移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁兼容驗證

1 引言

歐盟，北美，日本等是當今重要的移動(dòng)通信基站設備制產(chǎn)品的主要市場(chǎng)，隨著(zhù)這些地區和國家的電磁兼容技術(shù)標準，技術(shù)法規越來(lái)越嚴格，各個(gè)企業(yè)在符合各個(gè)區域市場(chǎng)準入要求方面面臨越來(lái)越大的困難和壓力。傳統的電磁兼容（EMC）設計經(jīng)驗和要求，限制了設計的創(chuàng )新，各個(gè)基站設備制造廠(chǎng)商在研發(fā)過(guò)程中從原型機到最終定型機往往需要大量的調試，驗證和整改，這導致各個(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)品的電磁兼容驗證，包括驗證需求，驗證方法以及設計整改，然后介紹當今部分重要的基站產(chǎn)品制造廠(chǎng)商通過(guò)合理的電磁兼容設計，驗證，整改等方面的投資，在電磁兼容各項評價(jià)性能需求上達到的新高度。

2 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁干擾驗證

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

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的傳導干擾是基站設備產(chǎn)生的干擾信號通過(guò)電源線(xiàn)或信號線(xiàn)對外傳導產(chǎn)生的干擾，輻射干擾是基站設備產(chǎn)生的干擾信號通過(guò)空間耦合的形式對外輻射產(chǎn)生的干擾。

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

信號線(xiàn)包括電信傳輸線(xiàn)，控制信號線(xiàn)和射頻信號線(xiàn)。電信傳輸線(xiàn)一般為E1線(xiàn)，它承載基站系統和電信網(wǎng)之間的數據傳輸。E1線(xiàn)連接移動(dòng)通信基站和上級網(wǎng)絡(luò )單元：在GSM系統中連接BTS和BSC，在3G系統中連接Node B和RNC?？刂菩盘柧€(xiàn)承載基站內部單元模塊的控制信號，基站之間同步信號和外部時(shí)鐘信號等，如基站風(fēng)扇單元的EC（Enclosure Control）線(xiàn)，ESB（External Synchronization Bus）線(xiàn)和GPS線(xiàn)等。電信傳輸線(xiàn),控制信號線(xiàn)和射頻信號線(xiàn)有不同的線(xiàn)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)品電磁干擾驗證需求依據歐洲的ETSI301489-1和北美的FCC Part152224，驗證方法依據CISPR22/EN55022。國際標準對電磁干擾驗證的需求如表2-1。電源線(xiàn)的傳導干擾驗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備之間接入人工電源網(wǎng)絡(luò )，輔助設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耦合到接收機，同時(shí)利用感性電路將外部供電設備產(chǎn)生的高頻噪聲信號阻隔在接收機以外。信號線(xiàn)的傳導干擾驗證方法是，在信號線(xiàn)屏蔽層上對地端接150歐姆電阻，在移動(dòng)通信基站一側加電流鉗測量高頻電流噪聲，在輔助設備一側加退耦鉗消除外部高頻噪聲的影響。輻射干擾驗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(xiàn)（低頻）/喇叭接收天線(xiàn)（高頻），通過(guò)旋轉轉臺和接收天線(xiàn)高度，測量移動(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。如圖2-1。

對于移動(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，內部電路結構調整等整改方式。如圖2-2。這使得我們的產(chǎn)品一般在傳導干擾方面，比較國際標準最嚴酷等級class B仍然有6dB以上的余量；在輻射干擾方面，比國際標準最嚴酷等級class B仍然有10dB以上的余量。



圖2-1 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁干擾驗證方法



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)品的電磁抗擾驗證

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

電快速瞬變脈沖群是電網(wǎng)中切斷感性負載，繼電器觸電彈跳等動(dòng)作產(chǎn)生的高頻脈沖序列，通過(guò)傳導的方式經(jīng)電源線(xiàn)進(jìn)入設備，也可以空間耦合到信號線(xiàn)進(jìn)入設備。實(shí)踐證明，當電路中機械開(kāi)關(guān)對電感性負載的切換經(jīng)常會(huì )對電路中的移動(dòng)通信基站設備產(chǎn)生干擾，這種干擾的特點(diǎn)是脈沖成群出現，脈沖重復頻率較高，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 )造成設備故障，但使設備產(chǎn)生誤動(dòng)作的情況經(jīng)常出現。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品電快速瞬變脈沖群干擾驗證需求依據歐洲ETSI301489-1（北美FCC不做要求），驗證方法依據IEC61000-4-4。國際標準對電磁干擾驗證的需求為AC電源線(xiàn)1kV，DC電源線(xiàn)和信號線(xiàn)0.5kV。信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生一脈沖群序列，脈沖波形5/50ns，脈沖持續時(shí)間為15ms，脈沖持續周期為300ms；通過(guò)耦合退耦網(wǎng)絡(luò )注入到電源線(xiàn)，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(guò)50-200pF的容性耦合鉗空間耦合至信號線(xiàn)。如圖3-1。

對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。脈沖群干擾對線(xiàn)路中半導體器件結電容充電導致線(xiàn)路誤動(dòng)作：上述器件可以對共模信號表現出較大電感量可以抑制干擾。如圖3-2。合理設計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(xiàn)驗證級別可以達到4kV，2.5kHz，DC電源線(xiàn)和信號線(xiàn)驗證級別可以達到2kV，5kHz。要求基站產(chǎn)品在實(shí)驗中仍能保持正常通信和射頻指標正常。


圖3-1 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電快速脈沖群驗證方法



圖3-2 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電快速脈沖群整改舉例（鐵氧體磁環(huán)，接口濾波，壓敏電阻

浪涌是開(kāi)關(guān)或雷電等動(dòng)作產(chǎn)生的過(guò)電壓，通過(guò)傳導的方式經(jīng)電源線(xiàn)和信號線(xiàn)進(jìn)入設備。目前大部分設備制造商對設備端口的防雷保護以及防雷器件的認識水平不高，即使有防雷設計，但由于忽視設備實(shí)際工程中的良好接地與合理布線(xiàn)，導致設備使用中出現損壞。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品浪涌驗證需求依據ETSI301489-1（北美FCC不做要求），驗證方法依據IEC61000-4-5。國際標準對電磁干擾驗證的需求為AC電源線(xiàn)2kV，信號線(xiàn)為0.5kV。信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生浪涌波形，脈沖波形1.2/50（8/20）us，一般加載正負波形各5次，每次間隔1分鐘；通過(guò)耦合退耦網(wǎng)絡(luò )注入到電源線(xiàn)，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(guò)10nF的接地電容注入至信號線(xiàn)的屏蔽層。如圖3-3。

對于浪涌干擾，一般采用熱敏電阻壓敏電阻，氣放管，半導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，驅動(dòng)電流，電路形式等可以使得我們的產(chǎn)品AC電源線(xiàn)驗證級別可以達到6kV，DC電源線(xiàn)驗證級別可以達到1kV，信號線(xiàn)驗證級別可以達到4kV的10/700us波形，射頻線(xiàn)驗證級別可以達到5kA的10/350us波形。



圖3-3 移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的浪涌驗證方法



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，半導體放電管）

傳導和輻射抗擾度驗證是綜合考察一切電磁干擾可能對設備的影響。

移動(dòng)通信基站產(chǎn)品傳導和輻射抗擾度驗證需求依據ETSI301489-1（北美FCC不做要求），驗證方法依據IEC61000-4-6和IEC61000-4-3。國際標準對電磁干擾驗證的需求為150k-80M 3V的傳導電磁波和80M-3G 3V/m的輻射電磁波。如圖3-5。

對于傳導和輻射干擾，可能用到上述提到的各種整改方法。這使得我們的產(chǎn)品驗證級別達到10V和10V/m的輻射電磁波。



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

綜上所述，合理地對移動(dòng)通信基站產(chǎn)品的電磁兼容設計和驗證進(jìn)行投入，不僅可以使產(chǎn)品的電磁兼容性能指標滿(mǎn)足國際國內標準，甚至可以做到性能相當優(yōu)越。

4 總結

國內目前的電磁兼容研發(fā)力量和資金投入嚴重不足，缺少專(zhuān)業(yè)EMC人員參與設計和調試，缺乏相應的軟件進(jìn)行EMC的分析和設計，只是通過(guò)大量的經(jīng)驗積累總結出一定的規范性規則（例如：屏蔽，接地，濾波和PCB布線(xiàn)等）。除去少量移動(dòng)通信基站設備制造廠(chǎng)商在PCB，電源，機柜設計階段就應用了EMC分析和技術(shù)手段，絕大多數企業(yè)的設備EMC設計水平還停留在事后補救的階段，也就是說(shuō)在產(chǎn)品設計過(guò)程中并未考慮EMC方面的要求，設計完成后如果EMC測試未能通過(guò)則再進(jìn)行加固設計。

只有部分大型制造廠(chǎng)商有專(zhuān)業(yè)的EMC人才，使用仿真軟件進(jìn)行原理驗證。在產(chǎn)品設計階段進(jìn)行EMC設計，實(shí)際上可以降低EMC整改的成本和節約巨額的測試費用。一些重要的基站設備制造廠(chǎng)商甚至已經(jīng)有能力建造自己的EMC測試平臺。所以說(shuō)，規劃科學(xué)而且可以持續發(fā)展的電磁兼容設計和驗證流程，是成熟的移動(dòng)通信基站制造廠(chǎng)商的必經(jīng)之路；不拘泥于只滿(mǎn)足基站產(chǎn)品的功能和射頻指標，通過(guò)合理的設計整改和驗證使得電磁兼容性能參數指標優(yōu)于國際國內標準，也是整個(gè)行業(yè)技術(shù)上升到新高度的體現。