利用頻譜儀和TEM小室進(jìn)行輻射干擾測量

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本文主要描述了如何解決基于超聲波倒車(chē)雷達的輻射干擾測量問(wèn)題。在開(kāi)始的基于CISPER 25 第四類(lèi)窄帶輻射測量中，該設備在530KHz-2MHz這個(gè)頻段測試沒(méi)通過(guò)合規標準。

此倒車(chē)雷達由一個(gè)帶有蜂鳴器的控制器和兩個(gè)雷達模塊組成。接線(xiàn)主要包含連接控制器的主供電線(xiàn)纜以及控制器與兩個(gè)雷達模塊之間的通信及供電線(xiàn)纜。

由圖可見(jiàn)，紅色線(xiàn)表示CISPER 25第四類(lèi)的模板*，藍色線(xiàn)表示實(shí)測譜線(xiàn)。在530KHz到1.1MHz的頻段范圍內，測量出的輻射干擾超出了模板的*。同時(shí)，我們還測試了將連接雷達模塊線(xiàn)纜斷開(kāi)的情況，發(fā)現仍然通不過(guò)標準。

分析

分析上圖的譜線(xiàn)我們可以得到一些信息：在低頻范圍內，該設備的輻射噪聲是超出標準的，我們假定引起這個(gè)問(wèn)題的，是一個(gè)低頻的數字信號。

相對較寬的頻譜，不含離散的譜線(xiàn)，意味著(zhù)該超標的頻譜噪聲來(lái)源很可能是來(lái)自于控制器本身或者控制器和雷達模塊之間的串行接口。

正如我們之前提到的，斷開(kāi)控制器和雷達模塊之間的線(xiàn)纜，測試也沒(méi)通過(guò)，所以我們初步認為，引起這個(gè)超標的源頭在于控制器。

實(shí)測

頻譜分析儀，近場(chǎng)探頭，結合恒電磁波傳輸小室（簡(jiǎn)稱(chēng)TEM小室，Transverse Electromagnetic Transmission Cell）能作為識別輻射干擾根源的基本工具。本次測試我們采用鼎陽(yáng)科技SSA3021X頻譜分析儀和選配的近場(chǎng)探頭以及TekBox的TEM小室。

首先我們打開(kāi)頻譜分析儀然后設置如下：

SPAN設置為530KHz到2MHz；RBW設置為9KHz，衰減設置為0dB，顯示設置為電壓平均；打開(kāi)頻譜儀標配的預置放大器，并選用正峰值檢波器，測試結果如下:

在以上設置參數參考的情況下，顯示平均噪聲電平（DANL，Displayed Average Noise Floor）大約在-20dBμV 左右，這個(gè)指標在同級別的頻譜儀中算是非常好的。 然而，我們還是需要考慮到在這個(gè)頻段范圍內可能會(huì )有AM廣播信號的干擾。

接下來(lái)我們連接空的TEM小室，驗證以上猜想，顯示頻譜如下：

正如我們預想的那樣，在530KHz到1.1MHz這個(gè)頻段內，基本被廣播信號填滿(mǎn)了（圖中可見(jiàn)的尖峰毛刺）。接下來(lái)我們需要弄清楚，待測設備DUT（Device Under Test）的輻射泄放的幅值在TEM空載的幅值之上還是之下。

DUT設置

接下來(lái)，將包括電纜和雷達模塊的DUT放置在TEM小室內并通電：

在頻譜儀中設置跡線(xiàn)跟蹤為大保持，此時(shí)結果如下：

我們可以從圖中的波峰軌跡大致看出來(lái)，結果基本與初次在吸波暗室中測量的結果是相符的，盡管在此頻段范圍內有一些AM廣播信號的干擾（圖中可見(jiàn)的一些毛刺）。

從圖中也可以看出，我們利用TEM小室測出的幅值大約比在吸波暗室中測得的結果低20dBμV左右。

然后同樣地，我們將和雷達連接的線(xiàn)纜移除，發(fā)現和之前在吸波暗室的測量結果一致，仍然未通過(guò)標準。

PS：為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，線(xiàn)纜仍然和控制器保持物理連接，但已移動(dòng)到TEM小室隔膜的另一端。

令人驚奇的是，我們發(fā)現，移除線(xiàn)纜降低了DUT的輻射噪聲：

移除線(xiàn)纜可以使輻射噪聲降低11dBμV左右。事實(shí)上，我們并未拆除線(xiàn)纜，但兩個(gè)雷達模塊已經(jīng)斷開(kāi)連接。這也解釋了為什么譜線(xiàn)的波峰的相對幅度在吸波暗室和TEM小室的測量結果有所不同。線(xiàn)纜是直著(zhù)放在吸波暗室中的，但在TEM小室中，它是卷曲的。

結論

移除線(xiàn)纜可以明顯觀(guān)察到DUT輻射噪聲的降低。盡管如此，即使我們移除兩個(gè)雷達線(xiàn)纜，測量結果仍然顯示未通過(guò)。事實(shí)上，在去掉雷達模塊的情況下，控制器也會(huì )不斷嘗試通過(guò)串行線(xiàn)纜進(jìn)行通信----并且不會(huì )超時(shí)。因此，我們推測，連接雷達模塊和控制器之間的串行通信接口很有可能是導致該輻射噪聲超標的罪魁禍首。為了驗證我們的猜想，我們需要對通信接口做一些過(guò)濾。

由于鎳鋅鐵氧體磁導率比較低，在低頻段的使用性能不高，因此我們決定在線(xiàn)纜中串聯(lián)電阻。這算是一種非常實(shí)用的辦法，因為PCB上已經(jīng)安裝了0歐姆的串聯(lián)電阻。通過(guò)用1K歐姆的電阻替換0歐姆的電阻可以使輻射噪聲降低到12dBμV左右。但是，導致的結果卻是串行接口沒(méi)法可靠地工作在的電壓范圍內。所以，我們還需要調整晶體管串行電路中的一些其他電阻，以解決輻射噪聲超標問(wèn)題，同時(shí)也能保證串行接口的性能。進(jìn)行了一些修改并重新測量之后，結果顯示如下：

為了更清楚地展示這個(gè)變化，我們重新設置了頻譜儀的SPAN，使得其剛好在兩個(gè)相鄰的廣播頻道之間，意味著(zhù)測量的頻譜結果幾乎沒(méi)有AM廣播信號的干擾。

如下是在修改之前的屏幕截圖：

通過(guò)截圖可知，修改后的輻射噪聲水平下降了12dBμV。

經(jīng)過(guò)修改后，我們重新在暗室進(jìn)行了測量，以下是終測量結果的截圖：

利用頻譜儀和TEM小室來(lái)做輻射噪聲測試是一種非常經(jīng)濟實(shí)用的方法。要知道，專(zhuān)門(mén)用于EMC一致性測試的吸波暗室造價(jià)成本高達幾百萬(wàn)，即使是送到專(zhuān)門(mén)的機構測試， 也需要多次整改和測試，費用也不菲。

輻射噪聲一般具有相對較寬的頻譜范圍，沒(méi)有尖銳的波峰。盡管有一些廣播電臺的頻譜干擾，頻譜儀和TEM小室也能很好地對設備的輻射噪聲進(jìn)行測試和觀(guān)察。

利用EMC近場(chǎng)探頭可以定位和識別PCB上的輻射泄露源，頻譜儀結合TEM小室可以對整改后的設備進(jìn)行多次測試， 以判斷其是否符合EMC規范的標準。在對多個(gè)獨立單元以及線(xiàn)纜互聯(lián)的設備進(jìn)行測試時(shí)也是非常實(shí)用的。

改進(jìn)倒車(chē)雷達這個(gè)案例需要進(jìn)行多次反復整改才能找到既滿(mǎn)足EMC合規性標準，又能符合產(chǎn)品實(shí)際功能要求的理想解決方案。如果我們在每次整改之后，都要送到的暗室進(jìn)行測量的話(huà)，成本是非常高昂的，遠遠超過(guò)我們購買(mǎi)頻譜儀和TEM小室的預算。
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