近场辐射自动化测试系统的研究和应用

朱 堃 周 飚 杨红波 姚 胜 魏 伟 丁 燕

（1.合肥产品质量监督检验研究院/国家家用电器产品质量监督检验中心（安徽）/安徽省电子电气产品电磁兼容测试分析中心 合肥 230088； 2.合肥联宝信息技术有限公司 合肥 231100；3.深圳东晟射频技术有限公司 深圳 518104）

引言

电子产品的设计中，如果没有良好的电磁兼容性设计，则会产生电磁干扰问题，导致产品的性能下降、功能异常或者无法满足EMC 相关测试标准的要求。如果在产品的架构堆叠和布局布线设计过程中对整机内各芯片、器件、模组件、电路走线等功能部件的电磁辐射特性进行评估和测量，各功能部件之间可能产生的电磁兼容性风险和问题就可以提前识别，以做出最优的电磁兼容性设计方案。对电磁辐射干扰进行测试的主要方法有开域场测试法和电波暗室测试法，但两种方法对测试环境的要求较高，测试手段和操作方法较复杂[1]，所以，产品开发中的电磁兼容性问题，通过近场测试方法来查找和判断电磁噪声的源头和传播路径，是比较常用和有效的分析诊断方法。

1 应用场景

现如今无自动化测试系统全靠人们手工探测近场辐射，这样一是测量结果不好复现，二是测试过程人工易于疲劳，故研发一款以机械臂代替人手的自动化近场辐射测试系统，可应用场景如下：

1.1 芯片近场EMI 辐射测量

产品开发早期对关键芯片的近场EMI 辐射特性进行评估，识别芯片辐射风险，指导芯片进行性能优化，选择EMI 性能较优的芯片方案，对电磁辐射高风险芯片外围电路提前预留相应的EMC 方案。

1.2 元器件、功能组件近场EMI 辐射测量

产品开发前期对关键元器件、功能组件和模块单元进行近场EMI 辐射评估，筛选和识别高风险的元器件、功能组件和模块单元，依据分析结果对器件单体进行优化设计，提前分析、验证并预留合适的解决方案。

1.3 电路板级近场EMI 辐射测量

产品开发中对整机布局、器件堆叠、PCB 布板、关键走线、连接线等进行近场EMI 辐射特性测量和评估，提前识别产品电路板设计方案存在的EMI 辐射风险，分析评估不同的布局、堆叠、走线等设计方案下EMI 辐射特性的差异，确定最优设计方案。

1.4 整机近场EMI 辐射测量

对产品开发后期出现的EMI 辐射干扰问题或检测认证不满足标准的辐射问题进行分析和诊断，通过对噪声分布的全局解析，寻找辐射源、传播路径和噪声强度，为准确快速的解决问题提供有效的诊断分析和整改指导。

2 近场电磁测试原理

图1为测试原理图，通过软件设置测试接收机的测试、分辨率以及采样点数等相关试验参数，设置机械测试时与被测样品表面间距，及各测试点的间距，测试时高分辨率视觉定位、高精度控制到位，被测设备电磁噪声通过探头接收，前置放大器放大后接收机接收，系统统计分析。

图1 测试原理图

3 应用举例

以下为某笔记本电脑主板近场电磁噪声测试情况

3.1 测试样品

笔记本电脑主板，如图2框线区域。

图2 测试样品图

3.2 测试目的

1）对样品特定区域内进行近场电磁辐射测量，评估区域内各芯片、器件及电路走线的电磁噪声位置分布、噪声频率点及辐射强度；

2）评估2.4 GHz左右噪声频谱的电磁辐射干扰风险；

3.3 测试配置

1）本次近场电磁辐射测量主要分析笔记本电脑主板在正常工作状态下，各部分电路的近场电磁辐射；

2）测试过程中，整机处于运行状态，保持“idle”状态。充电器在位，保持充电。

3.3.1 测试设置

1）测试表面：探头紧贴PCB待测区域各器件表面。

2）测试点密度：各测试点水平方向（X、Y）间距2 mm。

3.3.2 频谱仪设置

测试频率范围：（2 400～2 800 ）MHz

1）BW：为兼顾测试准确度、分辨率以及测试效率，测试设置RBW为：10 kHz，VBW为：10 kHz；

2）段内采样点：1 000 个；

3）每测试点扫描次数：2次（考虑到部分周期信号（如存储器信号）的脉冲周期，可增加扫描次数以准确获取不连续信号噪声）；

4）检波方式：峰值检波（Peak）平均值检波（Average）；

5）数据采样方式：最大保持（Max hold）；

6）扫描方式：由于板上走线主要有X方向和Y方向，为方便分析走线方向对近场电磁辐射噪声的影响，默认在X方向（水平）和Y方向（垂直）分别进行测试。

3.4 磁辐射测试与数据分析

3.4.1 辐射最大值分布

为了全面呈现测试区域内各测试点的辐射强度及最大噪声整体分布，将每个测试点上最大噪声强度通过2D、3D图形化方式直观呈现，并且将测试区域内的噪声频谱图按照测试方向用不同方式呈现。以下为详细分析：

2D、3D为各测试点的最大噪声分布，右侧频谱图为各频率点对应最大噪声。图中黄绿色区域噪声较大，蓝紫色区域噪声较小。区域内各频率的噪声都在-90 dBm以上，最大为-73 dBm左右。如图3。

图3 噪声频谱图

3.5 各区域电磁辐射噪声特点分析

通过对测试点的噪声频谱特点分析，可以判断出不同类型的噪声在测试区域内不同位置的分布，具体分析如下：

2D分布的黑框区域，噪声频谱如右侧，为一簇簇的宽带辐射，在整个测试频率范围内都有分布，强度在-90 dBm左右。如图4。

图4 噪声频谱图

2D分布的黑框区域，噪声频谱如右侧，主要为2 700 MHz的噪声，强度在-80 dBm左右。如图5。

图5 噪声频谱图

2D分布的黑框区域，噪声频谱如右侧，主要为2 430～2 440 MHz的宽带噪声，强度在-85 dBm左右。如图6。

图6 噪声频谱图

2D分布的黑框区域，噪声频谱如右侧，主要为测试频率范围内全频段的宽带噪声，强度在-95 dBm左右，类似电源噪声。如图7。

图7 噪声频谱图

类似电源噪声的具体位置分布在图8箭头所指框内器件处。

图8 噪声问题位置图

3.6 评估结论

1）本次近场电磁辐射分析，主要评估（2.4～2.8）GHz范围内电磁噪声分布及强度，从分析结果来看，全频段范围内存在较多类型的辐射噪声，其频谱特性和分布位置都不相同，具体见以上分析；

2）本次测量在每个测试点都是探头紧贴PCB板表面测量，噪声强度的分布即为PCB板上各器件和芯片的噪声分布，不会因探头与测试样品上各位置的距离不同导致测试结果的差异；

3）新增的频率筛选功能可以分析出一段频率范围内噪声的分布，有利于分析宽带噪声的位置分布；

4）新增的2D区间设定功能，可以使区域内差异较小的噪声用更宽的颜色范围呈现出来，有利于更细致的区分不同位置的噪声分布；

5）需要知道噪声源对应的具体芯片或器件位置，选择噪声源对应测试点后将2D分布做透明度处理，则可以直观对应出噪声所在位置。

4 结论

ES67 近场辐射自动化测试系统，以集成电路电磁兼容测试标准IEC 61967-3辐射发射表面扫描法为理论基础，采用高灵敏度电磁场探头、高分辨率视觉定位、高精度自动控制、集成化测试软件、智能化数据分析、3D可视化结果呈现等技术方案，可对芯片、器件、模组、板级、整机等各种类型的电子产品进行电磁辐射发射特性的精准测量，方便产品开发人员准确评估电子产品和部件的电磁辐射风险，识别噪声源头和路径，是评估产品器件、组件辐射特性，分析和解决电磁兼容性问题，进行正向设计的有效方法和工具。