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測試與測量  

為WLAN裝置實現預相容性測試

上網時間: 2014年10月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:WLAN  預相容性  相容性測試  認證  混合域示波器 

作者:李驍,Tektronix產品線應用工程師

智慧型產品已漸漸無法滿足消費者的需求。如果想吸引消費者注意,產品不僅要智慧化,還要連網。連網意味著必須在設計中增添無線功能。無線技術為產品帶來了許多新的設計可能,並開始出現在某些不尋常的應用中。

例如,新創公司Velo Labs開發一種採用太陽能提供動力的自行車鎖,可連結到Wi-Fi;當車鎖的動作偵測器感應到自行車可能遭竊時,即自動向自行車車主的智慧型手機傳送警報。此外,Oral-B推出一種採用無線技術的新型智慧電動牙刷,它會擷取與使用者刷牙習慣有關的資訊,從而成為牙科記錄的一部分。但這到底算不算好事還有待消費者來評判。

當然,其意義是在貨架上、在工作中或想像中的數千種產品將得以採用某種低功率的無線功能,滿足消費者的需求,或者可能成為所謂‘物連網’的一部份。

對於這些連網需求而言,極具挑戰性的部分是產品製造商必須瞭解如何在產品中增加無線功能,但許多製造商幾乎沒有射頻(RF)經驗。最常用也最實用的方法是在設計中直接採用預封裝的WLAN模組。因此,儘管WLAN模組市場目前正以兩位數的速度強勁成長,未來預計還會持續成長當然也不足為奇。

雖然使用無線模組可消除許多技術問題,如圖1所示,但還必須進行其他決策。最關鍵也最棘手的任務是確保最終產品滿足複雜的FCC和國際法規要求。相容性測試就像無窮盡的測試,耗費時間長,而在產品開發的階段測試失敗還可能導致昂貴的重新設計以及耽誤產品推出。

因此,正如流程圖的第6步驟顯示,法規預相容性檢查對於避免這些最壞情境而言至關重要。幸運的是,設計人員可以在內部使用經濟、熟悉的測試設備來執行預相容性測試,確保採用無線技術的產品擁有極高的機率可在第一次就通過相容性測試。其目標是提前發現潛在問題,降低相容性測試階段高昂的測試失敗風險。

使用無線模組降低了設計複雜度,並確保在設計階段通過法規相容性測試
圖1:使用無線模組降低了設計複雜度,但也涉及許多重要步驟,最關鍵的是確保在設計階段通過法規相容性測試。

從第一次無線傳輸開始,頻譜輻射就一直是設計工程師關注的課題。世界各地的法規機構都設定了輻射程度極限,並規定相容性測試的量測方法。產品必須完成正式認證後才可銷售,而且必須在獨立實驗室完成,每天成本約為5,000-10,000美元,這筆金額還未包括差旅費和其他開支。

使用市面上的模組,即使是已經自行認證的模組,也不一定能使獲得認證的工作有效提升便利性,這是因為還必須測試和檢驗組裝成品的品質。包括PC電路板佈線、天線設計和方向或系統互動等設計問題也可能導致產品無法滿足認證要求。

設計人員利用儀器可以輕鬆地在設計階段發現這些問題。這些儀器不僅讓設計人員可在自己的測試台上執行完整的預相容性測試,還能協助設計人員找出可能導致產品無法通過測試認證的問題及其根本原因。

預相容性測試與全面相容性

在無線模組系統整合後將進行預相容性測試,以確定設計中的任何問題區域。預相容性測試不一定要符合每一項國際標準,因為目標只在於發現潛在問題,減少在昂貴的相容性測試階段發生測試失敗的風險。使用的設備也不一定包括標準所要求的每項功能與規範,如果測試結果運用足夠的餘裕,其準確度和動態範圍可能低於滿足標準的接收器。

擁有通用濾波器和偵測器的通用頻譜分析儀是預認證和EMI放射測試的很好入手點。但是,在進行更完善的分析時,最好使用WLAN專用測試和認證解決方案,支援IEEE 802.11標準的全系列測試和分析。特別是以混合域示波器為基礎並與向量訊號分析軟體結合的解決方案,可讓設計人員將時域中的事件與頻域分析進行關聯,快速辨識可能導致產品認證失敗的問題。例如,時域中只有在喚醒過程中發生的突波可能在頻域中導致頻帶外輻射。

一個常見的問題通常涉及如何比較全面相容性測試使用的準峰值(QP)偵測器,以及預相容性測試使用較簡單的峰值偵測器。實際上,在開始測試時,外部實驗室一般先使用簡單的峰值偵測器進行掃描,查找超過或接近規定極限的問題區域。對於接近或超過極限的訊號,則將會執行準峰值量測。

準峰值偵測器是EMI量測標準規定的一種特殊偵測方法。準峰值偵測器用於偵測訊號封包加權後的峰值(準峰值),並根據訊號持續時間和重複率對訊號加權。與偶發脈衝相較,訊號發生的頻率越高,準峰值量測資料就越高。

這個實例說明峰值和準峰值偵測對8us脈寬和10ms重複速率的訊號的影響。
圖2:這個實例說明峰值和準峰值偵測對8us脈寬和10ms重複速率的訊號的影響。準峰值比峰值低10.1dB。

一個良好的法則是準峰值將始終小於等於峰值偵測,永遠不會大於峰值偵測。因此,可以使用峰值偵測進行EMI疑難排解和診斷。但並不需要精確到EMI部門或實驗室掃描程度,因為這些都是相對的結果。如果實驗室報告使用準峰值偵測器顯示設計超出3dB,峰值偵測顯示超出6dB,選擇所需執行的增補程式,將訊號降低-3dB或以上。

預相容性測試技術

全面EMI相容性測試實驗室中使用EMI接收器以及經過校準的天線,在3公尺或10公尺距離測試電子裝置。換句話說,量測在遠場中完成。在本質上,遠場測試可以準確地區分產品整體上是通過測試或測試失敗,但無法指出問題的來源。在僅使用遠場測試時,使用者無法將問題隔離到具體裝置或位置,例如在打開金屬主機殼時‘洩漏’出太多的射頻能量,也無法協助辨識放射出太多射頻能量的電纜。近場測試是定位此類輻射來源的唯一途徑,一般使用頻譜分析儀和近場探棒執行近場測試。

圖3所示的EMI近場探棒是一種電磁拾取裝置,用來擷取感興趣區域的電場(E)或磁場(H),與頻譜分析儀一起使用。製造商提供了成套探棒,在尺寸、靈敏度和頻率範圍之間達成最佳的平衡,工程帥可能需要工具箱中所有尺寸才能解決問題。選擇磁場探棒還是電場探棒可能取決於訊號在設計中的位置、訊號源特點(電壓或電流)等等。例如,存在金屬遮罩可能會抑制電場,在應用中如必須使用磁場探棒,則使用近場探棒拾取待測物附近的訊號。

近場探棒用於找出非預期的射頻輻射位置。
圖3:近場探棒用於找出非預期的射頻輻射位置。

電壓探棒與示波器和頻譜分析儀一起使用,直接連接到感興趣的電路上。傳統示波器探棒可以與頻譜分析儀一起使用,視探棒的阻抗而定,可能導致靈敏度減損。例如,將一只500ΩZ0示波器探棒連接到一台50Ω頻譜分析儀上,會導致10:1分路器以及頻譜分析儀輸入的訊號下降20dB。但是,在直接連接電路時,訊號通常很大,即使訊號位準下降,頻譜分析儀仍能看得見。此外,頻譜分析儀的基準雜訊和靈敏度一般要比示波器更好幾個量級,因此探棒損耗很少成為限制因素。電壓探棒必須直接連接到電路上,才能拾訊號。

(下一頁繼續:預相容性測試的三個基本步驟)


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