(jìn)行一致性測試;如果在這個階段發(fā)現(xiàn)問題，那么可能要求進(jìn)一步診斷和修改設(shè)計。RSA306上提供了一致性測量，同時也支持診斷，熟悉DUT設(shè)計的工程師可以進(jìn)一步確定問題信號。

　　2. 傳導(dǎo)輻射測量分析

　　圖6為傳導(dǎo)輻射測量設(shè)置的方框圖，被測器件是筆記本電腦使用的通用AC/DC電源適配器。很多IoT電子產(chǎn)品的預(yù)一致性測試與此相似。

　　傳導(dǎo)輻射測量分析時，需要注意以下幾點：

　　1)由于LISN放電可能會損壞頻譜分析儀前端，因而，一定要先從LISN上斷開頻譜分析儀的輸入，然后再從LISN中拔下電源;

　　2)在傳導(dǎo)輻射測量中，使用的是LISN而不是天線。LISN是一種低通濾波器，放在AC或DC 電源與DUT 之間，可以創(chuàng)建已知阻抗，提供一個RF 噪聲測量端口。它還把不想要的RF 信號與電源隔開。同時，增加一個預(yù)放也是提升相對DUT 信號電平的好方法;

　　3)另外，50 Hz或60Hz電源上傳導(dǎo)的干擾對某些設(shè)計可能也是一個問題。大多數(shù)傳導(dǎo)EMI測試規(guī)定了9 kHz~1 GHz 實測頻率范圍，但在需要時也可以在更低頻率上測量信號。

　　對于低頻測量，泰克RSA5100 系列實時頻譜分析儀可以覆蓋直到1 Hz以下的頻率范圍。為較有效地測量傳導(dǎo)EMI?？梢允褂脙蓚€LISN：一個用于DUT 的規(guī)定阻抗，一個用于頻譜分析儀或接收機(jī)。

　　對于傳導(dǎo)測量，背景噪聲來自于電源。盡管LISN提供了一定的隔離度，但需要額外的功率濾波。本案例測量通過增加電源濾波器，把進(jìn)入的噪聲降低到足夠低的水平來進(jìn)行傳導(dǎo)測量。首先，我們把LISN校正因數(shù)輸入RSA306，打開峰值檢測器電源，設(shè)置極限行。在打開DUT 電源前，一定要評估和分析測試環(huán)境特性。極限行與噪底之間是否有足夠的空間?是否需要增加功率濾波器?如果您對背景噪聲滿意，打開DUT電源，按該順序把LISN輸出連接到頻譜分析儀上。兩項測量之差即為來自DUT的輻射。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第8頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。