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。

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 Area Test Site，OATS）应运而生。先来看两张照片。

（远景）

（中景）

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Radiated Emission测试，即RE测试。

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”~

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？

当EUT这个载体发生变化时， 辐射发射测试该何去何从？

（下）

当无线产品开启个人通信时代之际，EUT这个载体变了，辐射发射测试标准要不要变？怎么变？

回答这个问题的不再是ANSI和CISPR，而是联合国下属机构国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）以及著名的移动通信组织3GPP（第三代合作伙伴计划，3rd Generation Partnership Project）。

不走寻常路的ITU-R

ITU-R另辟蹊径，提出了一种新的辐射发射测试思路，它不再基于RE双线模型，也不再测量到达接收天线处的噪声大小，而是直接测量噪声源的大小。

ITU-R在参考建议文件Rec. ITU-R SM329中，系统地讨论了发信机骚扰发射测量的方法。这是一个射频测量的总体方案，不仅针对产品整体的辐射发射，也针对射频端口的传导发射。

杂散域

SM.329最重要的内容，是引入了杂散发射（Spurious Emission）的概念。它按照距离主频信号中心频点的远近，将整个测量频段划分成三个域（domain）：工作域，带外域和杂散域。主频信号中心频点f0，工作带宽（或占用的信道带宽）为B，以f0为基准，+/-2.5B以外的频率范围都是杂散域（Spurious domain）。频率落在杂散域内的无用信号，被称作杂散信号。

（SM.329中对三个域的定义）

替代法测量

SM.329中另外一个非常关键的内容，是提出了用替代法测量辐射发射。简单来说，就是在同一个位置上，用信号源加上发射天线（增益已知）替换EUT，通过调节信号源的输出，使得测量仪器上得到的读数与测量EUT时的读数相同，一个频点接一个频点测量下去，那么每个频点上EUT辐射骚扰的大小，都可以通过信号源的输出功率和天线的增益推算出来。这个思路后来演化成为搭建RSE测试系统时必须要做的路径损耗（Tranducer）校准。

（ITU-R SM.329-10，替代法测量辐射杂散）

让人抓狂的SM.329

SM.329中有不少模棱两可的地方，比如讨论杂散信号的测量单位时，指出测试结果可以使用：

·       场强，度量单位µV/m或dB(µV/m)或A/m或dB(µA/m)

·       功率（e.r.p或e.i.r.p），度量单位W或mW或dBW或dBmW

·       功率谱密度pdf，度量单位W/m2或dB(W/m2)

（有点晕，到底用哪个~）

关于测试场地，SM.329说，30MHz~1GHz频段内，还是要用OATS和半电波暗室滴，至于其它的测试场地，像全电波暗室、混响室、TEM这些能不能用来测辐射杂散，以后再讨论……

（当年看到这儿，我内心是崩溃的：1GHz以下用半电波暗室？？那天线要不要上下扫描？公司现在测RSE用的就是全电波暗室，你告诉我说能不能用还待定~ T_T）

最早读SM.329的时候，我经常会冒出冲动想抓着写这标准的大牛问个清楚。后来才慢慢有点明白，SM.329是参考建议文件，它负责提出各种可能，具体细节还需要产品类的标准去落实。

这个任务落在了3GPP身上。

劳模3GPP

按照ITU-R规划的道路，以勤奋著称的3GPP开始埋头苦干，在针对不同移动通信制式分别制定的测试标准中，进一步规定了两种类型的杂散发射测试：

·       将位于射频链路与EUT天线之间的天线接头作为测试参考点，测量从射频发射链路输出的杂散信号幅度。即传导杂散测试

·       将EUT看做一个黑盒（enclosure），测量天线接收整个黑盒对外的杂散发射，而不区分哪些是从手机天线辐射出的噪声，哪些是从其它部分辐射出的噪声。即辐射杂散测试（Radiated Spurious Emission，RSE）

3GPP根据ITU-R SM.329里对杂散域的定义，详细规定了对不同移动通信制式做RSE测试时的RBW设置；给定了不同测量频段上的限值；将测量结果确定为功率值，单位dBm；将测试场地确定为全电波暗室；和通常的射频功率测试一样，测量仪器为频谱仪，基本采用PK检波。

全电波暗室

前面已经提到过全电波暗室（Fully Anechoic Room，FAR），FAR是在半电波暗室的地面上加铺一层吸波材料，消除掉地面反射，形成一个没有任何反射的电磁波传播环境。FAR模拟自由空间，由于没有地面反射路径的存在，到达接收天线处的只有直射波。接收天线不再需要上下扫描寻找噪声最大值。

（紧凑型全电波暗室，在空间需求和建造成本上都有很大优势）

RSE的测量参考点在EUT的相位中心上——而RE的测量参考点在接收天线的相位中心。这个区别决定了在满足远场条件下，RSE测量结果实际上与测试距离无关。我们可以在任意距离（满足远场条件）下，利用替代法测量RSE。

到这里，我们可以停下来对RSE测试再划个重点：

· 测量场地为FAR

· 测量仪器为频谱仪

· 测量参考点在EUT处，测量结果是功率值（dBm）

· 用替代法测量时不需要规定测试距离（需要满足远场条件）

· 测量天线无需上下扫描

· 大部分情况下采用PK检波

· 场地检验采用SVSWR法

谁的地盘

从RSE的定义可以看出，RSE测量的不仅仅是发信机搞出来的噪声，它覆盖的是整个杂散域，既包含有意发射，也包含EUT中与发信机无关的其它电路的无意发射。

3GPP标准颁布以后，RSE测试成为衡量无线产品EMI性能的重要测试。与此同时，不难发现，RE和RSE测试的考察范围存在着重叠……

（RE测试：你，你抢我地盘~

RSE测试：怪我咯~）

那么该如何给无线产品的RE测试寻找合适的定位呢？

欧盟无线产品标准EN301489系列中，将RE测试明确定义为测量EUT的无意发射，当测到的骚扰噪声来自发信机时，即使超标也会被忽略不计。同时，传统ITE时代RE测试关注线缆等附件的做法也被继承下来，在无线产品的RE测试中，EUT需要带上充电器、耳机等附件，重点考察整体的辐射发射性能——测试甚至可以在EUT不建立通信链接的情况下进行。

回到上期文章开头的那两张图。

测量单位和限值暴露了这两张图的身份——第一张是RSE测试，第二张是RE测试。亲您答对了吗？

不光测试结果看起来相似，实际操作中，RE测试和RSE测试的测试布置往往在外表上看来也傻傻分不清楚：

·       在有些公司的研发测试中，为了加快测试，降低成本，1GHz以下的RE测试也在全电波暗室中进行，仅将测量结果换算到半电波暗室；

·       搭建RSE测试系统的时候，通常采用替代法校准得到固定测试距离下的路径损耗（Tranducer），在这之后，RSE测试就不用再费劲地用替代法一个频点一个频点地测量，而是在保持固定测试距离（例如3m）的情况下扫频进行

。。。。

结果就是，我们表面上看到的RE和RSE测试，越长越像……

（猜一猜，这是RE测试？还是RSE测试？答案在文末）

结语

我们用了两期的篇幅来分别讲述无线产品的RE测试和RSE测试，如果把它们的细节放在一起，不难发现，RSE在测试时间、暗室空间和建造成本以及考察的全面性上，要优于RE测试——以至于ETS和R&S后来都推出了用于RSE预测试的小型屏蔽箱。

疑问自然而生：为什么针对无线产品还需要两个测试项？为什么不在RSE测试中，也将EUT带上附件，然后取消RE测试呢？

这也是我一直以来的疑惑。

在这里，说说我的看法，希望可以抛砖引玉：

·       从技术的角度来说：

如果仅仅基于理论推导的话，1GHz以下RE测试的限值要比RSE更低，也就是说，在衡量1GHz以下频段无意发射的时候，RE测试是更严格的

·       从实际操作的角度来说：

RE测试和RSE测试是由不同标准组织制定的、来源完全不同的两个测试。举个栗子，在国内做认证的时候，RE测试隶属3C，RSE测试属于型号核准，取消一个？呃，当我没说过……

一代人走，一代人来，太阳落下，太阳照常升起。

测试标准的演进是一个缓慢而又不可阻挡的过程，CISPR32取代CISPR22，RED指令取代R&TTE指令……上学时印在课本上的那些老朋友们都慢慢成为了历史。

载体变了，标准怎么可能不变。

5G商用化在即，全球规划的工作频段从20几GHz到80GHz；Tesla电动车autopilot主动雷达系统工作频率77GHz；802.11ad启动60GHz频段……仿佛一夜之间，毫米波频段的众多应用就颠覆了我们对于高频的固有认识。面对如此高的频率，该如何开展电磁兼容研究和测试？现有的电磁兼容场地、设备和测试方法都显得捉襟见肘。就和当初曾经站在1GHz这个临界点前一样，我们又一次站在了频率的奇点前。

新的技术酝酿着一场新的变革，电磁兼容测试标准也不例外。

未来已来，让我们拭目以待。

（揭晓答案：上面那张图里，虽然是全电波暗室、EUT带附件测试，但却真的不是1GHz以上的RE测试。

“为什么不在RSE测试中也带上附件？”——我要说，在已经消失的手机品牌中，有一家业界良心，它的内部测试早就是这么干的啊~）