移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁抗擾驗(yàn)證有什么方法？

1 引言

歐盟，北美，日本等是當(dāng)今重要的移動(dòng)通信基站設(shè)備制產(chǎn)品的主要市場(chǎng)，隨著這些地區(qū)和國(guó)家的電磁兼容技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)法規(guī)越來越嚴(yán)格，各個(gè)企業(yè)在符合各個(gè)區(qū)域市場(chǎng)準(zhǔn)入要求方面面臨越來越大的困難和壓力。傳統(tǒng)的電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和要求，限制了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，各個(gè)基站設(shè)備制造廠商在研發(fā)過程中從原型機(jī)到最終定型機(jī)往往需要大量的調(diào)試，驗(yàn)證和整改，這導(dǎo)致各個(gè)產(chǎn)品之間的一致性比較差。本文首先簡(jiǎn)要介紹移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁兼容驗(yàn)證，包括驗(yàn)證需求，驗(yàn)證方法以及設(shè)計(jì)整改，然后介紹當(dāng)今部分重要的基站產(chǎn)品制造廠商通過合理的電磁兼容設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，整改等方面的投資，在電磁兼容各項(xiàng)評(píng)價(jià)性能需求上達(dá)到的新高度。

2 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁干擾驗(yàn)證

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁干擾驗(yàn)證包括傳導(dǎo)干擾（Conducted Emission）驗(yàn)證和輻射干擾（Radiated Emission）驗(yàn)證。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的傳導(dǎo)干擾是基站設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過電源線或信號(hào)線對(duì)外傳導(dǎo)產(chǎn)生的干擾，輻射干擾是基站設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過空間耦合的形式對(duì)外輻射產(chǎn)生的干擾。

電源線包括交流電源線和直流電源線。交流電源線一般外接單相或三相市電，直流電源線一般外接交流/直流轉(zhuǎn)換單元或者外接備用電池。按照接口和功耗的要求設(shè)計(jì)電源線線端接頭和口徑大小，外面直接加絕緣層。

信號(hào)線包括電信傳輸線，控制信號(hào)線和射頻信號(hào)線。電信傳輸線一般為E1線，它承載基站系統(tǒng)和電信網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。E1線連接移動(dòng)通信基站和上級(jí)網(wǎng)絡(luò)單元：在GSM系統(tǒng)中連接BTS和BSC，在3G系統(tǒng)中連接Node B和RNC?？刂菩盘?hào)線承載基站內(nèi)部單元模塊的控制信號(hào)，基站之間同步信號(hào)和外部時(shí)鐘信號(hào)等，如基站風(fēng)扇單元的EC（Enclosure Control）線，ESB（External Synchronization Bus）線和GPS線等。電信傳輸線，控制信號(hào)線和射頻信號(hào)線有不同的線序和接口，但都要求外加金屬屏蔽層和絕緣層。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品電磁干擾驗(yàn)證需求依據(jù)歐洲的ETSI301489-1和北美的FCC Part15&22&24，驗(yàn)證方法依據(jù)CISPR22/EN55022。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁干擾驗(yàn)證的需求如表2-1。電源線的傳導(dǎo)干擾驗(yàn)證一般在屏蔽室中進(jìn)行，方法是在移動(dòng)通信基站和外部供電設(shè)備之間接入人工電源網(wǎng)絡(luò)，輔助設(shè)備需要接耦合退耦網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)利用容性電路將移動(dòng)通信基站產(chǎn)生的高頻噪聲電壓信號(hào)耦合到接收機(jī)，同時(shí)利用感性電路將外部供電設(shè)備產(chǎn)生的高頻噪聲信號(hào)阻隔在接收機(jī)以外。信號(hào)線的傳導(dǎo)干擾驗(yàn)證方法是，在信號(hào)線屏蔽層上對(duì)地端接150歐姆電阻，在移動(dòng)通信基站一側(cè)加電流鉗測(cè)量高頻電流噪聲，在輔助設(shè)備一側(cè)加退耦鉗消除外部高頻噪聲的影響。輻射干擾驗(yàn)證一般在半電波暗室中進(jìn)行，方法是一定距離處放置錐形接收天線（低頻）/喇叭接收天線（高頻），通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)和接收天線高度，測(cè)量移動(dòng)通信基站在整個(gè)頻段，全向角度，各個(gè)高度和不同極化方向所產(chǎn)生的空間輻射噪聲場(chǎng)強(qiáng)。

對(duì)于移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁干擾，一般采用屏蔽隔離，接口濾波，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)調(diào)整等整改方式。如圖2-2。這使得我們的產(chǎn)品一般在傳導(dǎo)干擾方面，比較國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)酷等級(jí)class B仍然有6dB以上的余量；在輻射干擾方面，比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)酷等級(jí)class B仍然有10dB以上的余量。

圖2-2 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁干擾整改舉例

3 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁抗擾驗(yàn)證

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁抗擾驗(yàn)證包括電快速瞬變脈沖群（Electrical Fast Transient），浪涌（Surge），傳導(dǎo)抗擾度（RF Common），輻射抗擾度（Radiated Immunity）等。

電快速瞬變脈沖群是電網(wǎng)中切斷感性負(fù)載，繼電器觸電彈跳等動(dòng)作產(chǎn)生的高頻脈沖序列，通過傳導(dǎo)的方式經(jīng)電源線進(jìn)入設(shè)備，也可以空間耦合到信號(hào)線進(jìn)入設(shè)備。實(shí)踐證明，當(dāng)電路中機(jī)械開關(guān)對(duì)電感性負(fù)載的切換經(jīng)常會(huì)對(duì)電路中的移動(dòng)通信基站設(shè)備產(chǎn)生干擾，這種干擾的特點(diǎn)是脈沖成群出現(xiàn)，脈沖重復(fù)頻率較高，脈沖波形的上升時(shí)間短暫，但單個(gè)脈沖的能量較小，一般不會(huì)造成設(shè)備故障，但使設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作的情況經(jīng)常出現(xiàn)。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品電快速瞬變脈沖群干擾驗(yàn)證需求依據(jù)歐洲ETSI301489-1（北美FCC不做要求），驗(yàn)證方法依據(jù)IEC61000-4-4。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁干擾驗(yàn)證的需求為AC電源線1kV，DC電源線和信號(hào)線0.5kV。信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生一脈沖群序列，脈沖波形5/50ns，脈沖持續(xù)時(shí)間為15ms，脈沖持續(xù)周期為300ms；通過耦合退耦網(wǎng)絡(luò)注入到電源線，耦合端常為33nF的電容，退耦端常為大于100uH的電感，一般要求耦合增益大于20dB，退耦增益小于2dB；或者通過50-200pF的容性耦合鉗空間耦合至信號(hào)線。如圖3-1。

對(duì)于電快速脈沖群干擾，一般采用接口濾波，鐵氧體磁環(huán)，TVS疊層壓敏電阻等整改方式。脈沖群干擾對(duì)線路中半導(dǎo)體器件結(jié)電容充電導(dǎo)致線路誤動(dòng)作：上述器件可以對(duì)共模信號(hào)表現(xiàn)出較大電感量可以抑制干擾。如圖3-2。合理設(shè)計(jì)和使用整改器件的大小和特性使得我們的產(chǎn)品AC電源線驗(yàn)證級(jí)別可以達(dá)到4kV，2.5kHz，DC電源線和信號(hào)線驗(yàn)證級(jí)別可以達(dá)到2kV，5kHz。要求基站產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)中仍能保持正常通信和射頻指標(biāo)正常。

浪涌是開關(guān)或雷電等動(dòng)作產(chǎn)生的過電壓，通過傳導(dǎo)的方式經(jīng)電源線和信號(hào)線進(jìn)入設(shè)備。目前大部分設(shè)備制造商對(duì)設(shè)備端口的防雷保護(hù)以及防雷器件的認(rèn)識(shí)水平不高，即使有防雷設(shè)計(jì)，但由于忽視設(shè)備實(shí)際工程中的良好接地與合理布線，導(dǎo)致設(shè)備使用中出現(xiàn)損壞。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品浪涌驗(yàn)證需求依據(jù)ETSI301489-1（北美FCC不做要求），驗(yàn)證方法依據(jù)IEC61000-4-5。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁干擾驗(yàn)證的需求為AC電源線2kV，信號(hào)線為0.5kV。信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生浪涌波形，脈沖波形1.2/50（8/20）us，一般加載正負(fù)波形各5次，每次間隔1分鐘；通過耦合退耦網(wǎng)絡(luò)注入到電源線，耦合端常為18uF的電容，退耦端常為大于1.5mH的電感；或者通過10nF的接地電容注入至信號(hào)線的屏蔽層。如圖3-3。

對(duì)于浪涌干擾，一般采用熱敏電阻壓敏電阻，氣放管，半導(dǎo)體放電管等整改方式。如圖3-4。綜合考慮上述整改器件的接口速率，工作電壓，驅(qū)動(dòng)電流，電路形式等可以使得我們的產(chǎn)品AC電源線驗(yàn)證級(jí)別可以達(dá)到6kV，DC電源線驗(yàn)證級(jí)別可以達(dá)到1kV，信號(hào)線驗(yàn)證級(jí)別可以達(dá)到4kV的10/700us波形，射頻線驗(yàn)證級(jí)別可以達(dá)到5kA的10/350us波形。

圖3-4 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的浪涌整改舉例（熱敏電阻，氣體放電管，半導(dǎo)體放電管）

傳導(dǎo)和輻射抗擾度驗(yàn)證是綜合考察一切電磁干擾可能對(duì)設(shè)備的影響。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品傳導(dǎo)和輻射抗擾度驗(yàn)證需求依據(jù)ETSI301489-1（北美FCC不做要求），驗(yàn)證方法依據(jù)IEC61000-4-6和IEC61000-4-3。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁干擾驗(yàn)證的需求為150k-80M 3V的傳導(dǎo)電磁波和80M-3G 3V/m的輻射電磁波。如圖3-5。

對(duì)于傳導(dǎo)和輻射干擾，可能用到上述提到的各種整改方法。這使得我們的產(chǎn)品驗(yàn)證級(jí)別達(dá)到10V和10V/m的輻射電磁波。

圖3-5 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的傳導(dǎo)抗擾和輻射抗擾驗(yàn)證方法

綜上所述，合理地對(duì)移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)和驗(yàn)證進(jìn)行投入，不僅可以使產(chǎn)品的電磁兼容性能指標(biāo)滿足國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以做到性能相當(dāng)優(yōu)越。

4 總結(jié)

國(guó)內(nèi)目前的電磁兼容研發(fā)力量和資金投入嚴(yán)重不足，缺少專業(yè)EMC人員參與設(shè)計(jì)和調(diào)試，缺乏相應(yīng)的軟件進(jìn)行EMC的分析和設(shè)計(jì)，只是通過大量的經(jīng)驗(yàn)積累總結(jié)出一定的規(guī)范性規(guī)則（例如：屏蔽，接地，濾波和PCB布線等）。除去少量移動(dòng)通信基站設(shè)備制造廠商在PCB，電源，機(jī)柜設(shè)計(jì)階段就應(yīng)用了EMC分析和技術(shù)手段，絕大多數(shù)企業(yè)的設(shè)備EMC設(shè)計(jì)水平還停留在事后補(bǔ)救的階段，也就是說在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中并未考慮EMC方面的要求，設(shè)計(jì)完成后如果EMC測(cè)試未能通過則再進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

只有部分大型制造廠商有專業(yè)的EMC人才，使用仿真軟件進(jìn)行原理驗(yàn)證。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，實(shí)際上可以降低EMC整改的成本和節(jié)約巨額的測(cè)試費(fèi)用。一些重要的基站設(shè)備制造廠商甚至已經(jīng)有能力建造自己的EMC測(cè)試平臺(tái)。所以說，規(guī)劃科學(xué)而且可以持續(xù)發(fā)展的電磁兼容設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程，是成熟的移動(dòng)通信基站制造廠商的必經(jīng)之路；不拘泥于只滿足基站產(chǎn)品的功能和射頻指標(biāo)，通過合理的設(shè)計(jì)整改和驗(yàn)證使得電磁兼容性能參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，也是整個(gè)行業(yè)技術(shù)上升到新高度的體現(xiàn)。