辐射骚扰：电子设备的电磁“噪音”及其管控

辐射骚扰，简称RE，指的是电子电气设备或其组成部分通过空间以电磁场形式传播的、不希望存在的电磁能量。它是电磁兼容性领域的一项核心测试项目，旨在评估设备在正常工作时向空间发射的无意电磁噪声强度，确保其不会对环境中其他设备的正常工作造成不可接受的干扰。

一、 核心概念与重要性

  • 无意发射： RE关注的是设备正常功能运行中“附带产生”的电磁辐射，而非设备有意发出的通信信号（如WIFI、蓝牙）。
  • 干扰源： 过强的RE会成为干扰源，影响附近无线电接收机（广播、电视、移动通信）、敏感电子设备（医疗设备、测量仪器）或其他信息技术设备的正常工作。
  • 电磁兼容性基石： 控制RE是确保设备满足电磁兼容法规要求、获得市场准入认证（如CE、FCC）的关键环节，也是设备设计质量的重要体现。
 

二、 RE测试的核心要素

  1. 测试频率范围：

    • 通常起始于30 MHz（低于此频率主要关注传导骚扰）。
    • 上限频率依据产品标准而定，常见的有1 GHz、6 GHz，甚至更高（如18 GHz或40 GHz），尤其适用于高速数字设备或无线产品。

  2. 测试场地（核心场所）：

    • 开阔试验场： 传统的基准场地，要求理想的电磁环境（低环境噪声）、规定大小的平坦接地金属板和特定天线距离（如3m、10m）。受天气和环境干扰影响大，应用受限。
    • 半电波暗室： 应用最广泛的标准化场地。 墙壁和天花板覆盖吸波材料模拟自由空间，地面为金属反射板。能提供受控、可重复的测试环境，不受外界天气和噪声影响（理想情况下）。
    • 全电波暗室： 所有内表面（包括地面）均覆盖吸波材料，主要用于天线测量或需要模拟自由空间无反射的场景，RE测试较少使用。
    • TEM/GTEM小室： 封闭的锥形或矩形传输线结构。设备置于内部，天线位于末端。尺寸相对较小，适合研发阶段快速摸底测试或较小尺寸设备测试，结果通常需要与标准场地进行相关性转换。
    • 场地验证： 所有场地在使用前和使用周期内都需要进行归一化场地衰减验证，确保其性能符合标准要求。

  3. 测试设备：

    • 测量接收机： 核心仪器，需满足CISPR 16-1-1标准要求。具备精确的频率调谐、高灵敏度、宽动态范围。必须设置正确的测量带宽和检波器。
    • 天线：
      • 30 MHz - 300 MHz： 常用双锥天线。
      • 200 MHz - 1 GHz 及以上： 常用对数周期天线或复合天线（如双锥对数周期复合天线）。
      • 1 GHz 以上： 常用喇叭天线。
      • 天线需按标准要求在水平和垂直极化方向上依次旋转测试。
    • 转台： 放置被测设备的可旋转平台（通常是金属转台），用于寻找设备辐射的最大骚扰方向。
    • 天线升降塔： 支撑天线并在规定高度范围（如1m - 4m）内升降，用于寻找最大骚扰场强的高度。
    • 被测设备支撑： 绝缘支架或接地金属桌（依据标准要求）。
    • 软件控制系统： 控制仪器、转台、升降塔协同工作，自动扫描、记录数据并比对限值。

  4. 测量参数：

    • 带宽： 接收机的测量带宽必须符合标准规定（如CISPR带宽通常为120kHz用于准峰值和平均值检波，1MHz用于峰值检波）。
    • 检波器：
      • 峰值检波： 响应最快，捕获信号最高峰值（即使瞬时），常用于初筛。
      • 准峰值检波： 其响应特性（充电快、放电慢）模拟人耳对脉冲骚扰的主观干扰感受，是大多数RE限值的判定依据。
      • 平均值检波： 测量信号的长期平均值，适用于连续波骚扰。
    • 扫描步长与驻留时间： 影响测试速度和结果准确性，需按标准设定。

  5. 标准与限值：

    • 基础标准：
      • CISPR 16 系列： 规定了EMI测量设备和方法的要求（如CISPR 16-1-1接收机要求，CISPR 16-1-4测试场地要求）。
    • 产品类/通用标准：
      • CISPR 11： 工科医设备。
      • CISPR 14-1： 家用电器、电动工具。
      • CISPR 22 (已整合至CISPR 32)： 信息技术设备。
      • CISPR 32： 多媒体设备通用标准（涵盖ITE、AV设备）。
      • CISPR 15： 灯具及相关设备。
      • CISPR 12： 车辆、船和内燃机驱动装置。
    • 各国法规：
      • 欧洲： EN 550XX系列标准（等同采用CISPR标准）。
      • 美国： FCC Part 15（Subpart B）、FCC Part 18。
      • 中国： GB 9254（ITE）、GB 4824（工科医）、GB 17743（灯具）等。
    • 限值等级：
      • A类： 通常用于工业、商业环境，限值相对宽松。
      • B类： 通常用于居住环境（家用），限值更严格。
      • 特定设备（如医疗）： 可能有特殊限值要求。
    • 典型限值线图：
      • Y轴：骚扰场强（dBμV/m）。
      • X轴：频率（MHz/GHz，对数坐标）。
      • 图上通常包含A类、B类限值线（准峰值、平均值）。
      • 测试结果曲线需低于相应限值线。

  6. 被测设备布置与运行状态：

    • 设备应按照其典型应用方式布置（如放在非金属桌或金属接地平面上）。
    • 所有必要的互联线缆（电源线、信号线）应使用规定的类型和长度，并按标准要求摆放（如悬垂、捆札）。
    • 设备应配置到产生最大骚扰的工作状态（如满负荷运行、运行特定软件、切换不同模式）。
 

三、 辐射骚扰来源与整改

  • 主要来源：

    • 高速数字电路： CPU、存储器、数据总线、时钟信号（特别是晶振及其谐波）产生的快速上升/下降沿。
    • 开关电源： 功率开关管（MOSFET）、整流二极管的高频开关动作及其引起的电压/电流振荡。
    • 电机/驱动器： 电刷火花、PWM控制信号。
    • 射频电路： 本振泄漏、倍频杂散、宽带噪声。
    • 连接线与接口： 线缆作为高效天线向外辐射设备内部的共模噪声。

  • 常见整改措施：

    • 源头抑制：
      • 降低时钟信号边沿速率（在满足时序要求前提下）。
      • 优化开关电源布局布线，减小环路面积。
      • 为噪声源（IC电源引脚、时钟线、开关节点）增加高频去耦电容。
      • 使用展频时钟技术。
    • 切断传播路径 - 屏蔽：
      • 机箱屏蔽： 确保导电机箱缝隙/开口尺寸小于最高关注频率波长的1/20甚至1/50，使用导电衬垫、簧片、通风波导窗。
      • 局部屏蔽： 为高速电路或噪声模块增加屏蔽罩。
      • 线缆屏蔽： 使用屏蔽线缆，确保屏蔽层360°端接到机箱或连接器外壳。
    • 切断传播路径 - 滤波：
      • 电源端口： 增加电源线滤波器（X电容、Y电容、共模电感），注意滤波器良好接地。
      • 信号端口： 在信号线上靠近接口处增加共模扼流圈、铁氧体磁环/磁珠、滤波连接器或PCB上的π型/T型滤波器。
      • 板级： 关键IC电源入口使用滤波阵列或磁珠+电容组合。
    • 优化接地：
      • 建立低阻抗、完整的接地平面（特别是高速PCB）。
      • 电缆屏蔽层、滤波器接地端子需以最短路径、大面积连接到主接地参考点。
      • 避免接地环路。
    • 布线优化：
      • 减小高速信号走线环路面积。
      • 关键信号线远离板边和接口。
      • 避免将数字信号线和模拟/射频信号线平行长距离布设。
 

四、 测试流程与认证

  1. 准备： 确定适用标准、限值等级、测试布置要求；配置设备运行状态；设置测试系统（接收机、天线、软件）。
  2. 预测试/摸底： 在正式场地或替代场地进行初步测试，识别潜在问题点。
  3. 正式测试：
    • 设备按标准要求布置。
    • 在指定测试距离（3m/10m）和不同天线极化方向（水平/垂直）下进行扫描。
    • 旋转转台和升降天线高度，寻找每个频率点上的最大骚扰值。
    • 使用规定的检波器（峰值、准峰值、平均值）进行测量。
    • 详细记录所有高于指定电平点的频率、场强、极化、天线高度、转台角度。
  4. 结果比对与判定： 将所有测量结果与标准规定的限值线进行比较。
  5. 报告生成： 出具包含测试设置照片、设备信息、运行状态、测试数据、限值线、结论等的正式测试报告。
  6. 认证： 将符合标准的测试报告提交给认证机构，作为获得相应市场准入证书（如CE DoC, FCC Grant）的关键依据。
 

五、 总结

辐射骚扰测试是保障电子产品电磁兼容性的重要防线。通过理解RE的原理、标准要求、测试方法和典型骚扰源，设计工程师可以在产品开发早期就融入EMC设计考虑，从源头控制噪声发射。对于最终产品，严格的RE测试和必要的整改措施，是确保其能在复杂的电磁环境中与其他设备和谐共存、顺利进入目标市场的必经之路。持续关注标准更新和技术发展（如更高频率、更高速度设备带来的挑战），对于维持产品的电磁兼容性优势至关重要。

附：实用提示

  • 早期介入： RE问题在研发阶段解决远比量产后再整改成本低、效率高。在设计评审中纳入EMC考量。
  • 背景噪声： 测试前务必确认测试场地的背景噪声（关掉被测设备）足够低（至少低于限值6dB），否则测试结果无效。
  • 峰值扫描： 正式测试前通常先用峰值检波器进行快速扫描，找出所有可疑点，再用准峰值/平均值精测，提高效率。
  • 数据记录： 不仅要记录超标点，对接近限值的点也应记录，有助于分析潜在风险。
  • 诊断工具： 近场探头、频谱分析仪是定位骚扰源位置和频率的强大工具。
 

掌握辐射骚扰的本质与控制方法，是电子产品设计、测试和认证工程师不可或缺的核心能力。