利用频谱仪和TEM小室进行辐射干扰测量

问题介绍

本文主要描述了如何解决基于超声波倒车雷达的辐射干扰测量问题。在最开始的基于CISPER 25 第四类窄带辐射测量中，该设备在530KHz-2MHz这个频段测试没通过合规标准。

此倒车雷达由一个带有蜂鸣器的控制器和两个雷达模块组成。接线主要包含连接控制器的主供电线缆以及控制器与两个雷达模块之间的通信及供电线缆。

图1  倒车雷达结构示意图

以下是在暗室测量之后未通过界面的截图：

图2  未通过界面截图

由图可见，红色线表示CISPER 25第四类的模板限量，蓝色线表示实测谱线。在530KHz到1.1MHz的频段范围内，测量出的辐射干扰超出了模板的限量。同时，我们还测试了将连接雷达模块线缆断开的情况，发现仍然通不过标准。

分析

分析上图的谱线我们可以得到一些信息：在低频范围内，该设备的辐射噪声是超出标准的，我们假定引起这个问题的，是一个低频的数字信号。

相对较宽的频谱，不含离散的谱线，意味着该超标的频谱噪声来源很可能是来自于控制器本身或者控制器和雷达模块之间的串行接口。

正如我们之前提到的，断开控制器和雷达模块之间的线缆，测试也没通过，所以我们初步认为，引起这个超标的源头在于控制器。

实测

频谱分析仪，近场探头，结合恒电磁波传输小室（简称TEM小室，Transverse Electromagnetic Transmission Cell）能作为识别辐射干扰根源的基本工具。本次测试我们采用鼎阳科技SSA3021X频谱分析仪和选配的近场探头以及TekBox的TEM小室。

首先我们打开频谱分析仪然后设置如下：

SPAN设置为530KHz到2MHz；RBW设置为9KHz，衰减设置为0dB，显示设置为电压平均；打开频谱仪标配的预置放大器，并选用正峰值检波器，测试结果如下:

图3 频谱仪基础设置

在以上设置参数参考的情况下，显示平均噪声电平（DANL，Displayed Average Noise Floor）大约在-20dBμV 左右，这个指标在同级别的频谱仪中算是非常好的。 然而，我们还是需要考虑到在这个频段范围内可能会有AM广播信号的干扰。

接下来我们连接空的TEM小室，验证以上猜想，显示频谱如下：

图4 连上TEM小室之后的实测结果

正如我们预想的那样，在530KHz到1.1MHz这个频段内，基本被广播信号填满了（图中可见的尖峰毛刺）。接下来我们需要弄清楚，待测设备DUT（Device Under Test）的辐射泄放的幅值在TEM空载的幅值之上还是之下。

DUT设置

接下来，将包括电缆和雷达模块的DUT放置在TEM小室内并通电：

图5 将DUT放置在TEM小室内并通电

在频谱仪中设置迹线跟踪为最大保持，此时结果如下：

图6 设置迹线跟踪为最大保持

我们可以从图中的波峰轨迹大致看出来，结果基本与初次在吸波暗室中测量的结果是相符的，尽管在此频段范围内有一些AM广播信号的干扰（图中可见的一些毛刺）。

从图中也可以看出，我们利用TEM小室测出的幅值大约比在吸波暗室中测得的结果低20dBμV左右。

然后同样地，我们将和雷达连接的线缆移除，发现和之前在吸波暗室的测量结果一致，仍然未通过标准。

PS：为了简便起见，线缆仍然和控制器保持物理连接，但已移动到TEM小室隔膜的另一端。

图7 移除和雷达相连的线缆后的连接

令人惊奇的是，我们发现，移除线缆降低了DUT的辐射噪声：

图8  移除线缆后的测试结果

移除线缆可以使辐射噪声降低11dBμV左右。事实上，我们并未拆除线缆，但两个雷达模块已经断开连接。这也解释了为什么谱线的波峰的相对幅度在吸波暗室和TEM小室的测量结果有所不同。线缆是直着放在吸波暗室中的，但在TEM小室中，它是卷曲的。

结论

移除线缆可以明显观察到DUT辐射噪声的降低。尽管如此，即使我们移除两个雷达线缆，测量结果仍然显示未通过。事实上，在去掉雷达模块的情况下，控制器也会不断尝试通过串行线缆进行通信----并且不会超时。因此，我们推测，连接雷达模块和控制器之间的串行通信接口很有可能是导致该辐射噪声超标的罪魁祸首。为了验证我们的猜想，我们需要对通信接口做一些过滤。

由于镍锌铁氧体磁导率比较低，在低频段的使用性能不高，因此我们决定在线缆中串联电阻。这算是一种非常实用的办法，因为PCB上已经安装了0欧姆的串联电阻。通过用1K欧姆的电阻替换0欧姆的电阻可以使辐射噪声降低到12dBμV左右。但是，导致的结果却是串行接口没法可靠地工作在指定的电压范围内。所以，我们还需要调整晶体管串行电路中的一些其他电阻，以解决辐射噪声超标问题，同时也能保证串行接口的性能。进行了一些修改并重新测量之后，结果显示如下：

图9 修改后的测试结果

为了更清楚地展示这个变化，我们重新设置了频谱仪的SPAN，使得其刚好在两个相邻的广播频道之间，意味着测量的频谱结果几乎没有AM广播信号的干扰。

如下是在修改之前的屏幕截图：

图10 修改前截图

如下是修改之后屏幕截图：

图11 修改之后的截图

通过截图可知，修改后的辐射噪声水平下降了12dBμV。

经过修改后，我们重新在暗室进行了测量，以下是最终测量结果的截图：

图12 最终在暗室进行的测试结果截图

如图所示，测试设备最终通过了500KHz到2MHz频段的辐射噪声测试。

总结

利用频谱仪和TEM小室来做辐射噪声测试是一种非常经济实用的方法。要知道，专门用于EMC一致性测试的吸波暗室造价成本高达几百万，即使是送到专门的机构测试， 也需要多次整改和测试，费用也不菲。

辐射噪声一般具有相对较宽的频谱范围，没有尖锐的波峰。尽管有一些广播电台的频谱干扰，频谱仪和TEM小室也能很好地对设备的辐射噪声进行测试和观察。

利用EMC近场探头可以定位和识别PCB上的辐射泄露源，频谱仪结合TEM小室可以对整改后的设备进行多次测试， 以判断其是否符合EMC规范的标准。在对多个独立单元以及线缆互联的设备进行测试时也是非常实用的。

改进倒车雷达这个案例需要进行多次反复整改才能找到既满足EMC合规性标准，又能符合产品实际功能要求的理想解决方案。如果我们在每次整改之后，都要送到专用的暗室进行测量的话，成本是非常高昂的，远远超过我们购买频谱仪和TEM小室的预算。