通信設備輻射發射超標的案例分析及對策

劉海濤，雷釗，郭正銘

（四川省電子產品監督檢驗所，成都 610100）

1 問題描述

某型號通信設備產品擁有天饋端口、光纖端口與供電端口，測試過程中供電端口、光纖端口及其外界互聯，天饋端口與接收裝置直接聯系進行通信，在這種工作模式下，產品將依據國家標準GB/T 9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》Class B的標準限值要求進行輻射發射測試，測試時發現，無論是垂直極化還是水平極化，該產品在300 MHz頻點處的幅值超出Class B級限值約8 dB，測試結果示意見圖1，超出標準限值要求。

2 故障定位

關于產品輻射發射測試超標的故障定位問題，一般使用比較測試的方法，依靠測試儀器與EMC經驗來對故障原因進行判斷與驗證，其分析過程示意見圖2[1]。

由于待測設備工作時必須采用外部供電模式，所以在排查故障時，首先去掉了待測設備與外聯設備間的光纖連接，再次進行輻射發射測試時發現，騷擾頻譜曲線幾乎沒有變化。由此可知，光纖及其端口并未向外泄露輻射騷擾信號。因此，輻射騷擾信號可能來自于待測設備的外殼或電源線束。

使用金屬箔條對待測設備外殼上的孔縫進行纏繞，再次進行輻射發射測試時發現，騷擾頻譜曲線仍未變化，由此可知，輻射超標信號是沿著待測設備的電源線向外傳播共模騷擾信號。

選擇合適的鐵氧體磁環并套在電源線上，磁環的阻抗特性抑制了電源線上傳播的共模騷擾電流，進行輻射發射測試時發現，300 MHz頻點處的騷擾頻譜幅度下降明顯，限值余量變大，由此可以判定300 MHz頻點處的輻射騷擾超標信號來自電源線，其測試結果示意見圖3。

根據EMC三要素“騷擾源、傳播路徑、敏感設備”的定義，敏感設備則是依據GB/T 9254-2008標準規定的測量接收機、測量天線及其測試附件的系統，傳播路徑是沿著待測設備電源線及其周圍的空間，而超標的騷擾信號頻點為300 MHz，可以明顯看出騷擾源仍在產品內部的某個電路上。因此，需要開啟產品的外殼，繼續定位騷擾源的具體位置，即分析造成300 MHz頻點輻射發射超標的源頭。

可以應用便攜式測量接收機與近場探頭掃描待測產品內部集成的各個電路板上方空間，同時觀察測量接收機的頻譜掃描曲線最大值是否出現在300 MHz附近。

圖2 產品輻射發射測試超標的故障定位流程

圖3 某型號通信設備垂直極化的輻射發射測試數據（電源線上添加鐵氧體磁環）

圖4 某款數字集群通信設備主電路板在垂直極化下的輻射發射測試數據

故障定位步驟如下：

首先，將待測設備主電路板從產品外殼中取出并放置到絕緣支撐墊上，再次進行輻射騷擾測試時發現，在眾多超標頻點中300 MHz頻點的幅值仍未最大值，其測試結果示意見圖4。

其次，使用測量接收機與近場探頭組成的掃描系統對待測設備主電路板上方的空間進行輻射熱點掃描，可以確認300 MHz頻點的騷擾源位于CPU與FPGA外圍電路時鐘驅動器電路附近，測試結果示意見圖5。

圖5 某型號通信設備主電路板在近場掃描下的輻射發射熱點分布

圖6 某型號通信設備主電路板時鐘驅動器輸入輸出端口的測試結果

再次，查看時鐘驅動器電路的Layout圖與原理圖發現，該時鐘驅動器的時鐘輸入信號頻率為60 MHz，而其時鐘輸出信號頻率中所含的300 MHz頻點是60 MHz頻點的5次諧波，其測試結果示意見圖6。

最終，確認了該時鐘驅動器的輸出端產生了60 MHz晶振頻率的五次諧波頻點300 MHz。

圖7 某型號通信設備主電路板時鐘驅動器輸出端口貼片電阻Rs斷開前后的比對測試結果

3 故障整改

觀察該時鐘驅動器的Layout圖與電路原理圖（圖6）可知，時鐘驅動器輸出信號通過PCB走線分別向CPU、FPGA、SDRAM、DSP、ADC以及DAC等芯片提供穩定的時鐘信號，并且該PCB路徑并非直接走線，而是通過一個Rs貼片電阻與特性阻抗為50 Ω的PCB走線相串聯的電路結構對外分發各種時鐘信號的，見圖7所示[2]。

經比對該時鐘驅動器輸出端口貼片電阻Rs斷開前后的頻譜曲線不難發現，Rs阻值對300 MHz及其它頻點幅值的大小有直接影響。通過查看該器件的技術手冊得知，該貼片電阻Rs用來匹配PCB傳輸線特性阻抗與時鐘驅動器輸出端的內阻。

圖8 某信號通信設備主電路板時鐘驅動器輸出端口貼片電阻Rs阻值優選流程

因此，該貼片電阻Rs阻值的選擇是由PCB走線的特性阻抗以及時鐘驅動器輸出端阻抗決定的，其中時鐘驅動器輸出端阻抗是由芯片自身決定的，其數值可通過查詢器件手冊來得到。那么，就需要使用仿真技術與實測技術來驗證Rs阻值是否可以良好匹配PCB走線的特性阻抗與時鐘驅動器輸出端阻抗。

經反復仿真與調試實測確認，Rs阻值由原先的10 Ω調整到55 Ω時，不但PCB走線引起的反射最小，而且對外發射的電磁騷擾頻率也普遍降低。輻射發射超標整改方法是更換Rs阻值，其流程示意見圖8[3]。

圖9 某信號通信設備主電路板時鐘驅動器輸出端口貼片電阻Rs阻值更換后的輻射發射測試結果

4 效果驗證

Rs阻值由10 Ω變更為55 Ω后，重新將主電路板安裝到產品外殼之中，再次進行輻射發射測試驗證后發現，測試天線無論是垂直極化，還是水平極化，其輻射發射頻譜曲線均遠離GB/T 9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》Class B標準限值（如圖9所示）。由此可見，對時鐘驅動器輸出端口匹配電阻Rs的調整可以大大改善產品的輻射騷擾發射水平，對比最大輻射頻點280 MHz處的幅值，電阻Rs調整之后的輻射騷擾發射程度與原先相比降低了約20 dB，并且遠離標準限值要求，其流程示意見圖9。

5 結語

時鐘驅動器芯片輸出端口一般均內帶串阻，其串阻值較低且阻值精度較差，為與PCB板內走線的特性阻抗匹配，其中需要串接一個匹配電阻Rs。對于Rs阻值的選擇，芯片的技術手冊并沒有給出明確的推薦數值，因此需要結合電磁仿真軟件做阻抗匹配與信號完整性分析，并最終通過測試來驗證Rs阻值選擇的正確性。

從本案例來看，通過調整Rs阻值來使得時鐘驅動器輸出信號從原先的阻抗失配狀態恢復到阻抗匹配狀態，可以有效地較低時鐘信號的諧波發射，從而降低了產品的輻射騷擾發射水平。

在本案例的故障定位之初，有些工程師建議通過加裝磁環來解決問題，而這些措施雖然解決了問題，但是會增加產品的制造成本，同時導致生產過程的復雜，采用對電路板的信號完整性分析方法可主動控制產品的EMI問題，這是一種值得推廣的低成本、高效率的方法。