物聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品設計中的低成本EMI/EMC預一致性測試

摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)設備在無線通信技術中的EMI/EMC問題，本文以基于USB接口的RSA306實時頻譜分析儀進行EMI預一致性分析測試為例，就如何進行IoT的EMI/EMC測試進行分析。

　　萬物互聯(lián)在帶來機遇的同時，也帶來了許多的挑戰(zhàn)。在廣泛應用于WiFi、藍牙、ZigBee等無線通信技術的物聯(lián)網(wǎng)設備時，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實驗室認證，以改善IoT設備的可靠性;此外，隨著各種高速接口的大量應用和混合信號處理電路的應用，IoT設備的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測試失敗可能會導致昂貴的重新設計成本，并會耽誤產(chǎn)品上市;此外，在認證實驗室中進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，預一致性測試通常會用在早期階段進行一致性問題檢測。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計，從而有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期;另外，預一致性測試設置相對簡單，通過適當?shù)脑O備和規(guī)劃，可以成為設計調(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展到多個平臺應用的策略，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對包括實時頻譜分析、802.11xx 分析、藍牙無線分析、蜂窩調(diào)制分析和EMI 預一致性分析等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預一致性測試的測試解決方案，特別適合IoT應用中對簡便操作和經(jīng)濟性的要求。這些功能特性覆蓋了當前的大部分主流IoT應用。該頻譜分析儀支持9kHz~6.2 GHz頻率范圍，可捕捉高達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)時間可達到100us;免費標配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。

　　在預一致性測試中放射輻射測量和傳導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。降低被測設備(DUT)與測試天線之間的距離會提高DUT信號強度與RF背景噪聲之比，但近場測試結果并不會直接轉換成EMI一致性測試中使用的遠場測試信號。因此，在得出結論時必須慎重增加預放以提升相對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。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，設置極限行;調(diào)節(jié)極限行，使之適應測試環(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)可以準備進行一致性測試;如果在這個階段發(fā)現(xiàn)問題，那么可能要求進一步診斷和修改設計。RSA306上提供了一致性測量，同時也支持診斷，熟悉DUT設計的工程師可以進一步確定問題信號。

　　2. 傳導輻射測量分析

　　圖6為傳導輻射測量設置的方框圖，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)品的預一致性測試與此相似。

　　傳導輻射測量分析時，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電源上傳導的干擾對某些設計可能也是一個問題。大多數(shù)傳導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。

　　對于傳導測量，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，把進入的噪聲降低到足夠低的水平來進行傳導測量。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。