關于雜散輻射產生原因及解決方法的研究*

黃樹文，符 超，熊仕文

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

雜散輻射作為無線產品一項必測的射頻指標，倘若不合格不僅會影響智能產品其他的射頻指標，而且會影響通信質量、干擾設備的運行。筆者在測試一款帶有藍牙模塊的無線產品輻射雜散過程中發現，它的輻射雜散超標，導致通信連接不穩定。本文通過此案例分析雜散產生的原因，以提供正確的解決思路，以期日后遇到類似問題可以迅速得以解決。

1 雜散輻射的產生

雜散輻射是指在發射信道和相鄰信道以外的所有離散頻點上的騷擾輻射，事實上就是考察發射機對遠離載波頻點處的干擾水平。按照來源的不同，雜散輻射分為輻射型雜散（以下簡稱輻射雜散）和傳導型雜散（以下簡稱傳導雜散）兩種。傳導雜散是用RF Cable 連接天線插頭與50 Ω 負載進行纜測；輻射雜散則是在天線暗室中進行耦合測試。

1.1 輻射雜散簡介

當移動臺連接到非輻射純電阻負載或處于接收狀態時，移動臺以所述移動臺外殼和電源、控制和音頻電纜輻射的指定信道以外的頻率產生或放大的傳輸，則稱為輻射雜散。輻射雜散是CE/FCC/MIC認證中的一項重要內容。任何無線傳輸產品在申請CE/FCC/MIC 認證時都必須進行測試，且該測試項目的通過率較低。很多產品在此會出現問題，特別是大功率發射的產品。

輻射雜散有多種測試方法，常見的是在全電波暗室運用替代法測試，如圖1 所示。

圖1 全電波暗室替代法

替代法的基本思想是先預掃描被測設備在接收天線處產生的輻射功率，再用信號發生器和標準天線替代被測設備在接收天線處產生相同的輻射功率，由此得到的標準天線發射功率即為被測設備在該頻點的輻射功率。

1.2 傳導雜散簡介

傳導雜散發射指的是在天線連接處的、不同于載波和調制相關的邊帶的各個頻點的雜散值。一般都是指測試TX 的指標，分析發射最大功率時對整個頻帶的影響。傳導雜散分為帶內雜散和帶外雜散兩種。帶內雜散是指信號發射時落在各頻段接收帶內的干擾。帶外雜散主要是衡量發射信號的諧波分量。

傳導雜散測試不同于輻射雜散測試，是直接通過射頻線連接模塊傳輸信號而非通過空間傳輸信號，受外界干擾可能性比輻射雜散小，如圖2 所示。

2 實測案例

筆者在對一款使用5 V 電池供電的藍牙產品進行測試時發現，它的通信不穩定，響應速度慢，甚至有時無響應。將它放入全電波暗室進行輻射雜散測試后發現，它的輻射雜散值超標。圖3 為輻射雜散測試結論。

如圖3 所示，可以清晰看到輻射雜散在939 MHz 有一個超標點，距限值差11 dB，輻射雜散不合格。

圖2 傳導雜散測試

圖3 輻射雜散結論

2.1 輻射雜散理論分析

輻射雜散的干擾源一般由3 個部分產生：射頻模塊的傳導雜散輻射、機箱及設備結構引起的輻射型雜散輻射和傳導雜散與電源線串擾產生的雜散輻射。由于輻射雜散通過無線空間傳播，因此可能輻射干擾的點是多種多樣的，如圖4 所示。

圖4 輻射雜散干擾因素

筆者將輻射雜散不合格的因素歸類為內部因素和外部因素兩個因素。如果傳導雜散合格，意味著內部因素合格，此時需從外部因素找尋輻射雜散不合格原因；如果傳導雜散不合格，不僅需從內部因素找尋輻射雜散不合格原因，還需排查外部因素。

2.2 傳導雜散驗證排查

通過對2.1 章節中輻射雜散理論的分析，先進行傳導雜散的驗證。對藍牙模塊進行傳導雜散測量時發現，30 MHz～1 GHz 低頻部分存在大量雜散超標，且高頻部分存在3 次、4 次諧波同時超標，傳導雜散超標則輻射雜散也超標。傳導雜散測試結果如圖5 所示。

圖5 傳導雜散測試

2.3 傳導雜散理論分析

根據圖5 數據顯示，藍牙模塊的傳導雜散超標。因為傳導雜散是用射頻線連接天線插頭進行纜測，所以產生雜散的原因多種多樣。但是，它可以主要歸納為屏蔽效果、匹配電路、天線端口、射頻線、電源以及模塊走線布局等，如圖6 所示。

（1）屏蔽效果：屏蔽罩將元器件、電路、組件或整個系統包圍在干擾源之外，防止干擾電磁場擴散。如果屏蔽效果不好，會對測試信號產生雜散干擾。

（2）射頻端口：由于射頻端口裸露在外，其可能受到外界其他信號的干擾。

圖6 輻射雜散分析

（3）天線匹配：RF 線路的匹配對信號傳輸尤為重要，若匹配不合適，會影響天線性能。

（4）PA 功率放大器：PA 的作用是將射頻信號放大到足夠功率，經匹配網絡由天線發射出去，起到一個放大器的功能。但是，功率得到放大，其噪聲也會得到放大，產生的干擾也會增加。

（5）RF 走線布局：天線要盡量遠離干擾元器件，因為這些元器件的非線性可能會對天線產生串擾，生成諧波而帶來干擾。

（6）電源串擾：如果PA 的電源穩壓不好或其電源走線載有高頻噪聲，都會使發射端性能劣化，必然影響傳導雜散。

3 方案設計排查

根據2.2 章節中的傳導雜散不合格結論，結合2.1章節輻射雜散干擾因素（如圖4 所示），可以確定輻射雜散超標和模塊內部因素的有關，但是否受外部因素影響還需驗證。因此，筆者開展了如下試驗。

首先，去掉藍牙產品外殼，其輻射雜散未發生變化，表明外殼對輻射雜散值沒有影響。其次，由于藍牙產品使用5 V 電池供電而非通過電源線接電，電池包裝完好無泄漏。筆者使用直流電源代替電池供電，其輻射雜散值未發生變化，因此可以排除電源因素。最后，結合傳導雜散超標嚴重的情況，基本可以確認輻射雜散超標是因為傳導雜散超標導致。結合2.3 章節中傳導雜散理論分析，筆者針對傳導雜散制定了以下最合適的方案。

3.1 降低功率方案。

由于諧波來自于元器件的非線性效應，此外PA 最有可能。通過降低主頻功率，諧波功率會下降。降低發射功率雖然有一定的改善，但是相應會減少通信距離，不能作為主要的解決措施。本案例中將藍牙從原先6 dBm 的發射功率降到3 dBm，對比圖5 和圖6 可以看到，高頻部分3 次諧波功率從-27.9 dBm 降到-33 dBm、4 次諧波-27.4 dBm 降到了-37 dBm，高頻部分雜散已經合格，但低頻部分60 MHz 處傳導雜散超標仍然存在。

3.2 更改匹配方案

一般而言，傳導雜散超標可以通過更改匹配、加強濾波處理來解決，但要注意對發射信號的衰減。本案例發現低頻部分超標仍存在后更改了匹配，將1.2 pF 電容變為3.6 pF 電容，結果非常明顯，如圖7 所示，低頻雜散雜波大大減少，但還存在少量超標情況。

圖7 傳導雜散結論

3.3 天線布局方案

對天線最好的方式是壓縮其他區域，保持凈空區。案例中PCB 電路去掉了多余無用的線路和無用的匹配點，增加了天線凈空區域，減少了對天線干擾的可能。對比圖8 與圖9 可以清楚看出，天線區域空曠了一部分，也縮短了從射頻端到板載天線的距離。

圖8 整改前布局

圖9 整改后布局

3.4 RF 走線方案

RF 線是指IC RFIO 引腳到天線間的連線，必須小心控制。如果RF 阻抗不在50 Ω±10%內，RF 性能將會受到很大影響。為了保證射頻信號從RFIO 到天線端的傳輸效率，添加一個阻抗匹配電路。當回波損耗大于10 dB 時，能使90%的能量傳輸到天線端。

圖10 中，芯片端的阻抗匹配電路由3 個元件構成，天線端的阻抗匹配電路由另外3 個元件構成，從而使得在輸入阻抗1 和輸入阻抗2 端的阻抗為50 Ω。只有使用PCB 天線或芯片天線時，22 pF 的隔直電容才允許省略。芯片端的阻抗匹配網絡同樣用于諧波抑制，以保證RF 性能。

圖10 阻抗匹配電路

案例中該PCB 涉及RF 電路，對阻抗要求較嚴，具體參數要求按下列要求進行控制。整改前（如圖11 所示）RF 線路阻抗未控制在50 Ω 左右，造成了信號的大量反射。整改后圖12 左圖箭頭路線阻抗控制在50 Ω±5 Ω 內，圖12 右圖阻抗線末端為IC 夾線不做阻抗控制。

圖11 整改前RF 線路

圖12 整改后RF 線路

3.5 電源電路走線方案

電源的Bypass 電容擺放必須靠近IC，走線必須先經過電容再進入IC 或輸出給其他分支電源，如圖13 所示。

圖13 電源電路走線

圖14 中整改前只是經過一個電阻，并不能起到很好的降噪作用。實測案例中，電源電路的走線先經過電容再到芯片供電，如圖15 所示，能夠減少由于線路阻抗引起的壓降和高頻電磁場轉換而引起的噪聲，降低產生雜波的風險，但會影響到低頻段。

圖14 整改前電源走線

圖15 整改后電源走線

4 最終整改結果

經過上述幾種設計方案的整改，藍牙模塊傳導雜散全部合格，低頻部分雜波消失，高頻部分3 次和4 次諧波消失，符合歐盟標準、國內標準，且裕量充足，超過6 dBm，如圖16 所示。復測輻射雜散，圖17 輻射雜散超標點消失，輻射雜散測試合格，證明上述方案是可行的。

圖16 傳導雜散測試

圖17 輻射雜散測試

5 結語

對雜散輻射的測試原理、產生原因及整改方法進行詳細講解，不管是輻射雜散還是傳導雜散超標，總體可以分為外部對射頻模塊產生的干擾引起和內部模塊自身問題產生的雜散超標。外部需逐步排除外部環境帶來的影響，內部則促從器件、布局等方面進行整改。分部分進行仔細排查，最終找到最佳的解決之道。