從RE到RSE：聊聊無線產(chǎn)品EMC認(rèn)證測試中的輻射項(xiàng)（上）

無線產(chǎn)品的EMC認(rèn)證測試?yán)?，有兩個(gè)與輻射發(fā)射有關(guān)的項(xiàng)目：Radiated Emission（RE）和Radiated Spurious Emission（RSE）。

RE和RSE，名字上僅一字之差，測試結(jié)果看起來也仿佛孿生哥倆。下面有兩張測試結(jié)果的截圖，您能分辨出哪張屬于RE測試，哪張是RSE嗎？

對于熟悉傳統(tǒng)ITE設(shè)備的EMC工程師來說，很少有機(jī)會(huì)接觸RSE；對于搞射頻收發(fā)鏈路的同志們來說，輻射雜散好理解，而RE相對陌生一些——同飲一江水，相望兩不知。那么，無線產(chǎn)品為什么會(huì)有兩個(gè)輻射發(fā)射測試項(xiàng)？它們的區(qū)別和聯(lián)系又在哪里？

關(guān)于這個(gè)話題，我們不妨先從RE測試的歷史聊起。

一、

RE測試的演進(jìn)過程中，頻率是很關(guān)鍵的一個(gè)因素。

20世紀(jì)70年代，當(dāng)工程師們開始為消費(fèi)類電子產(chǎn)品制定輻射發(fā)射測量標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，首先考慮到了如下特點(diǎn)：

這些產(chǎn)品的工作頻率大概在幾十兆到百兆赫茲級別，產(chǎn)生的電磁騷擾絕大部分能量都分布在幾百兆赫茲以下

大多數(shù)產(chǎn)品都放置在接近地面的高度上使用，受干擾的設(shè)備接收到的噪聲信號來自直射波和空間反射波的疊加

這些產(chǎn)品對外的電磁騷擾屬于無意發(fā)射，充當(dāng)天線的都是“臨時(shí)工”——例如線纜、“浮地”的金屬部件、形成環(huán)路的走線等等

工作頻率低于108MHz的設(shè)備，人們把它的輻射發(fā)射簡化為這樣一種情況：從被測設(shè)備（EUT）輻射發(fā)出的騷擾信號，在周圍空間中的反射是受控的，有且僅有地面這一個(gè)反射面（半自由空間），除此之外，不存在任何其他反射；測量天線處接收到的是直達(dá)波和地面反射波的矢量和。這就是輻射發(fā)射測量的雙線模型。測量的頻率上限定為1GHz。

（輻射發(fā)射測量的雙線模型）

從事EMC基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)制定的組織有很多，其中最著名的是歐洲的CISPR（國際無線電干擾特別委員會(huì)）和美國的ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）。圍繞雙線模型的共識，兩個(gè)組織陸續(xù)定義了測試場地、測試天線、測量儀器、測試方法和限值，細(xì)節(jié)上有所差異。

開闊試驗(yàn)場

作為半自由空間模型的一種逼近，開闊試驗(yàn)場（Open AreaTest Site，OATS）應(yīng)運(yùn)而生。先來看兩張照片。

這是位于北京市昌平十三陵鎮(zhèn)的中國計(jì)量科學(xué)研究院計(jì)量級OATS（特別感謝孟東林博士提供的高清照片）。

由于開闊場的選址要求環(huán)境噪聲絕對干凈（現(xiàn)代計(jì)量級OATS可以通過矢網(wǎng)鎖相環(huán)技術(shù)消除背景噪聲的影響），所以只能修建在人跡罕至、遠(yuǎn)離市中心的郊區(qū)。開闊場的四周是開放空間，不能存在任何反射。長方形的白色區(qū)域是鋪設(shè)的金屬地面，四周還鋪設(shè)有三角形金屬柵格作為由金屬板到大地的阻抗?jié)u變，從而逼近理想的鏡面反射。

隨著民用無線通信業(yè)務(wù)的興起、工業(yè)無線電噪聲的日益嚴(yán)重，開闊場的選址越來越困難。所以，到了20世紀(jì)80年代，替代OATS的測試場地開始出現(xiàn)。這就是半電波暗室（Semi-Anechoic Chamber，SAC）。

半電波暗室

半電波暗室的主框架是個(gè)金屬屏蔽室。既然是OATS的替代，地面依然是電連續(xù)的金屬反射地面，而為了搞掉四壁和天花板對電波的反射，這五個(gè)面上貼裝了吸波材料對到達(dá)的電磁波進(jìn)行吸收。地面不鋪吸波材料——這也是所謂“半”的來源。

測試場地建好以后，怎么驗(yàn)收性能？這涉及到場地性能檢驗(yàn)方法。ANSI和CISPR于90年代初相繼制定了輻射發(fā)射測試場地的NSA（歸一化場地衰減）檢驗(yàn)方法。國內(nèi)，北方交通大學(xué)張林昌教授最早引入這一理論，并研究拓展了國外標(biāo)準(zhǔn)中未定義的NSA理論數(shù)據(jù)，是國內(nèi)電波暗室理論研究領(lǐng)域名副其實(shí)的開拓者。

上面這張照片拍攝于2000年左右，是當(dāng)時(shí)的北方交通大學(xué)EMC實(shí)驗(yàn)室半電波暗室。照片中看起來有些陳舊的SAC，卻是當(dāng)時(shí)國內(nèi)乃至國際EMC研究領(lǐng)域最領(lǐng)先的前沿陣地。

測量儀器

早期噪聲測量，采用的儀器是超外差式選頻電壓表，原理類似于收音機(jī)。后來在選頻電壓表的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了測量接收機(jī)（EMI Receiver）。

接收機(jī)里有一個(gè)關(guān)鍵部件叫做檢波器。檢波器的電路構(gòu)成不同，接收機(jī)測到的噪聲也不相同。早期RE測試的一個(gè)重要目的是保護(hù)廣播通訊不受干擾，在1GHz以下的測量頻段，準(zhǔn)峰值（QP）檢波能較好地模擬人耳對脈沖噪聲的響應(yīng)，所以在定義輻射發(fā)射的檢波方式時(shí)，最早采用的是QP檢波。

度量單位

測量天線接收到噪聲信號以后，將電磁場轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流。工程師們把輻射發(fā)射的測量參考點(diǎn)放置在測量天線的相位中心點(diǎn)上，測量單位定為電場強(qiáng)度（dB(μV/m)）。天線將空間場轉(zhuǎn)化到電路導(dǎo)行波的能力，在RE測試中體現(xiàn)為天線系數(shù)。

測量距離和限值

由于測量參考點(diǎn)在測量天線處，所以RE的測量結(jié)果與測試距離有關(guān)，前輩們定義了不同的測試距離，也就是通常所說的3m法，5m法，10m法和30m法測試。采用什么樣的測試距離，與測試設(shè)備的尺寸和測量頻率有關(guān)，最終目的是為了減少EUT與測量天線間的耦合，保證測量滿足遠(yuǎn)場條件。不同的測試距離，因?yàn)闇y試結(jié)果不同，所以限值也不一樣。

傳統(tǒng)ITE設(shè)備和手機(jī)屬于應(yīng)用于民用環(huán)境的B類產(chǎn)品。按照FCC規(guī)定，B類產(chǎn)品輻射發(fā)射測試距離為3m；按照CISPR22標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)該采取10m法測試。由于手機(jī)尺寸較小，3m的距離也基本滿足遠(yuǎn)場條件，考慮到測試場地的建造成本，通常都按照3m法測試，只是將CISPR 10m法的限值轉(zhuǎn)換成3m法的限值。由于遠(yuǎn)場的場強(qiáng)與距離成反比，很容易推導(dǎo)得到兩個(gè)限值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

E(10m, dBuv/m)=E(3m, dBuv/m)-10.5(dB)

天線掃描

雙線模型里，由于兩條波走的路徑長度不同，最后到達(dá)接收天線處的相位也不同，疊加后幅度有可能增強(qiáng)，也可能減弱。為了抓到EUT輻射發(fā)出的噪聲最大值，就需要測量天線在一定高度上來回掃描，對于3m的測試距離，天線掃描高度為1~4m。

以上所有規(guī)定，共同實(shí)現(xiàn)了RadiatedEmission測試，即RE測試。

二、

說到這里，讓我們稍微停下來喘口氣兒。

RE的測量方法從醞釀到定型，是一個(gè)緩慢演進(jìn)的過程?？偨Y(jié)上面談?wù)摰脑缙诘腞E測試，我們來劃下重點(diǎn)：

測量場地為OATS或SAC

測量儀器為接收機(jī)

測量參考點(diǎn)在接收天線處，測量結(jié)果是電場強(qiáng)度（dB(μV/m)）

要規(guī)定測試距離

天線要上下掃描抓最大值

測量頻段低于1GHz

QP檢波

場地性能檢驗(yàn)采用NSA法

在實(shí)際測量的過程中，許多弊端也漸漸暴露出來。例如：

天線需要上下掃描，測試時(shí)間長，天線步進(jìn)精度對測試結(jié)果影響較大，對暗室空間要求高，建造成本高

QP檢波，測試時(shí)間長

NSA法檢驗(yàn)較為繁瑣，結(jié)果精度不高

。。。

這個(gè)時(shí)候，ITE產(chǎn)品的時(shí)鐘頻率已經(jīng)越來越高（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過108MHz），原先設(shè)定的1GHz頻率測量上限不夠用了。當(dāng)EMC工程師們把目光投入到1GHz以上頻段RE測量時(shí)，他們突然發(fā)現(xiàn)：這是個(gè)重啟的好機(jī)會(huì)。

CISPR經(jīng)過長期研究，對于1GHz以上的RE測量，提出了完全不同的玩法：

測量場地上，用全電波暗室替代半電波暗室（1GHz頻段以上的輻射發(fā)射以直射波到達(dá)為主）

檢波方式上，AV和PK取代QP

場地檢驗(yàn)上，電壓駐波比法取代NSA

。。。

所以，當(dāng)把全頻段的RE測試限值放在一起的時(shí)候，就會(huì)得到下面這張圖：

（CISPR限值，30MHz~6GHz RE測試，1GHz以下限值按10m法規(guī)定換算到3m法）

這張圖很有意思，以1GHz為分界線，左右兩邊涇渭分明。紙面上看得到的，是限值和檢波方式的變化；紙面背后的，是半電波暗室與全電波暗室，是天線上下掃描與固定高度，是測試時(shí)間和投入成本的PK……當(dāng)我第一次看到它時(shí)，腦子里想到的是，“廢井田，開阡陌”~

三、

在RE測試標(biāo)準(zhǔn)逐漸演進(jìn)的同時(shí)，上世紀(jì)90年代，以手機(jī)為代表的無線產(chǎn)品也開啟了個(gè)人通信的新時(shí)代。工程師們面臨著新的問題：對于無線產(chǎn)品來說，已有的輻射發(fā)射測試是否合適？

無線產(chǎn)品工作頻率高。以早期出現(xiàn)的GSM為例，工作頻段850/900/1800/1900MHz，這些工作頻率，或接近或遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1GHz——我們上面講過，RE測試以1GHz為分界，玩法完全不同。無線產(chǎn)品就好像站在街角的十字路口，向左走，還是向右走？

另外，無線產(chǎn)品有收發(fā)信機(jī)，以發(fā)射和接收攜帶有用信息的電磁波為目的。當(dāng)電子產(chǎn)品中沒有收發(fā)信機(jī)的時(shí)候，噪聲輻射是一種無意發(fā)射，當(dāng)有收發(fā)信機(jī)的時(shí)候，發(fā)信機(jī)會(huì)造成額外的噪聲，例如諧波、各種互調(diào)、交調(diào)產(chǎn)物等等，這是有意發(fā)射，噪聲輻射的一個(gè)主要途徑是產(chǎn)品自身的天線。

有意發(fā)射產(chǎn)生的噪聲幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無意發(fā)射，那么，原有的RE測試限值要不要變？怎么變？

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