辐射杂散发射测试、分析与整改

1. 背景描述

1.1 RSE测试介绍

欧盟CE认证测试中包含RSE（Radiation Spurious Emission）测试，属于EMC测试的一部分，用于评估无线通信设备或发射设备在其工作频率范围外产生的不希望的电磁辐射。这些不希望的辐射被称为"杂散"，因为它们不在设备的预期工作频率范围内。

测试标准：

ETSI TS 151 010-1

ETSI EN 301 511

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

1.2 问题现象

在产品进行RSE测试时，GSM900MHz的3倍频（2706MHz）超过限值约26dB；LTE B1(2100MHz)和WCDMA B5（800MHz）的三倍频功率也在限值附近，风险较高。使用内部天线或外置天线现象基本一致。

GSM 900MHz测试结果

WCDMA B5（800MHz）测试结果

LTE B1（2100MHz）测试结果

2. 问题分析

2.1 射频天线部分的系统架构图

设备包括内置天线，当外置天线出现丢失时，通过射频天线的开关进行主备用天线切换

2.2 问题点定位

测试环境搭建

由于测试RSE是在第三方认证实验室标准环境下测试，复测可以验证测试下传导下的杂散谐波结果，最终的整改方案的验收需要在标准环境下进行验证测试。下图为复测环境示意图

测试环境

测试点位：

问题初步定位过程：

经过分析，初步怀疑可能因为杂散辐射超标的因素包括：电源供电、SPDT射频开关、PCB微带线、射频连接器，现通过控制变量法，逐一进行识别，初步定位异常点。下表中的四个场景为定位测试点和具体的测试措施。

针对上述四个场景的测试结果如下：

针对上述四个场景的测试结果数据图如下：

测试结论：

➢模组信号刚出来位置（SPDT射频开关前端）并断开后端射频链路，测试2.7G干扰信号为-48dBm，余量达到19dB，测试结果为PASS；

➢ Case3与Case1/2的测试结果对比，2.7G的干扰信号来源于大板上的射频链路；

➢ Case4与Case1/2的测试结果对比，信号经过SPDT射频开关，2.7G的干扰信号增强50dB；

➢ 测量大板端射频链路匹配与插损情况，高频区域插损较大，且匹配性能稍差。

综上，初步判定GSM900最大功率发射，2.7G的干扰信号是由底板上的SPDT射频开关导致。

2.3 进一步验证及分析

基于初步分析结果，针对SPDT射频开关前后的射频链路进行优化，措施及验证结果如下：

场景1

优化措施：去除SPDT射频开关控制信号限流电阻R97、R99；射频输入信号隔离电容C103、C90由27pF调整为1000pF。

优化效果：900M三倍频辐射功率-9dBm，降低6dB左右（广电计量实验室验证）

场景2

优化措施：将SPDT射频开关控制信号滤波电容C104、C105由10pF调整为5pF或33pF

场景3

优化措施：断开天线在位诊断电路

场景4

优化措施：增加SPDT射频开关后级LC滤波电路，滤除2700MHz信号。R89调整为4.2nH电感，C92调整为1.6pF

优化效果：900M三倍频传导功率降低10dB左右

其他影响：影响LTE B7发射和接收性能

场景5

优化措施：在场景1基础上去掉天线端口ESD静电防护

优化效果：900M三倍频辐射功率-11dBm，降低2dB左右

其他影响：影响天线端口静电防护

场景6

优化措施：在场景1基础上去掉天线端口ESD静电防护和SPDT射频开关

优化效果：900M三倍频辐射功率-50dBm，问题消失

其他影响：无法切换内置天线

验证结论：

➢ 900M三倍频辐射功率大问题主要由SPDT射频开关导致；

➢ 通过优化SPDT射频开关前后级匹配电路，无法完全解决此问题；

➢ 天线ESD静电防护器件存在一定的问题。

2.4 原理分析

2.4.1 射频开关主要性能指标

射频开关是一种用于无线通信系统中的重要组件。它们具有低插入损耗、高隔离度、高功率承受能力、快速响应和广泛的带宽等优点；射频开关用于控制主备天线的切换。当前产品使用的SPDT射频开关（NJG1801AKGC-A）功率容量不够、1dB压缩点较小，在发射功率高时，输出非线性，导致互调干扰。

➢隔离度：开关在导通时衰减不为零，成为正向插入损耗，开关在断开时其衰减也非无穷大，成为隔离度。二者时衡量开关的主要指标，一般希望插入损耗小，而隔离度大。

➢泄露原因：串联MOS开关在关断的情况下，栅-源、栅-漏，源-漏等极间寄生电容会产生耦合作用，引起信号泄露。该泄露随着信号频率的升高而增加。当信号功率过大，在信号的波谷，可能会发生关断MOS管的导通，造成大量信号泄露。同一硅衬底的不同元件之间，衬底耦合也会引起一定的信号泄露，恶化隔离度。收发机天线发射信号功率要比接收信号功率高数十个dBm，因此发射模式下的隔离度性能尤为重要。

➢Input Power：在给定的工作条件下，射频开关所能承受的最大输入功率。与PIN管功率容量、电路类型（串联或者并联）、工作状态（CW和脉冲）给散热条件有关。长时间工作于超过最大功率容量状态下，器件会损坏。

➢1dB压缩点（线性度）：理想的线性电路输入和输出信号为一阶线性关系，而实际电路存在多种非线性因素引起多谐波响应。1dB 压缩点愈大，说明射频电路（系统）线性动态范围愈大。典型情况下，当功率超过 P1dB 时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，从而引起谐波干扰。

1dB压缩点增益曲线

下表为变更前后SPDT射频开关性能参数对比表

2.4.2 ESD静电防护器件

对于射频器件的ESD静电防护设计，ESD静电级别高，ESD静电器件越大，寄生电容大，会造成寄生电容负载、电容充放电引起信号失真、RC延时、噪声等。因此，在射频天线端口的静电防护设计中，在满足抗静电要求的前提下，ESD静电防护器件的寄生电容要尽可能小，产品通信模组厂家要求ESD静电防护器件的寄生电容要小于0.05pF。