近場輻射自動化測試系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

朱 堃 周 飚 楊紅波 姚 勝 魏 偉 丁 燕

（1.合肥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院/國家家用電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（安徽）/安徽省電子電氣產(chǎn)品電磁兼容測試分析中心 合肥 230088； 2.合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司 合肥 231100；3.深圳東晟射頻技術(shù)有限公司 深圳 518104）

引言

電子產(chǎn)品的設(shè)計中，如果沒有良好的電磁兼容性設(shè)計，則會產(chǎn)生電磁干擾問題，導(dǎo)致產(chǎn)品的性能下降、功能異常或者無法滿足EMC 相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。如果在產(chǎn)品的架構(gòu)堆疊和布局布線設(shè)計過程中對整機(jī)內(nèi)各芯片、器件、模組件、電路走線等功能部件的電磁輻射特性進(jìn)行評估和測量，各功能部件之間可能產(chǎn)生的電磁兼容性風(fēng)險和問題就可以提前識別，以做出最優(yōu)的電磁兼容性設(shè)計方案。對電磁輻射干擾進(jìn)行測試的主要方法有開域場測試法和電波暗室測試法，但兩種方法對測試環(huán)境的要求較高，測試手段和操作方法較復(fù)雜[1]，所以，產(chǎn)品開發(fā)中的電磁兼容性問題，通過近場測試方法來查找和判斷電磁噪聲的源頭和傳播路徑，是比較常用和有效的分析診斷方法。

1 應(yīng)用場景

現(xiàn)如今無自動化測試系統(tǒng)全靠人們手工探測近場輻射，這樣一是測量結(jié)果不好復(fù)現(xiàn)，二是測試過程人工易于疲勞，故研發(fā)一款以機(jī)械臂代替人手的自動化近場輻射測試系統(tǒng)，可應(yīng)用場景如下：

1.1 芯片近場EMI 輻射測量

產(chǎn)品開發(fā)早期對關(guān)鍵芯片的近場EMI 輻射特性進(jìn)行評估，識別芯片輻射風(fēng)險，指導(dǎo)芯片進(jìn)行性能優(yōu)化，選擇EMI 性能較優(yōu)的芯片方案，對電磁輻射高風(fēng)險芯片外圍電路提前預(yù)留相應(yīng)的EMC 方案。

1.2 元器件、功能組件近場EMI 輻射測量

產(chǎn)品開發(fā)前期對關(guān)鍵元器件、功能組件和模塊單元進(jìn)行近場EMI 輻射評估，篩選和識別高風(fēng)險的元器件、功能組件和模塊單元，依據(jù)分析結(jié)果對器件單體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提前分析、驗證并預(yù)留合適的解決方案。

1.3 電路板級近場EMI 輻射測量

產(chǎn)品開發(fā)中對整機(jī)布局、器件堆疊、PCB 布板、關(guān)鍵走線、連接線等進(jìn)行近場EMI 輻射特性測量和評估，提前識別產(chǎn)品電路板設(shè)計方案存在的EMI 輻射風(fēng)險，分析評估不同的布局、堆疊、走線等設(shè)計方案下EMI 輻射特性的差異，確定最優(yōu)設(shè)計方案。

1.4 整機(jī)近場EMI 輻射測量

對產(chǎn)品開發(fā)后期出現(xiàn)的EMI 輻射干擾問題或檢測認(rèn)證不滿足標(biāo)準(zhǔn)的輻射問題進(jìn)行分析和診斷，通過對噪聲分布的全局解析，尋找輻射源、傳播路徑和噪聲強(qiáng)度，為準(zhǔn)確快速的解決問題提供有效的診斷分析和整改指導(dǎo)。

2 近場電磁測試原理

圖1為測試原理圖，通過軟件設(shè)置測試接收機(jī)的測試、分辨率以及采樣點數(shù)等相關(guān)試驗參數(shù)，設(shè)置機(jī)械測試時與被測樣品表面間距，及各測試點的間距，測試時高分辨率視覺定位、高精度控制到位，被測設(shè)備電磁噪聲通過探頭接收，前置放大器放大后接收機(jī)接收，系統(tǒng)統(tǒng)計分析。

圖1 測試原理圖

3 應(yīng)用舉例

以下為某筆記本電腦主板近場電磁噪聲測試情況

3.1 測試樣品

筆記本電腦主板，如圖2框線區(qū)域。

圖2 測試樣品圖

3.2 測試目的

1）對樣品特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行近場電磁輻射測量，評估區(qū)域內(nèi)各芯片、器件及電路走線的電磁噪聲位置分布、噪聲頻率點及輻射強(qiáng)度；

2）評估2.4 GHz左右噪聲頻譜的電磁輻射干擾風(fēng)險；

3.3 測試配置

1）本次近場電磁輻射測量主要分析筆記本電腦主板在正常工作狀態(tài)下，各部分電路的近場電磁輻射；

2）測試過程中，整機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，保持“idle”狀態(tài)。充電器在位，保持充電。

3.3.1 測試設(shè)置

1）測試表面：探頭緊貼PCB待測區(qū)域各器件表面。

2）測試點密度：各測試點水平方向（X、Y）間距2 mm。

3.3.2 頻譜儀設(shè)置

測試頻率范圍：（2 400～2 800 ）MHz

1）BW：為兼顧測試準(zhǔn)確度、分辨率以及測試效率，測試設(shè)置RBW為：10 kHz，VBW為：10 kHz；

2）段內(nèi)采樣點：1 000 個；

3）每測試點掃描次數(shù)：2次（考慮到部分周期信號（如存儲器信號）的脈沖周期，可增加掃描次數(shù)以準(zhǔn)確獲取不連續(xù)信號噪聲）；

4）檢波方式：峰值檢波（Peak）平均值檢波（Average）；

5）數(shù)據(jù)采樣方式：最大保持（Max hold）；

6）掃描方式：由于板上走線主要有X方向和Y方向，為方便分析走線方向?qū)鼒鲭姶泡椛湓肼暤挠绊懀J(rèn)在X方向（水平）和Y方向（垂直）分別進(jìn)行測試。

3.4 磁輻射測試與數(shù)據(jù)分析

3.4.1 輻射最大值分布

為了全面呈現(xiàn)測試區(qū)域內(nèi)各測試點的輻射強(qiáng)度及最大噪聲整體分布，將每個測試點上最大噪聲強(qiáng)度通過2D、3D圖形化方式直觀呈現(xiàn)，并且將測試區(qū)域內(nèi)的噪聲頻譜圖按照測試方向用不同方式呈現(xiàn)。以下為詳細(xì)分析：

2D、3D為各測試點的最大噪聲分布，右側(cè)頻譜圖為各頻率點對應(yīng)最大噪聲。圖中黃綠色區(qū)域噪聲較大，藍(lán)紫色區(qū)域噪聲較小。區(qū)域內(nèi)各頻率的噪聲都在-90 dBm以上，最大為-73 dBm左右。如圖3。

圖3 噪聲頻譜圖

3.5 各區(qū)域電磁輻射噪聲特點分析

通過對測試點的噪聲頻譜特點分析，可以判斷出不同類型的噪聲在測試區(qū)域內(nèi)不同位置的分布，具體分析如下：

2D分布的黑框區(qū)域，噪聲頻譜如右側(cè)，為一簇簇的寬帶輻射，在整個測試頻率范圍內(nèi)都有分布，強(qiáng)度在-90 dBm左右。如圖4。

圖4 噪聲頻譜圖

2D分布的黑框區(qū)域，噪聲頻譜如右側(cè)，主要為2 700 MHz的噪聲，強(qiáng)度在-80 dBm左右。如圖5。

圖5 噪聲頻譜圖

2D分布的黑框區(qū)域，噪聲頻譜如右側(cè)，主要為2 430～2 440 MHz的寬帶噪聲，強(qiáng)度在-85 dBm左右。如圖6。

圖6 噪聲頻譜圖

2D分布的黑框區(qū)域，噪聲頻譜如右側(cè)，主要為測試頻率范圍內(nèi)全頻段的寬帶噪聲，強(qiáng)度在-95 dBm左右，類似電源噪聲。如圖7。

圖7 噪聲頻譜圖

類似電源噪聲的具體位置分布在圖8箭頭所指框內(nèi)器件處。

圖8 噪聲問題位置圖

3.6 評估結(jié)論

1）本次近場電磁輻射分析，主要評估（2.4～2.8）GHz范圍內(nèi)電磁噪聲分布及強(qiáng)度，從分析結(jié)果來看，全頻段范圍內(nèi)存在較多類型的輻射噪聲，其頻譜特性和分布位置都不相同，具體見以上分析；

2）本次測量在每個測試點都是探頭緊貼PCB板表面測量，噪聲強(qiáng)度的分布即為PCB板上各器件和芯片的噪聲分布，不會因探頭與測試樣品上各位置的距離不同導(dǎo)致測試結(jié)果的差異；

3）新增的頻率篩選功能可以分析出一段頻率范圍內(nèi)噪聲的分布，有利于分析寬帶噪聲的位置分布；

4）新增的2D區(qū)間設(shè)定功能，可以使區(qū)域內(nèi)差異較小的噪聲用更寬的顏色范圍呈現(xiàn)出來，有利于更細(xì)致的區(qū)分不同位置的噪聲分布；

5）需要知道噪聲源對應(yīng)的具體芯片或器件位置，選擇噪聲源對應(yīng)測試點后將2D分布做透明度處理，則可以直觀對應(yīng)出噪聲所在位置。

4 結(jié)論

ES67 近場輻射自動化測試系統(tǒng)，以集成電路電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61967-3輻射發(fā)射表面掃描法為理論基礎(chǔ)，采用高靈敏度電磁場探頭、高分辨率視覺定位、高精度自動控制、集成化測試軟件、智能化數(shù)據(jù)分析、3D可視化結(jié)果呈現(xiàn)等技術(shù)方案，可對芯片、器件、模組、板級、整機(jī)等各種類型的電子產(chǎn)品進(jìn)行電磁輻射發(fā)射特性的精準(zhǔn)測量，方便產(chǎn)品開發(fā)人員準(zhǔn)確評估電子產(chǎn)品和部件的電磁輻射風(fēng)險，識別噪聲源頭和路徑，是評估產(chǎn)品器件、組件輻射特性，分析和解決電磁兼容性問題，進(jìn)行正向設(shè)計的有效方法和工具。