光收发模块EMC技术要求与测量方法研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究报告要点 本研究课题对 光收发模块 EMC 技术要求与测量方法进行研究，内容包括： EMC 研究背景 ； 光 收发 模块 EMC 技术要求 ； 光收发模块 EMC 测试 方法 。 （ 传送网与接入网技术工件委员会光器件工作组 ） 研究单位： 烽火科技 集团 有限公司 、 中兴通讯股份有限公司、武汉华工正源光子技术有限公司、深圳新飞通光电子技术有限公司、海信集团有限公司 项目 负责人：宋梦洋、 江毅 项目 参加人： 周芸 、 曹丽、 武成宾 、 刘王来 、 陈悦、 张华 完成日期： 2017 年 8 月 30 日 目 次 1 引言 . 1 2 缩略语 . 1 3 光模块的 EMC 研究背景 . 1 4 光模块 EMC 技术要求 . 2 4.1 EMC 概述 . 2 4.2 EMI 技术要求 . 3 4.3 EMS 技术要求 . 6 4.3.1 辐射抗扰度技术要求 . 6 4.3.2 静电抗扰度技术要求 . 7 5 光模块 EMC 测量方法 . 7 5.1 辐射发射测试 . 7 5.1.1 测试系统 . 7 5.1.2 测试方法 . 9 5.2 辐 射抗扰度测试 . 10 5.2.1 测试系统 . 10 5.2.2 测试方法 . 11 5.3 静电抗扰度测试 . 11 5.3.1 测试环境 . 11 5.3.2 测试系统 . 12 5.3.3 测试方法 . 12 6 总结 . 13 参考文献 . 14 1 光收发模块 EMC 技术要求与测量方法研究 1 引言 科学技术的发展日新月异，汽车、计算机、 家用电器 等 电子 设备大量存在于我们的生活环境中，这些新科技在为人类的发展做出了巨大的贡献的同时，也为人类带来了大量非必要的电磁能量 。 有专家曾经断言新科技导致的电磁能量将 以每年 7 14的速度增长 1。最近十年随着电信业的高速发展，我国的电信网已经成为世界上数一数二的通信网络。在有限的时间、空间和有限的频率资源下，电子通信设备的 数量与日俱增，使用的密度越来越大，通信的发展进一步复杂了电磁环境 ，通信 网络 设备 的电磁兼容特性已经逐渐成为国家 公众网 的先进性、安全性、可靠性的基本要求 2。 现阶段 随着“物联网”的发展和云运算的部署，对网络带宽的需求越来越大。光 通信 网络 设备 的快速发展，带动了 光 收发 模块 （以下简称“光模块”） 的发展 。 系统对于光模块提出了发展方向 高速率， 小型化，集成化 及高密度化应用 ， 而这些 要求也将光模块的 电磁兼容 特性更加 复杂化 了 。 近几年 在光模块 的开发 过程中， 光模块 电磁兼容特性 方面 的问题不断暴露， EMC甚至 成为了一个制约了产品研发周期的新的瓶颈，部分产品因为 EMC的问题延迟 1-2年发布。 因此，光模块的电磁兼容技术要求和测量方法 的研究 非常必要。 2 缩略语 下列缩略语适用于 文件 。 EMC 电磁兼容性 （ Electromagnetic Compatibility） EMI 电磁干扰（ Electromagnetic Interference） EMS 电磁敏感（ Electromagnetic Susceptibility） ESD 静电放电 （ Electrostatic Discharges） HBM 人体放电模型（ Human Body Model） HCP 水平耦合板 （ Horizontal coupling plate） ICT 信息和通信技术 (Information and Communication Technology） MUT 待测光模块（ Module Under Test） ONT 光网络终端 （ Optical Network Terminal） VCP 垂直耦合板（ Vertical coupling plate） 3 光模块 的 EMC 研究背景 随着 物联网 和 智能城市 的发展 和 应用， 各种通信设备 逐渐 增多 ， 光模块作为其中的重要部分，广泛 应用 于数据 中心 ，通信设备等场所， 与各种民用 /军用通信频段，电子产品等构成了一个庞大复杂的电磁 环境 。 在数据中心场景中，大量的光模块、服务器和其它设备之间构成了一个小的电磁环境，在这个环境中，光模块的对外辐射会对其他光模块 /服务器形成干扰，同时也受到其它光模块 /服务器对自身的干扰， 2 相互之间的关系见图 1。如何将这种相互之间的干扰降到最低，对于光模块电磁兼容特性的研究和控制是不可或缺的。 图 1 电磁环境下各设备之间的关系 随着 4G的全面铺开和 5G通信时代的到来，通信频率上限也越来越高 ，最高 甚至 会达到 40GHz,各国 5G频段 规划 见图 2。 而现在 光模块 的 工作主频 也高达 25GHz及以上 ， 而这会 与 5G部署的相关频段形成相互干扰 。 因此 高频光模块的 电磁兼容特性 和 测试 的研究也需要提上日程。 图 2 各国 5G通信频段 光模块在场景 应用 中 有个 两个 特殊 现象 ： 一是高速率，一是 高密度。 光模块的高速率 超出了部分 EMC标准规定的测试上限 ，原有的 EMC测试系统无法准确的对光模块的 EMC特性进行定量的测试。 光模块的 高密度也带来了 一个 EMC问题， 不同系统中的 光模块数量和 密度 的不同 ， 系统的 EMC特性差别很大。 因此 ， 光模块 的 EMC特性研究主要在两 个方面：一是 建立符合光模块特点的测试系统和测试方法；二是建立一个完善有效的光模块技术要求，指导光模块的 EMC特性设计。 4 光模块 EMC 技术要求 4.1 EMC 概述 根据辐射对 于 设备功能实现的作用可以分为无意辐射设备和有意辐射设备 3。光模块不是通过辐射来实现功能，因此光模块属于无意辐射设备。 3 光模块的 EMC特性分为 EMI特性和 EMS特性 两方面 。其中 光模块 对外的 辐射 影响 就是光模块的 EMI特性。光模 块对于 辐射 的免疫性 就是光模块的 EMS特性。 EMC一般由 三要素 构成： 干扰源、耦合通道和敏感源 4。 EMI研究对象主要包括干扰源和耦合通道，对干扰源 的研究主要集中在 其 的 发生机理，以便从源端抑制干扰能量的 产生 ；对耦合通道的研究主要是根据传输 路径。 传输 路径 一般有两种 ：一是自由空间；二是互连线。对于辐射发射 ，其传输路径 就是空间，通常采用屏蔽技术来阻断 路径 ；而传导发射通常通过地线、电源线和互连线，所以研究方向就在各种导线上面 5。 EMS的研究对象主要包括敏感源和耦合通道，耦合通道的研究与 EMI的类似，对敏感源的研究 主要集中在 如何提高自身的抗干扰能力， 降低 干扰源 对其工作特性的 干扰 。 图 3 EMC的特性图 根据 光模块 工作的特点来看其对 外界耦合 的途径可能有 三个 ：供电 线路 ； 光纤 ； 空间（ 高频 ） 。因为光模块在工作中其信号传输介质采用的是不会传导辐射的光纤， 并且光模块属于低压供电，没有与 交流 供电网络相连 。 所以 光模块的对外连接的 光纤和供电线路 上的耦合可以 忽略 ，只有空间是光模块主要的耦合路径。 当研究 光模块 的 EMI特性时 ， 光模块 是干扰源，耦合通道 是 空 间 ，与 光模块 在同一环境中的其他设备就是敏感源；而如果研究 光模块 的 EMS特性的 时候， 耦合通道还是空间 ， 光模块 变成了敏感源，而与 光模块 在同一环境中的其他设备变成了干扰源。 因此，在进行 光模块 EMC特性 研究 的时候 有两个重点：一是对于作为干扰源 /敏感源的电路，二是耦合通道上的光模块 管壳， 特别要注意的是 管壳作为防护部件是需要接地的， 未 良好 接地的管壳反而会成为一个新的干扰源 6。 从 光模块的 工作特点分析 ， EMI特性 仅 需要进行空间 相关 的辐射测试，对应的 EMI测试项目是：辐射发射 ； EMS特性 需要进行空间的辐射干扰测试 ，又 因为 光模块 有部分 管壳 往往 突出于系统之外 。 ESD特性 也 需要进行评估 。 因此光模块的 EMS测试项目 包括 辐射抗扰度，静电抗扰度。 故光模块的 EMC特性 需要通过三个项目的测试来评估 ：辐射发射测试，辐射抗扰测试， ESD抗扰测试。 4.2 EMI 技术要求 光模块 的 EMI测试项目是辐射辐射 测试 。 因为 光模块的工作主频比较高，测试限值参考 CISPR 32和FCC Part15两个标准进行 设定， 一般 采用 3m法 测试的限值要求 ，对应的测试限值见 表 1，表 237，其中测试频率上限选择 40GHz和工作主频的 5倍值两者中较小的值 。 当依据测试限值进行光模块测试结果的符合性判定时， 必须考虑测试设备和设施引入的不确定度。根据 实验 室的 实际 不确定度 （ Ulab） 与 CISPR规定的不确度 (UCISPR)之间的比较结果可分为两种 8： 干扰源 耦合途径 敏感源 EMI 减少源的发射 减低传播效率 EMS 提高源的抗扰 减低传播效率 空间 /导线 4 当 Ulab小于或等于 UCISPR时 ，则： 如果测试结果不超过测试限值要求，则判定为 符合 ； 如果测试结果超过规定的测试限值要求，则判定为不 符合 。 当 Ulab大于 UCISPR时 ，则： 如果测试结果加上（ Ulab-UCISPR）后不超过测试限值要求，则判定为符合； 如果测试结果加上（ Ulab-UCISPR）后超过测试限值要求，则判定为不符合 。 表 1 1GHz 以下辐射发射限值 频率范围（ MHz） 准峰值限值 （ dBV/m） A级 B级 30 230 50 40 230 1000 57 47 注 1： 在 过渡频率（ 230MHz）处应采用较低的限值； 注 2： 当出现环境干扰时，可采取附加措施 。 表 2 1GHz 以 上辐射发射限值 频率范围（ GHz） 平均值限值（ dBV/m） 峰值限值（ dBV/m） A级 B级 A级 B级 1 3 56 50 76 70 3 40 60 54 80 74 注： 在 过渡频率（ 3GHz）处应采用较低的限值。 现阶段这个测试技术要求有两个问题： 一是 由于 海量数据传输的需要 ， 对光模块提出了 50G甚至更高的主频要求， 现有的 测试技术要求 无法对 未来高速光模块 进行 准确的 测试 评估。 二 是因为该技术要求是 通用性 的 ，单个 光模块 和系统盘 的辐射发射测试 都是参考这个要求，那么会造成单个 光模块 的辐射发射是符合要求的， 但是通信系统的 测试结果是失效的；或者是各系统 商 的系统盘设计的不同， A系统商 的通信系统 测试通过，但是在 B系统商的 通信系统 测试不通过。 对于 高速光模块主频不断提高的 问题， 早期 EMC设备厂商认为民用的通信频段一般较低（军用通信频段保密 未知 ），即使现在 5G通信技术的最高频率也不会超过 40GHz，现在成熟的辐射发射测试系统能够 在一定程度上 评估 产品对于通信频段的影响，所以在前期相关 测试 技术和标准的的更新相对缓慢。 但是现在 随着移动互联网、云计算以及大数据的兴起，及宽带中国战略和 4G建设的实施，持续海量数据的产生，光模块的频率发展迅猛， 各 国 标准委员会和设备厂家也重视起来。 国际无线电干扰特别委员会 的 CISPR I在 2016年 4月的 WG2会议上重启了引入 6GHz以上限值的讨论，2016 年 10月 CISPR 年会 上再次进行讨论，会上代表发言中给出了很多高速 ICT产品（家庭路由器、 核心网路由器、交换机、 ONT）有较高工作频率的实例，有些可能会干扰 5G的候 选频段；并指出 ICT产品不断向高速率发展， 2019年会有工作频率超过 40GHz的产品出现，因此非常有必要进行相关标准的研究。5 同时 国际无线电干扰特别委员会 也在各工作组布置了测量方法及设备研究，高频干扰模型研究。与此同时 EMC设备厂商也联合相关通信设备商在新设备的开始进行研究，也有了一定的进展。 接收机：暂无厂商开发高频段的接收机，但是可以通过频谱仪来替代接收机进行测试。频谱仪有两种类别，一类是 85GHz的频谱分析仪。另一类是通过变频仪将频谱仪的频率上限进行扩展，现在最高的可以扩展到 500GHz，缺点是不是连续 频段，不同频段需要不同的变频仪，相关设备图见图 4。 图 4 高频频谱仪及变频器 天线：现在有 实验 室内的在研的天线及配套系统测试频率上限可以达到 70GHz左右，但是暂时还没有找到相关具体资料。 暗室： 通过全波 暗室 来模拟自由空间进行测试 。 总之，对于高频光模块可以通过一些新型设备来进行其对外辐射的测试，同步 支持和 推进相关 40GHz以上频段的 辐射限值 技术要求 的研究。 而 对于 模块密度化应用导致的 EMC难评估的 问题 。各模块厂商和系统商开始启动相关研究， 如何 将单个光模块与 密度化的 光模块 （通信系统） 之间的 EMC特性测 量如何关联起来 。 这个研究 的方向有两种：一是进行多源 辐射在测量天线处 场强叠加研究 ，这个需要通过大量研究进行建模，这是一个 长期的工程；二是 通过设计 减少 产品本身的 辐射场强 ，这个是现阶段比较容易见效的方案 。 对于提高产品本身的裕量，可以通过下面 两个 方面来实现 : 建立专门的 EMC测试夹具来统一和优化光模块的 EMC测试环境 。 某厂家的 EMC测试夹具 见图 5，后续章节将会对其一些基本技术要求进行简单介绍 ； 图 5 某厂家 光模块 EMC测试夹具图 建立更严苛的限值技术要求，也就是减少产品本身的辐射强度。各生产或系统厂商分别 针对不同的使用环境定义了各自的辐射限值要求，例如某光模块厂家将 EMC的测试峪量内控在 6dB来进行应对。根据各种资料收集到的一些辐射限值控制要求见表 3。 当产品的辐射强度降到一定程度时，特别是产品主频在 18GHz以上，因为测试环境中的本底噪声较大，会出现测试结果不准确或无法得到具体辐射强度的现6 象。解决这个问题的方法可以参考 FCC系列的标准，减少接收天线和待测样品之间的测试距离， 现在比较典型的时 1m法测试系统，通过减少待测光模块与天线之间的距离，从而 增强天线接收 到 的信号强度，然后通过 20dB/十倍程这个经验公式来 进行各主要频点测试结果的换算。 表 3 各厂家内控辐射限值要求 满配光模块个数 频率 限值（ dBV/m） 相对于 B级限值（ dBV/m） 裕量（ dBV/m） 64 1G 3G 41.9 50 8.1 3G 40G 45.9 54 8.1 48 1G 3G 43.2 50 6.8 3G 40G 47.2 54 6.8 4.3 EMS 技术要求 4.3.1 辐射抗扰度技术要求 光模块辐射抗扰度测试的 技术条件如下 ： 辐射抗扰度 测试频率根据工作场景在 80MHz 6GHz 频率范围内选择，试验场强见表 49。 表 4 光模块辐射发射抗扰度试验场强 等级 试验场强 （ V/m） 1 1 2 3 3 10 4 30 x 特定 注： X 是一开放的等级，可在具体的产品规范中规定。 光模块辐射抗扰度测试中会有不同的表现，根据不同的表现对光模块进行了分级 ： a类：光模块正常工作，且工作状态没有变化 ； b类：出现误码， 但在骚扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预； c类：出现误码或停止工作， 需操作者干预才能恢复 ； d类：光模块无法正常工作。 光模块在辐射抗扰度试验中会根据 模拟的 场景在选择不同试验条件，对应 的试验要求如表 5： 表 5 光模块辐射发射抗扰度试验要求 试验要求 试验条件 1 试验条件 2 试验条件 3 频率范围 80MHz 1000MHz 80MHz 2700MHz 80MHz 6000MHz 试验场强 10V/m 15V/m 幅度调制 80%幅度调制 （ 1kHz 正弦波 ） 试验判据 a 类 注：当光模块工作环境中无 WIFI 信号存在时，选择试验条件 1；有 WIFI 信号存在且工作在 2.4GHz 频段时，选择试验条件 2； WIFI 信号存在且工作在 5GHz 频段时根据 WIFI 信号频率进行工作条件 3；