構築電磁免疫屏障：高場強輻射抗擾度（EMS）設計的極限挑戰與實務

在當代電磁環境中，電子設備的運作已不再是單純的訊號處理，而是一場在極度擁擠且具備敵對性質的電磁頻譜中的生存戰，隨著 5G、Wi-Fi 7、自駕車雷達以及電動車高壓系統的全面普及，設備必須在維持自身功能的同時，抵抗來自外界極端高功率的衝擊，這類技術範疇被稱為電磁耐受性（EMS）或抗擾度（Immunity），其核心任務是確保設備在暴露於顯著射頻能量下，仍能維持預期功能且不發生效能降級。

對於追求極致可靠性的技術體系而言，輻射抗擾度測試（Radiated Susceptibility, RS）代表了電磁相容性領域中最具挑戰性的環節，這不僅要求系統能產生極高的電場強度（從每米 3 伏特到 200 伏特，甚至在特定軍規或車規下達到每米 600 伏特），更要求這些場強在空間中具備高度的均勻性與頻譜純淨度。

輻射抗擾度的物理本質：從均勻場域（UFA）到能量轉換

輻射抗擾度測試的核心，在於將傳導出的電功率透過天線這個感測器轉換為輻射電磁場，然而，這種能量轉換絕非百分之百有效，且受到物理環境的強烈干擾。為了確保測試結果的科學性，國際標準如 IEC 61000-4-3 定義了均勻場域（Uniform Field Area, UFA）的概念。

空間分佈的嚴苛校正

根據標準要求，測試必須在受測物前方的一個 1.5 米乘 1.5 米的垂直平面上進行精密校正，這項程序要求在該平面上的 16 個預定義點位中，至少要有 75% 的點位其場強誤差必須控制在 0 到 +6 分貝的公差範圍內，實現這一點的物理難度在於天線的輻射場型對稱性，以及測試暗室內吸波材料對於反射波的吸收效能，如果放大器輸出產生過多諧波，或者天線在特定頻率發生增益劇烈波動，均勻場域的條件將會崩潰，進而導致測試數據的失效。

能量轉換中的路徑損耗與補償

在實際的輻射路徑中，能量從訊號產生器出發，經過功率放大器、電纜、切換開關，最後到達天線輻射出去，這中間存在著極為複雜的路徑損耗（Pathloss），特別是在高頻段，電纜損耗與天線指向誤差（Pointing Error）可能導致數十個分貝的衰減，為了維持穩定的場強，系統必須引入閉迴路功率控制（CLPC）技術，透過即時監控放大器的輸出功率並自動進行動態補償，確保最終施加在受測物上的能量精準符合規範。

傳導與輻射測試架構對比，展示了輻射測試中需納入補償計算的關鍵因子（如路徑損耗、天線增益與指向誤差）。

功率放大器的非線性陷阱：1 dB 壓縮點與諧波抑制的權衡

在 EMS 系統中，功率放大器扮演著心臟的角色，為了產生足以影響受測物的強大電場，放大器必須輸出數百甚至數千瓦的功率。然而，放大器的性能並非無限線性增長。

1 dB 壓縮點的物理限制

當輸入功率增加到一定程度後，輸出功率的增加將不再按比例增長，業界公認的線性度指標是 1 dB 壓縮點（P1dB），即實際輸出功率比理想線性輸出低 1 分貝的位置，一旦放大器運作在壓縮區，會產生嚴重的諧波（Harmonics）與交互調變產物。

在輻射抗擾度測試中，非線性失真是一個極其危險的因素，如果放大器產生了高電平的二次或三次諧波，受測物可能會對這些非預期的頻率產生反應，最棘手的情況是，雖然諧波的功率低於基頻，但由於天線在諧波頻率的增益可能更高，實際輻射出的場強反而可能由諧波主導，這會讓測試者無法判斷設備到底是死於預設頻率還是死於諧波干擾，因此頂級的系統設計會堅持使用 P1dB 遠高於實際需求功率的放大器，並要求在全功率輸出下諧波規格仍需優於 -20 dBc。

Class A 與 Class AB 的動態切換技術

傳統上，追求線性度與頻譜純淨度會選擇 Class A 放大器，其具備 360° 的導通角，能最完美地還原訊號波形，但效能較低且熱負載極大；而 Class AB 放大器則在效能與效率之間取得平衡，特別適合精確還原雷達脈衝等突發性訊號，現代先進技術已演進到允許用戶在運行過程中手動或自動調整偏壓點（Bias Point），在 Class A 與 Class AB 之間連續切換，這種靈活性代表同一個硬體可以針對不同的測試目標進行優化：在需要產生純淨連續波（CW）時使用 Class A 模式，而在進行高能量脈衝調變測試時切換至 Class AB 以獲得更好的動態響應與熱穩定性。

電壓駐波比（VSWR）的保衛戰：應對全反射與系統保護機制

在 EMS 測試中，放大器的負載 — 天線 — 是一個阻抗隨頻率劇烈波動的元件，此外當測試如汽車等大型金屬物體時，強大的反射波會透過空氣路徑耦合回天線，進而反射回放大器的輸出端，這種現象透過電壓駐波比（VSWR）來量化。

反射功率的熱威脅與保護措施

高 VSWR 代表著大量的能量無法輻射出去，而是反射回放大器內部的功率晶體，這會產生劇烈的內部發熱，甚至引發晶體擊穿或內部電弧，為了解決這個問題，許多放大器採用了「折返保護」（Foldback）機制：當偵測到高反射功率時，自動降低輸出功率以自保；然而在 EMS 測試中，這是一個致命的副作用，因為功率一旦降低，受測區域的場強就會不足，導致測試失敗或不符合法規要求；頂尖的寬頻放大器技術現在強調 100% 的失配耐受能力，即在 VSWR 為無窮大（如天線開路或短路）的情況下，仍能持續滿功率運行不發生損壞。這種韌性讓測試系統能在面對高度反射的測試環境時，依然強行維持所需的場強水平。

視覺辨識技術在 EMS 監控中的範式轉移

在輻射抗擾度掃描過程中，判定設備是否故障往往是整個測試流程中最主觀且脆弱的一環，傳統上依賴人員透過視窗觀察受測物的指示燈、儀表指針或螢幕畫面。

影像分析與全自動故障偵測

目前的技術趨勢是引入高解析度攝影機結合智慧化視覺檢查軟體，這種技術能透過定義「興趣區域」（Region of Interest, ROI），自動監控受測物的螢幕內容變更、燈號閃爍頻率，甚至是細微的指針抖動。

當受測物受到干擾而產生功能降級時（如螢幕凍結或警報亮起），軟體能即時偵測並與當前的測試頻率、場強數據進行時間戳記連動，這不僅消除了人眼觀察的疲勞誤差，更能自動記錄下故障發生的瞬間影片，為後續的電路除錯提供確鑿證據。這種「機器視覺」與「電磁測試」的跨界整合，是提升實驗室自動化產能的關鍵一步。

5G/6G 時代的頻譜擁擠與未來 RSE 測試趨勢

隨著通訊頻率邁向毫米波段（FR2），輻射雜散發射（Radiated Spurious Emissions, RSE）的測試需求已擴展至 200 GHz，這要求 EMS 與 EMI 測試系統具備更寬廣的頻率動態。

TDS 技術在頻譜掃描中的應用

為了在極寬的頻帶內快速捕捉干擾，時域掃描（Time Domain Scan, TDS）技術已成為主流，相較於傳統步進式掃描，TDS 利用快速傅立葉變換（FFT）能將掃描速度提升數百倍，特別是在處理汽車規格中窄頻（9 kHz 分辨率）的極長時間測量時，能顯著縮短開發週期。

針對汽車及大型電子系統的全合規量測環境，該電波暗室配置高性能寬頻天線與轉盤系統，除了能進行高場強的 EMS 抗擾度測試外，亦可結合時域掃描（TDS）技術大幅縮短 EMI 頻譜捕捉時間，確保系統在複雜電磁環境下的相容性

產品與關鍵組件解決方案

在構築高標準的 EMS 測試平台時，選擇正確的硬體架構是決定量測準確性的基礎，奧創系統整合了 Rohde & Schwarz 的領先技術，提供全方位的一站式解決方案：

R&S TS9982 通用 EMS 測試基座

以 R&S TS9982 為核心，支援 IEC 61000-4-3/6、ISO 11452 及 MIL-STD-461 標準，我們提供從 10 V/m 到 600 V/m 場強的客製化解決方案，整合 BBA 寬頻放大器與 AdVISE 自動監控軟體，確保您的產品通過最嚴苛的抗擾度認證。

R&S BBA 與 BBL 系列寬頻放大器

• BBA130：
  提供可調諧偏壓點（Class A/AB）技術，讓用戶在不同調變需求下靈活調整線性度與效率。
• BBA150：
  覆蓋 4 kHz 至 6 GHz 的關鍵頻段，具備 100% 的 VSWR 抗失配保護能力，是高場強測試的動力首選。
• BBL200：
  採用液冷設計，針對 10 kW 以上的極端功率需求，確保在長時間測試下的熱穩定性。

R&S BBA300 放大器具備 VSWR 6:1 高失配容忍度、連續掃頻以及 SCPI 智慧控制，確保 EMC 實驗室和產線測試的高效與可靠。
 

R&S SMB100B 訊號產生器

R&S SMB100B 類比訊號產生器，提供 8 kHz 至 40 GHz 頻率、高輸出功率與優異訊號品質，具備極純淨的頻譜與領先的閉迴路功率控制（CLPC）功能，確保訊號源的精準度。


 

R&S HL562E ULTRALOG 寬頻天線

支援 30 MHz 至 6 GHz 的超寬頻範圍，單一天線即可執行 EMI 發射與 EMS 抗擾度量測，極大化暗室的運作效率。


 

R&S ELEKTRA EMC 測試軟體

內建全球完整的法規庫，引導用戶自動化完成複雜的均勻場域（UFA）校正與全自動化掃描。

 

R&S AdVISE 視覺檢查系統

透過 AI 影像辨識取代傳統人工監控，實現 100% 客觀且可重複的故障判讀。


 

結語：在頻譜挑戰中構築信任

輻射抗擾度量測技術不僅是一項合規性檢測，更是對電子設備在極限環境下可靠性的深度驗證，透過深入理解放大器的線性特質、精確控制均勻場域的物理分佈，並結合創新的視覺監控技術，我們才能在日益複雜的電磁頻譜中，構築出一道不可逾越的電磁免疫屏障，對於追求極致性能的技術開發而言，一套完整、穩定且具備前瞻性的測試系統，是將產品推向全球市場、贏得用戶信任的最強有力後盾。