通信设备辐射发射超标的案例分析及对策

刘海涛，雷钊，郭正铭

（四川省电子产品监督检验所，成都 610100）

1 问题描述

某型号通信设备产品拥有天馈端口、光纤端口与供电端口，测试过程中供电端口、光纤端口及其外界互联，天馈端口与接收装置直接联系进行通信，在这种工作模式下，产品将依据国家标准GB/T 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》Class B的标准限值要求进行辐射发射测试，测试时发现，无论是垂直极化还是水平极化，该产品在300 MHz频点处的幅值超出Class B级限值约8 dB，测试结果示意见图1，超出标准限值要求。

2 故障定位

关于产品辐射发射测试超标的故障定位问题，一般使用比较测试的方法，依靠测试仪器与EMC经验来对故障原因进行判断与验证，其分析过程示意见图2[1]。

由于待测设备工作时必须采用外部供电模式，所以在排查故障时，首先去掉了待测设备与外联设备间的光纤连接，再次进行辐射发射测试时发现，骚扰频谱曲线几乎没有变化。由此可知，光纤及其端口并未向外泄露辐射骚扰信号。因此，辐射骚扰信号可能来自于待测设备的外壳或电源线束。

使用金属箔条对待测设备外壳上的孔缝进行缠绕，再次进行辐射发射测试时发现，骚扰频谱曲线仍未变化，由此可知，辐射超标信号是沿着待测设备的电源线向外传播共模骚扰信号。

选择合适的铁氧体磁环并套在电源线上，磁环的阻抗特性抑制了电源线上传播的共模骚扰电流，进行辐射发射测试时发现，300 MHz频点处的骚扰频谱幅度下降明显，限值余量变大，由此可以判定300 MHz频点处的辐射骚扰超标信号来自电源线，其测试结果示意见图3。

根据EMC三要素“骚扰源、传播路径、敏感设备”的定义，敏感设备则是依据GB/T 9254-2008标准规定的测量接收机、测量天线及其测试附件的系统，传播路径是沿着待测设备电源线及其周围的空间，而超标的骚扰信号频点为300 MHz，可以明显看出骚扰源仍在产品内部的某个电路上。因此，需要开启产品的外壳，继续定位骚扰源的具体位置，即分析造成300 MHz频点辐射发射超标的源头。

可以应用便携式测量接收机与近场探头扫描待测产品内部集成的各个电路板上方空间，同时观察测量接收机的频谱扫描曲线最大值是否出现在300 MHz附近。

图2 产品辐射发射测试超标的故障定位流程

图3 某型号通信设备垂直极化的辐射发射测试数据（电源线上添加铁氧体磁环）

图4 某款数字集群通信设备主电路板在垂直极化下的辐射发射测试数据

故障定位步骤如下：

首先，将待测设备主电路板从产品外壳中取出并放置到绝缘支撑垫上，再次进行辐射骚扰测试时发现，在众多超标频点中300 MHz频点的幅值仍未最大值，其测试结果示意见图4。

其次，使用测量接收机与近场探头组成的扫描系统对待测设备主电路板上方的空间进行辐射热点扫描，可以确认300 MHz频点的骚扰源位于CPU与FPGA外围电路时钟驱动器电路附近，测试结果示意见图5。

图5 某型号通信设备主电路板在近场扫描下的辐射发射热点分布

图6 某型号通信设备主电路板时钟驱动器输入输出端口的测试结果

再次，查看时钟驱动器电路的Layout图与原理图发现，该时钟驱动器的时钟输入信号频率为60 MHz，而其时钟输出信号频率中所含的300 MHz频点是60 MHz频点的5次谐波，其测试结果示意见图6。

最终，确认了该时钟驱动器的输出端产生了60 MHz晶振频率的五次谐波频点300 MHz。

图7 某型号通信设备主电路板时钟驱动器输出端口贴片电阻Rs断开前后的比对测试结果

3 故障整改

观察该时钟驱动器的Layout图与电路原理图（图6）可知，时钟驱动器输出信号通过PCB走线分别向CPU、FPGA、SDRAM、DSP、ADC以及DAC等芯片提供稳定的时钟信号，并且该PCB路径并非直接走线，而是通过一个Rs贴片电阻与特性阻抗为50 Ω的PCB走线相串联的电路结构对外分发各种时钟信号的，见图7所示[2]。

经比对该时钟驱动器输出端口贴片电阻Rs断开前后的频谱曲线不难发现，Rs阻值对300 MHz及其它频点幅值的大小有直接影响。通过查看该器件的技术手册得知，该贴片电阻Rs用来匹配PCB传输线特性阻抗与时钟驱动器输出端的内阻。

图8 某信号通信设备主电路板时钟驱动器输出端口贴片电阻Rs阻值优选流程

因此，该贴片电阻Rs阻值的选择是由PCB走线的特性阻抗以及时钟驱动器输出端阻抗决定的，其中时钟驱动器输出端阻抗是由芯片自身决定的，其数值可通过查询器件手册来得到。那么，就需要使用仿真技术与实测技术来验证Rs阻值是否可以良好匹配PCB走线的特性阻抗与时钟驱动器输出端阻抗。

经反复仿真与调试实测确认，Rs阻值由原先的10 Ω调整到55 Ω时，不但PCB走线引起的反射最小，而且对外发射的电磁骚扰频率也普遍降低。辐射发射超标整改方法是更换Rs阻值，其流程示意见图8[3]。

图9 某信号通信设备主电路板时钟驱动器输出端口贴片电阻Rs阻值更换后的辐射发射测试结果

4 效果验证

Rs阻值由10 Ω变更为55 Ω后，重新将主电路板安装到产品外壳之中，再次进行辐射发射测试验证后发现，测试天线无论是垂直极化，还是水平极化，其辐射发射频谱曲线均远离GB/T 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》Class B标准限值（如图9所示）。由此可见，对时钟驱动器输出端口匹配电阻Rs的调整可以大大改善产品的辐射骚扰发射水平，对比最大辐射频点280 MHz处的幅值，电阻Rs调整之后的辐射骚扰发射程度与原先相比降低了约20 dB，并且远离标准限值要求，其流程示意见图9。

5 结语

时钟驱动器芯片输出端口一般均内带串阻，其串阻值较低且阻值精度较差，为与PCB板内走线的特性阻抗匹配，其中需要串接一个匹配电阻Rs。对于Rs阻值的选择，芯片的技术手册并没有给出明确的推荐数值，因此需要结合电磁仿真软件做阻抗匹配与信号完整性分析，并最终通过测试来验证Rs阻值选择的正确性。

从本案例来看，通过调整Rs阻值来使得时钟驱动器输出信号从原先的阻抗失配状态恢复到阻抗匹配状态，可以有效地较低时钟信号的谐波发射，从而降低了产品的辐射骚扰发射水平。

在本案例的故障定位之初，有些工程师建议通过加装磁环来解决问题，而这些措施虽然解决了问题，但是会增加产品的制造成本，同时导致生产过程的复杂，采用对电路板的信号完整性分析方法可主动控制产品的EMI问题，这是一种值得推广的低成本、高效率的方法。