輻射雜散發(fā)射測試、分析與整改

1. 背景描述

1.1 RSE測試介紹

歐盟CE認(rèn)證測試中包含RSE（Radiation Spurious Emission）測試，屬于EMC測試的一部分，用于評估無線通信設(shè)備或發(fā)射設(shè)備在其工作頻率范圍外產(chǎn)生的不希望的電磁輻射。這些不希望的輻射被稱為"雜散"，因?yàn)樗鼈儾辉谠O(shè)備的預(yù)期工作頻率范圍內(nèi)。

測試標(biāo)準(zhǔn)：

ETSI TS 151 010-1

ETSI EN 301 511

輻射功率限值：30MHz-1GHz：-36dBm；大于1GHz：-30dBm

1.2 問題現(xiàn)象

在產(chǎn)品進(jìn)行RSE測試時，GSM900MHz的3倍頻（2706MHz）超過限值約26dB；LTE B1(2100MHz)和WCDMA B5（800MHz）的三倍頻功率也在限值附近，風(fēng)險較高。使用內(nèi)部天線或外置天線現(xiàn)象基本一致。

GSM 900MHz測試結(jié)果

GSM 900MHz測試結(jié)果

WCDMA B5（800MHz）測試結(jié)果

WCDMA B5（800MHz）測試結(jié)果

LTE B1（2100MHz）測試結(jié)果

2. 問題分析

2.1 射頻天線部分的系統(tǒng)架構(gòu)圖

設(shè)備包括內(nèi)置天線，當(dāng)外置天線出現(xiàn)丟失時，通過射頻天線的開關(guān)進(jìn)行主備用天線切換

2.2 問題點(diǎn)定位

測試環(huán)境搭建

由于測試RSE是在第三方認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下測試，復(fù)測可以驗(yàn)證測試下傳導(dǎo)下的雜散諧波結(jié)果，最終的整改方案的驗(yàn)收需要在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證測試。下圖為復(fù)測環(huán)境示意圖

測試環(huán)境

測試點(diǎn)位：

問題初步定位過程：

經(jīng)過分析，初步懷疑可能因?yàn)殡s散輻射超標(biāo)的因素包括：電源供電、SPDT射頻開關(guān)、PCB微帶線、射頻連接器，現(xiàn)通過控制變量法，逐一進(jìn)行識別，初步定位異常點(diǎn)。下表中的四個場景為定位測試點(diǎn)和具體的測試措施。

針對上述四個場景的測試結(jié)果如下：

針對上述四個場景的測試結(jié)果數(shù)據(jù)圖如下：

測試結(jié)論：

?模組信號剛出來位置（SPDT射頻開關(guān)前端）并斷開后端射頻鏈路，測試2.7G干擾信號為-48dBm，余量達(dá)到19dB，測試結(jié)果為PASS；

? Case3與Case1/2的測試結(jié)果對比，2.7G的干擾信號來源于大板上的射頻鏈路；

? Case4與Case1/2的測試結(jié)果對比，信號經(jīng)過SPDT射頻開關(guān)，2.7G的干擾信號增強(qiáng)50dB；

? 測量大板端射頻鏈路匹配與插損情況，高頻區(qū)域插損較大，且匹配性能稍差。

綜上，初步判定GSM900最大功率發(fā)射，2.7G的干擾信號是由底板上的SPDT射頻開關(guān)導(dǎo)致。

2.3 進(jìn)一步驗(yàn)證及分析

基于初步分析結(jié)果，針對SPDT射頻開關(guān)前后的射頻鏈路進(jìn)行優(yōu)化，措施及驗(yàn)證結(jié)果如下：

場景1

優(yōu)化措施：去除SPDT射頻開關(guān)控制信號限流電阻R97、R99；射頻輸入信號隔離電容C103、C90由27pF調(diào)整為1000pF。

優(yōu)化效果：900M三倍頻輻射功率-9dBm，降低6dB左右（廣電計(jì)量實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證）

場景2

優(yōu)化措施：將SPDT射頻開關(guān)控制信號濾波電容C104、C105由10pF調(diào)整為5pF或33pF

場景3

優(yōu)化措施：斷開天線在位診斷電路

場景4

優(yōu)化措施：增加SPDT射頻開關(guān)后級LC濾波電路，濾除2700MHz信號。R89調(diào)整為4.2nH電感，C92調(diào)整為1.6pF

優(yōu)化效果：900M三倍頻傳導(dǎo)功率降低10dB左右

其他影響：影響LTE B7發(fā)射和接收性能

場景5

優(yōu)化措施：在場景1基礎(chǔ)上去掉天線端口ESD靜電防護(hù)

優(yōu)化效果：900M三倍頻輻射功率-11dBm，降低2dB左右

其他影響：影響天線端口靜電防護(hù)

場景6

優(yōu)化措施：在場景1基礎(chǔ)上去掉天線端口ESD靜電防護(hù)和SPDT射頻開關(guān)

優(yōu)化效果：900M三倍頻輻射功率-50dBm，問題消失

其他影響：無法切換內(nèi)置天線

驗(yàn)證結(jié)論：

? 900M三倍頻輻射功率大問題主要由SPDT射頻開關(guān)導(dǎo)致；

? 通過優(yōu)化SPDT射頻開關(guān)前后級匹配電路，無法完全解決此問題；

? 天線ESD靜電防護(hù)器件存在一定的問題。

2.4 原理分析

2.4.1 射頻開關(guān)主要性能指標(biāo)

射頻開關(guān)是一種用于無線通信系統(tǒng)中的重要組件。它們具有低插入損耗、高隔離度、高功率承受能力、快速響應(yīng)和廣泛的帶寬等優(yōu)點(diǎn)；射頻開關(guān)用于控制主備天線的切換。當(dāng)前產(chǎn)品使用的SPDT射頻開關(guān)（NJG1801AKGC-A）功率容量不夠、1dB壓縮點(diǎn)較小，在發(fā)射功率高時，輸出非線性，導(dǎo)致互調(diào)干擾。

?隔離度：開關(guān)在導(dǎo)通時衰減不為零，成為正向插入損耗，開關(guān)在斷開時其衰減也非無窮大，成為隔離度。二者時衡量開關(guān)的主要指標(biāo)，一般希望插入損耗小，而隔離度大。

?泄露原因：串聯(lián)MOS開關(guān)在關(guān)斷的情況下，柵-源、柵-漏，源-漏等極間寄生電容會產(chǎn)生耦合作用，引起信號泄露。該泄露隨著信號頻率的升高而增加。當(dāng)信號功率過大，在信號的波谷，可能會發(fā)生關(guān)斷MOS管的導(dǎo)通，造成大量信號泄露。同一硅襯底的不同元件之間，襯底耦合也會引起一定的信號泄露，惡化隔離度。收發(fā)機(jī)天線發(fā)射信號功率要比接收信號功率高數(shù)十個dBm，因此發(fā)射模式下的隔離度性能尤為重要。

?Input Power：在給定的工作條件下，射頻開關(guān)所能承受的最大輸入功率。與PIN管功率容量、電路類型（串聯(lián)或者并聯(lián)）、工作狀態(tài)（CW和脈沖）給散熱條件有關(guān)。長時間工作于超過最大功率容量狀態(tài)下，器件會損壞。

?1dB壓縮點(diǎn)（線性度）：理想的線性電路輸入和輸出信號為一階線性關(guān)系，而實(shí)際電路存在多種非線性因素引起多諧波響應(yīng)。1dB 壓縮點(diǎn)愈大，說明射頻電路（系統(tǒng)）線性動態(tài)范圍愈大。典型情況下，當(dāng)功率超過 P1dB 時，增益將迅速下降并達(dá)到一個最大的或完全飽和的輸出功率，從而引起諧波干擾。

1dB壓縮點(diǎn)增益曲線

下表為變更前后SPDT射頻開關(guān)性能參數(shù)對比表

2.4.2 ESD靜電防護(hù)器件

對于射頻器件的ESD靜電防護(hù)設(shè)計(jì)，ESD靜電級別高，ESD靜電器件越大，寄生電容大，會造成寄生電容負(fù)載、電容充放電引起信號失真、RC延時、噪聲等。因此，在射頻天線端口的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)中，在滿足抗靜電要求的前提下，ESD靜電防護(hù)器件的寄生電容要盡可能小，產(chǎn)品通信模組廠家要求ESD靜電防護(hù)器件的寄生電容要小于0.05pF。

模組廠家對射頻端口ESD靜電的伴生電容容值要求

當(dāng)前產(chǎn)品使用的ESD靜電靜電防護(hù)（AUSD05CBL）的結(jié)電容較大，應(yīng)用在高速射頻線路時，容易產(chǎn)生干擾。下表為變更前后ESD靜電防護(hù)器件關(guān)鍵參數(shù)對比表。

3. 問題整改及效果

整改內(nèi)容：

整改效果：

GSM900M和其它頻段RSE測試復(fù)測均通過。

參考文獻(xiàn)

1、NJG1801AKGC-A芯片數(shù)據(jù)手冊

2、SKY13370芯片數(shù)據(jù)手冊

3、AUSD05CBL芯片數(shù)據(jù)手冊

4、EPESD040205A芯片數(shù)據(jù)手冊

5、ETSI TS 151 010-1-2014，數(shù)字蜂窩電信系統(tǒng)（ 第2階段以上） 移動站 (MS) 一致性規(guī)范 第1部分：一致性規(guī)范（3GPP TS 51.010-1 版本 11.4.0 發(fā)行版 11）

標(biāo)準(zhǔn)鏈接：https://cdn.standards.iteh.ai/samples/44452/09154e8f0b8e4015bd8279efe51cc1d9/ETSI-TS-151-010-1-V11-5-0-2014-07-.pdf

6、ETSI EN 301 511， GSM移動站（MS）及其輔助設(shè)備的無線頻譜和電磁兼容性要求。

標(biāo)準(zhǔn)鏈接：https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/301500_301599/301511/12.05.01_60/en_301511v120501p.pdf