利用頻譜儀和TEM小室進(jìn)行輻射干擾測量

問題介紹

本文主要描述了如何解決基于超聲波倒車?yán)走_(dá)的輻射干擾測量問題。在最開始的基于CISPER 25 第四類窄帶輻射測量中，該設(shè)備在530KHz-2MHz這個(gè)頻段測試沒通過合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

此倒車?yán)走_(dá)由一個(gè)帶有蜂鳴器的控制器和兩個(gè)雷達(dá)模塊組成。接線主要包含連接控制器的主供電線纜以及控制器與兩個(gè)雷達(dá)模塊之間的通信及供電線纜。

圖一 倒車?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

以下是在暗室測量之后未通過界面的截圖：

圖2 未通過界面截圖

由圖可見，紅色線表示CISPER 25第四類的模板限量，藍(lán)色線表示實(shí)測譜線。在530KHz到1.1MHz的頻段范圍內(nèi)，測量出的輻射干擾超出了模板的限量。同時(shí)，我們還測試了將連接雷達(dá)模塊線纜斷開的情況，發(fā)現(xiàn)仍然通不過標(biāo)準(zhǔn)。

分析

分析上圖的譜線我們可以得到一些信息：在低頻范圍內(nèi)，該設(shè)備的輻射噪聲是超出標(biāo)準(zhǔn)的，我們假定引起這個(gè)問題的，是一個(gè)低頻的數(shù)字信號。

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

正如我們之前提到的，斷開控制器和雷達(dá)模塊之間的線纜，測試也沒通過，所以我們初步認(rèn)為，引起這個(gè)超標(biāo)的源頭在于控制器。

實(shí)測

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

首先我們打開頻譜分析儀然后設(shè)置如下：

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

圖3 頻譜儀基礎(chǔ)設(shè)置

在以上設(shè)置參數(shù)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(biāo)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(nèi)可能會(huì)有AM廣播信號的干擾。

接下來我們連接空的TEM小室，驗(yàn)證以上猜想，顯示頻譜如下：

正如我們預(yù)想的那樣，在530KHz到1.1MHz這個(gè)頻段內(nèi)，基本被廣播信號填滿了(圖中可見的尖峰毛刺)。接下來我們需要弄清楚，待測設(shè)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(shè)置

接下來，將包括電纜和雷達(dá)模塊的DUT放置在TEM小室內(nèi)并通電：

圖5 將DUT放置在TEM小室內(nèi)并通電

在頻譜儀中設(shè)置跡線跟蹤為最大保持，此時(shí)結(jié)果如下：

圖6 設(shè)置跡線跟蹤為最大保持

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

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(jié)果低20dBμV左右。

然后同樣地，我們將和雷達(dá)連接的線纜移除，發(fā)現(xiàn)和之前在吸波暗室的測量結(jié)果一致，仍然未通過標(biāo)準(zhǔn)。

PS：為了簡便起見，線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。

圖7 移除和雷達(dá)相連的線纜后的連接

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

圖8移除線纜后的測試結(jié)果

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

結(jié)論

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

由于鎳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率比較低，在低頻段的使用性能不高，因此我們決定在線纜中串聯(lián)電阻。這算是一種非常實(shí)用的辦法，因?yàn)镻CB上已經(jīng)安裝了0歐姆的串聯(lián)電阻。通過用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(dǎo)致的結(jié)果卻是串行接口沒法可靠地工作在指定的電壓范圍內(nèi)。所以，我們還需要調(diào)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(biāo)問題，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(jié)果顯示如下：

圖9 修改后的測試結(jié)果

為了更清楚地展示這個(gè)變化，我們重新設(shè)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，意味著測量的頻譜結(jié)果幾乎沒有AM廣播信號的干擾。

如下是在修改之前的屏幕截圖：

圖10 修改前截圖

如下是修改之后屏幕截圖：

圖11 修改之后的截圖

通過截圖可知，修改后的輻射噪聲水平下降了12dBμV。

經(jīng)過修改后，我們重新在暗室進(jìn)行了測量，以下是最終測量結(jié)果的截圖：

圖12 最終在暗室進(jìn)行的測試結(jié)果截圖

如圖所示，測試設(shè)備最終通過了500KHz到2MHz頻段的輻射噪聲測試。

總結(jié)

利用頻譜儀和TEM小室來做輻射噪聲測試是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。要知道，專門用于EMC一致性測試的吸波暗室造價(jià)成本高達(dá)幾百萬，即使是送到專門的機(jī)構(gòu)測試， 也需要多次整改和測試，費(fèi)用也不菲。

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

利用EMC近場探頭可以定位和識(shí)別PCB上的輻射泄露源，頻譜儀結(jié)合TEM小室可以對整改后的設(shè)備進(jìn)行多次測試， 以判斷其是否符合EMC規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。在對多個(gè)獨(dú)立單元以及線纜互聯(lián)的設(shè)備進(jìn)行測試時(shí)也是非常實(shí)用的。

改進(jìn)倒車?yán)走_(dá)這個(gè)案例需要進(jìn)行多次反復(fù)整改才能找到既滿足EMC合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)，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，都要送到專用的暗室進(jìn)行測量的話，成本是非常高昂的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們購買頻譜儀和TEM小室的預(yù)算。