物联网电子产品设计中的低成本EMI/EMC预一致性测试

摘要：针对物联网设备在无线通信技术中的EMI/EMC问题，本文以基于USB接口的RSA306实时频谱分析仪进行EMI预一致性分析测试为例，就如何进行IoT的EMI/EMC测试进行分析。

　　万物互联在带来机遇的同时，也带来了许多的挑战。在广泛应用于WiFi、蓝牙、ZigBee等无线通信技术的物联网设备时，电磁干扰和电磁兼容(EMI/EMC)问题变得非常突出。为此，世界各地都制订了不同的EMI法规(如FCC、ETSI、IC和KCC等)和EMI/EMC实验室认证，以改善IoT设备的可靠性;此外，随着各种高速接口的大量应用和混合信号处理电路的应用，IoT设备的EMI环境变得更具挑战性。而另一方面，IoT硬件开发项目工程师在有效使用混合信号测试工具的经验方面也面临着挑战(如图1所示)。

物联网全面开发测试验证工具

　　产品最终的应用目的(是家庭使用、汽车使用或者是工厂环境使用?是中国国内销售还是出口到欧美?)决定了物联网开发测试验证工具需要遵循的规范，而需要遵循的EMI规范又决定了需要的测试工作。此外，不同行业对EMI规范的定义也有所不同。

　　传统的EMI一致性测试是穷尽式测试，耗时较长，在产品开发的最终阶段发生EMI测试失败可能会导致昂贵的重新设计成本，并会耽误产品上市;此外，在认证实验室中进行全面一致性测试成本可能会很高(每天的费用在1,000~3,000美元)。为了不影响产品的上市周期及最大限度降低成本，预一致性测试通常会用在早期阶段进行一致性问题检测。这将大大提高通过全面EMI一致性测试的成功概率，而不需要额外的重新设计，从而有效地缩短了产品开发周期;另外，预一致性测试设置相对简单，通过适当的设备和规划，可以成为设计调试中的重要工具。

　　泰克科技一直以来坚持将业界广受欢迎的信号分析软件扩展到多个平台应用的策略，这让工程师能够获得相同的测试界面，同时也使他们能够在较短时间内进行更多新功能特性的测试。泰克先后基于MDO4000B和SignalVu-PC电脑推出了WiFi分析功能，并增加了对蓝牙的测试功能。他们将会稳步地发布新软件，所有新的功能都将在SignalVu软件上以及任何可以运行该软件的平台上实现。因此，当前的功能和未来将会实现的功能都将在RSA5000、RSA6000以及泰克所有基于Windows平台的示波器上实现。这意味着在采用SignalVu软件进行测试时，所有分析平台都会有相同的外观以及使用体验。如图2所示，泰克科技测试产品组帮助工程师轻松应对包括实时频谱分析、802.11xx 分析、蓝牙无线分析、蜂窝调制分析和EMI 预一致性分析等IoT产品开发中的各种信号分析挑战。

使用频谱分析仪执行低成本EMI预一致性测试

　　RSA306实时频谱分析仪(如图3所示)是一款适合EMI预一致性测试的测试解决方案，特别适合IoT应用中对简便操作和经济性的要求。这些功能特性覆盖了当前的大部分主流IoT应用。该频谱分析仪支持9kHz~6.2 GHz频率范围，可捕捉高达40MHz带宽的射频信号。如IEEE802.11n的无线通讯信号，对于动态范围为-160 dBm至+20 dBm的通讯信号，可检测的最小持续时间可达到100us;免费标配SignalVu-PC的功能，包括幅度、频率、相位随时间的变位，I /Q信号分量随时间的变位、频谱、瀑布图和AM/FM/PM调制信号的分析等。

　　在预一致性测试中放射辐射测量和传导辐射测量是两项非常重要的测试项目，它们很大限度地减少了产品通过EMI认证所需的费用和时间。我们将通过两个实测案例分析基于RSA306实现放射辐射和传导辐射测试方法。

　　1.放射辐射测量分析

　　该放射辐射测量分析案例中，使用的是一米和几厘米两种距离。降低被测设备(DUT)与测试天线之间的距离会提高DUT信号强度与RF背景噪声之比，但近场测试结果并不会直接转换成EMI一致性测试中使用的远场测试信号。因此，在得出结论时必须慎重增加预放以提升相对DUT 信号电平。

　　测量中使用了三台成本非常低的PC板对数周期天线和一台双锥天线。这些天线安装在三脚架上，放置简便。天线因数(AF) 和电缆损耗可以输入到RSA306，校正场强。双锥天线用于接收20 - 200 MHz频率的信号，较长的波长要求较大的天线，由于其中包括许多无线广播频率，因而，背景噪声也可能是一个问题。

　　在把天线校正因数和电缆损耗输入RSA306后，打开峰值检测器电源，设置极限行;调节极限行，使之适应测试环境。在打开DUT电源前，一定要评估和分析测试环境特性(如图5(a)所示)，从而确定在极限行和环境噪底之间是否有足够的信号空间、是否有可以降低的已知信号以及是否需要把测试设置移到更安静的环境。

　　如果对背景噪声满意，打开DUT电源，两项测量之差即为来自DUT的辐射(如图5(b)所示)。在本案例测试中，使用已经通过EMI一致性测试的泰克WiFi演示电路板，没有检测到失败。如果已经正确设置测试，没有什么东西接近极限行，那么这可能意味着已经可以准备进行一致性测试;如果在这个阶段发现问题，那么可能要求进一步诊断和修改设计。RSA306上提供了一致性测量，同时也支持诊断，熟悉DUT设计的工程师可以进一步确定问题信号。

　　2. 传导辐射测量分析

　　图6为传导辐射测量设置的方框图，被测器件是笔记本电脑使用的通用AC/DC电源适配器。很多IoT电子产品的预一致性测试与此相似。

　　传导辐射测量分析时，需要注意以下几点：

　　1)由于LISN放电可能会损坏频谱分析仪前端，因而，一定要先从LISN上断开频谱分析仪的输入，然后再从LISN中拔下电源;

　　2)在传导辐射测量中，使用的是LISN而不是天线。LISN是一种低通滤波器，放在AC或DC 电源与DUT 之间，可以创建已知阻抗，提供一个RF 噪声测量端口。它还把不想要的RF 信号与电源隔开。同时，增加一个预放也是提升相对DUT 信号电平的好方法;

　　3)另外，50 Hz或60Hz电源上传导的干扰对某些设计可能也是一个问题。大多数传导EMI测试规定了9 kHz~1 GHz 实测频率范围，但在需要时也可以在更低频率上测量信号。

　　对于低频测量，泰克RSA5100 系列实时频谱分析仪可以覆盖直到1 Hz以下的频率范围。为较有效地测量传导EMI。可以使用两个LISN：一个用于DUT 的规定阻抗，一个用于频谱分析仪或接收机。

　　对于传导测量，背景噪声来自于电源。尽管LISN提供了一定的隔离度，但需要额外的功率滤波。本案例测量通过增加电源滤波器，把进入的噪声降低到足够低的水平来进行传导测量。首先，我们把LISN校正因数输入RSA306，打开峰值检测器电源，设置极限行。在打开DUT 电源前，一定要评估和分析测试环境特性。极限行与噪底之间是否有足够的空间?是否需要增加功率滤波器?如果您对背景噪声满意，打开DUT电源，按该顺序把LISN输出连接到频谱分析仪上。两项测量之差即为来自DUT的辐射。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第4期第8页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。