从RE到RSE：聊聊无线产品EMC认证测试中的辐射项（上）

无线产品的EMC认证测试里，有两个与辐射发射有关的项目：Radiated Emission（RE）和Radiated Spurious Emission（RSE）。

RE和RSE，名字上仅一字之差，测试结果看起来也仿佛孪生哥俩。下面有两张测试结果的截图，您能分辨出哪张属于RE测试，哪张是RSE吗？

对于熟悉传统ITE设备的EMC工程师来说，很少有机会接触RSE；对于搞射频收发链路的同志们来说，辐射杂散好理解，而RE相对陌生一些——同饮一江水，相望两不知。那么，无线产品为什么会有两个辐射发射测试项？它们的区别和联系又在哪里？

关于这个话题，我们不妨先从RE测试的历史聊起。

一、

RE测试的演进过程中，频率是很关键的一个因素。

20世纪70年代，当工程师们开始为消费类电子产品制定辐射发射测量标准的时候，首先考虑到了如下特点：

这些产品的工作频率大概在几十兆到百兆赫兹级别，产生的电磁骚扰绝大部分能量都分布在几百兆赫兹以下

大多数产品都放置在接近地面的高度上使用，受干扰的设备接收到的噪声信号来自直射波和空间反射波的叠加

这些产品对外的电磁骚扰属于无意发射，充当天线的都是“临时工”——例如线缆、“浮地”的金属部件、形成环路的走线等等

工作频率低于108MHz的设备，人们把它的辐射发射简化为这样一种情况：从被测设备（EUT）辐射发出的骚扰信号，在周围空间中的反射是受控的，有且仅有地面这一个反射面（半自由空间），除此之外，不存在任何其他反射；测量天线处接收到的是直达波和地面反射波的矢量和。这就是辐射发射测量的双线模型。测量的频率上限定为1GHz。

（辐射发射测量的双线模型）

从事EMC基础标准制定的组织有很多，其中最著名的是欧洲的CISPR（国际无线电干扰特别委员会）和美国的ANSI（美国国家标准化协会）。围绕双线模型的共识，两个组织陆续定义了测试场地、测试天线、测量仪器、测试方法和限值，细节上有所差异。

开阔试验场

作为半自由空间模型的一种逼近，开阔试验场（Open AreaTest Site，OATS）应运而生。先来看两张照片。

 

这是位于北京市昌平十三陵镇的中国计量科学研究院计量级OATS（特别感谢孟东林博士提供的高清照片）。

由于开阔场的选址要求环境噪声绝对干净（现代计量级OATS可以通过矢网锁相环技术消除背景噪声的影响），所以只能修建在人迹罕至、远离市中心的郊区。开阔场的四周是开放空间，不能存在任何反射。长方形的白色区域是铺设的金属地面，四周还铺设有三角形金属栅格作为由金属板到大地的阻抗渐变，从而逼近理想的镜面反射。

随着民用无线通信业务的兴起、工业无线电噪声的日益严重，开阔场的选址越来越困难。所以，到了20世纪80年代，替代OATS的测试场地开始出现。这就是半电波暗室（Semi-Anechoic Chamber，SAC）。

半电波暗室

半电波暗室的主框架是个金属屏蔽室。既然是OATS的替代，地面依然是电连续的金属反射地面，而为了搞掉四壁和天花板对电波的反射，这五个面上贴装了吸波材料对到达的电磁波进行吸收。地面不铺吸波材料——这也是所谓“半”的来源。

测试场地建好以后，怎么验收性能？这涉及到场地性能检验方法。ANSI和CISPR于90年代初相继制定了辐射发射测试场地的NSA（归一化场地衰减）检验方法。国内，北方交通大学张林昌教授最早引入这一理论，并研究拓展了国外标准中未定义的NSA理论数据，是国内电波暗室理论研究领域名副其实的开拓者。

 

上面这张照片拍摄于2000年左右，是当时的北方交通大学EMC实验室半电波暗室。照片中看起来有些陈旧的SAC，却是当时国内乃至国际EMC研究领域最领先的前沿阵地。

测量仪器

早期噪声测量，采用的仪器是超外差式选频电压表，原理类似于收音机。后来在选频电压表的基础上出现了测量接收机（EMI Receiver）。

接收机里有一个关键部件叫做检波器。检波器的电路构成不同，接收机测到的噪声也不相同。早期RE测试的一个重要目的是保护广播通讯不受干扰，在1GHz以下的测量频段，准峰值（QP）检波能较好地模拟人耳对脉冲噪声的响应，所以在定义辐射发射的检波方式时，最早采用的是QP检波。

度量单位

测量天线接收到噪声信号以后，将电磁场转化为感应电流。工程师们把辐射发射的测量参考点放置在测量天线的相位中心点上，测量单位定为电场强度（dB(µV/m)）。天线将空间场转化到电路导行波的能力，在RE测试中体现为天线系数。

测量距离和限值

由于测量参考点在测量天线处，所以RE的测量结果与测试距离有关，前辈们定义了不同的测试距离，也就是通常所说的3m法，5m法，10m法和30m法测试。采用什么样的测试距离，与测试设备的尺寸和测量频率有关，最终目的是为了减少EUT与测量天线间的耦合，保证测量满足远场条件。不同的测试距离，因为测试结果不同，所以限值也不一样。

传统ITE设备和手机属于应用于民用环境的B类产品。按照FCC规定，B类产品辐射发射测试距离为3m；按照CISPR22标准，则应该采取10m法测试。由于手机尺寸较小，3m的距离也基本满足远场条件，考虑到测试场地的建造成本，通常都按照3m法测试，只是将CISPR 10m法的限值转换成3m法的限值。由于远场的场强与距离成反比，很容易推导得到两个限值之间的转换关系：

E(10m, dBuv/m)=E(3m, dBuv/m)-10.5(dB)

天线扫描

双线模型里，由于两条波走的路径长度不同，最后到达接收天线处的相位也不同，叠加后幅度有可能增强，也可能减弱。为了抓到EUT辐射发出的噪声最大值，就需要测量天线在一定高度上来回扫描，对于3m的测试距离，天线扫描高度为1~4m。

以上所有规定，共同实现了RadiatedEmission测试，即RE测试。

二、

说到这里，让我们稍微停下来喘口气儿。

RE的测量方法从酝酿到定型，是一个缓慢演进的过程。总结上面谈论的早期的RE测试，我们来划下重点：

测量场地为OATS或SAC

测量仪器为接收机

测量参考点在接收天线处，测量结果是电场强度（dB(µV/m)）

要规定测试距离

天线要上下扫描抓最大值

测量频段低于1GHz

QP检波

场地性能检验采用NSA法

在实际测量的过程中，许多弊端也渐渐暴露出来。例如：

天线需要上下扫描，测试时间长，天线步进精度对测试结果影响较大，对暗室空间要求高，建造成本高

QP检波，测试时间长

NSA法检验较为繁琐，结果精度不高

。。。

这个时候，ITE产品的时钟频率已经越来越高（远远超过108MHz），原先设定的1GHz频率测量上限不够用了。当EMC工程师们把目光投入到1GHz以上频段RE测量时，他们突然发现：这是个重启的好机会。

CISPR经过长期研究，对于1GHz以上的RE测量，提出了完全不同的玩法：

测量场地上，用全电波暗室替代半电波暗室（1GHz频段以上的辐射发射以直射波到达为主）

检波方式上，AV和PK取代QP

场地检验上，电压驻波比法取代NSA

。。。

所以，当把全频段的RE测试限值放在一起的时候，就会得到下面这张图：

（CISPR限值，30MHz~6GHz RE测试，1GHz以下限值按10m法规定换算到3m法）

这张图很有意思，以1GHz为分界线，左右两边泾渭分明。纸面上看得到的，是限值和检波方式的变化；纸面背后的，是半电波暗室与全电波暗室，是天线上下扫描与固定高度，是测试时间和投入成本的PK……当我第一次看到它时，脑子里想到的是，“废井田，开阡陌”~

三、
 

在RE测试标准逐渐演进的同时，上世纪90年代，以手机为代表的无线产品也开启了个人通信的新时代。工程师们面临着新的问题：对于无线产品来说，已有的辐射发射测试是否合适？

无线产品工作频率高。以早期出现的GSM为例，工作频段850/900/1800/1900MHz，这些工作频率，或接近或远远高于1GHz——我们上面讲过，RE测试以1GHz为分界，玩法完全不同。无线产品就好像站在街角的十字路口，向左走，还是向右走？

另外，无线产品有收发信机，以发射和接收携带有用信息的电磁波为目的。当电子产品中没有收发信机的时候，噪声辐射是一种无意发射，当有收发信机的时候，发信机会造成额外的噪声，例如谐波、各种互调、交调产物等等，这是有意发射，噪声辐射的一个主要途径是产品自身的天线。

有意发射产生的噪声幅度要远远大于无意发射，那么，原有的RE测试限值要不要变？怎么变？

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