电磁兼容发射辐射测试中误差校准的新技术

电磁兼容发射辐射测试中误差校准的新技术 艾姆克科技有限公司  杨长杰 产品的电磁兼容测试是电子产品与系统走向市场前必然要经历的一个步骤，在我国已经有越来越多的具有相关资质的实验室可以进行电磁兼容MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714173195797_0测试，但产品的电磁兼容设计是一项复杂的系统工程，需要在产品设计的全过程进行大量的实验与测试工作。因此每次都在标准实验室中进行这些实验与测试是不现实的，同时考虑到建设标准的测试环境所需要的昂贵费用，使得许多用户转而采用一些电磁预兼容测试设备与系统在自己单位进行电磁兼容的测试与评估工作。这样做的好处很多，这里就不再一一列举。本文针对利用预兼容测试设备与系统进行发射辐射测试时可能存在的问题做一些讨论，同时介绍了可以克服这些问题的新技术。 众所周知，测试最基本的目的是获得有意义的同时又是准确而合理的测试结果。因此本文将首先对测试对象的不确定性进行讨论，从而确定预兼容测试环境中最主要的误差来源，之后会对造成误差的两个主要因素既环境噪声与测试环境的失真进行详尽的解释，并给出消除这些误差的方法，文章最后将列出消除误差所必要的一些基本而简单的步骤，及一些基本的仪器与设备，如Laplace公司的ERS（辐射参考源）、SA1000（电磁兼容分析仪）等等，请访问艾姆克公司的网站（www.emct.com.cn）了解更详尽的内容。 在大多数商业与民用的发射辐射测试标准中，都要求采用OATS（开阔场测试）和接收天线在某一距离上进行测试，我们这里所说的标准包括FCC以及绝大多数的EN标准，因为EN55014（GB4343）标准是用于家用电器和手持电动工具，测试时采用的是吸收钳；而EN55015（GB17743）标准是用于照明设备，测试时是采用大型环天线。尽管大家都知道利用OATS进行测试存在问题，有时候甚至看起来是无法克服的，但在世界范围内OATS测试仍然被作为一种标准方法来检查大多数产品的电磁兼容性。 图1：利用OATS测试时引起测量结果具有不确定性的一些因素及其所占比重 从图1中我们可以很容易发现由于测试环境引起的问题是影响测试精度的最主要因素。具体说测试环境引起的问题又分为两个主要方面： ◆ 背景干扰（环境噪声） ◆ 测试环境失真 请注意上面两个因素本身是完全没有关联的，解决每一个问题都需要单独的方法，但事实上，往往在试图解决某一个问题时会使得另外一个问题变得更严重了。比如解决环境噪声问题的一个经典的方法是使用屏蔽室，但这却可能因为屏蔽室内部存在谐振从而导致测试环境中的失真更加严重。 背景噪声往往会引起以下几个问题: ? 如果频率一致的话，EUT的辐射会被背景噪声淹没。 ? 非常强的背景噪声，如FM广播传输信号会在某些低成本频谱分析仪中引起信号压缩并出现错误显示。 ? 背景噪声的不稳定使得发现EUT的辐射非常困难。 测试环境的失真在很大程度上与测试环境（标准测试环境除外）中衰减因子大多是未知的有关，尤其是当测试环境是用户或生产厂家自己建造并用来进行电磁兼容自测试/自校验或是预兼容测试时会表现得更明显。在这种情况下从天线到结果的最终读数间的误差可以做到很小，但EUT所产生的实际辐射与天线实际接收的信号之间的关系却是不确定的，往往在天线的接收端得到的测量值与其实际应该得到的值之间会有超过20dB的失真，要想理解为什么会存在如此之大的潜在误差（事实上往往会是实际表现出来的误差），请参见“糟糕的反射”中的说明。 背景噪声 在实践中我们经常会采用一些技术在有背景噪声的情况下对来自EUT的辐射进行鉴别和测量，所有这些都要求先进行背景噪声测量，然后打开EUT，再区分那些新出现的信号。许多常规的分析仪采用的是手动的方法，也就是由操作人员从峰值列表中标出背景中的峰值以进行消除。但采用这种技术会很烦而且有时是无效的，尤其当EUT产生的是宽带的噪声而不是一系列的峰值时。如果宽带的噪声已经出现在背景中时（这种情况经常出现），要想鉴别这种宽带噪声就更加困难。 第二种技术是获得背景频谱并将其作为背景曲线存到显示屏上，然后EUT开机并扫描得到第二条曲线，从两条曲线的比较中发现新的辐射。但不幸的是这种方法一般来说无法实现，因为比较两条曲线会发现曲线变化往往有90%以上是由于背景噪声的变化引起的。换言之，背景噪声通常都是很不稳定的，因此要采用此种方法就必须要求背景噪声是稳定的。我们公司推出的Laplace公司的设备提供了两种技术来获取稳定的信号： ? 平均值方法 ? 峰值保持方法 每一种方法都是用来在一段时间内检测背景信号，在这段时间内那些间歇的信号也会被捕捉到，测试结果曲线会变得稳定，在EUT开机时频谱的任何变化都可以被确定。比较这两种方法，采用平均值方法被证明是最有效的，但是峰值保持方法的速度比较快，而且当EUT的辐射是断续的或是不连续的时候必须使用峰值保持方法。在获取了两条曲线后，下一个问题是如何才能准确地得到EUT中信号的真实场强。我们用一个例子来说明：如果在某一特定频率点，背景噪声是40dBuV/m，当EUT开机后幅度变为46dBuV/m，那么来自EUT中信号的真实幅度是多少呢？不是6dBuV/m，因为我们处理的是对数值，两个对数相减实际上相当于做除法，我们知道信号如果增加一个数量级，dB值会增加20，而如果信号的场强增加一倍，dB值会增加6。因此对于本例场强从40dB增加到46dB，说明信号强度增加了一倍，即来自EUT的信号的强度也是40dB，这在Laplace的软件中是自动进行计算和显示的。 有一些工程师试图通过求解两个信号之间的相位关系来确定准确的值，但无疑这使得问题变得复杂化了。而且事实上这样做，只有当两个信号的相位具有某种相互锁定关系时或是信号完全相同时才有效，但这种情况发生的几率非常小，以至于我们可以忽略。还有另外一种技术近来也被采用，它要求使用一个双通道分析仪和两个天线并进行同步扫描。一个天线被置于EUT附近，另一个天线则远离EUT，两个天线都将接收背景信号，但只有靠近EUT的天线才能接收到EUT信号。因此如果这两个信号的差值能被计算出来的话，就可以得到EUT的辐射。这个系统应该是很有效的，但显然这要包含一些特别的硬件和一个额外的天线。 测试环境的失真 不期望的反射，不理想的地平面，没有高度扫描和不理想的天线标定都是造成测试环境失真的一些重要因素。过去已经有很多刊物和 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 对那些造成测试不确定性的情况作了较为详尽的讨论，但关于那些在大量的中小型单位或企业中所使用的简易测试环境的测试误差的讨论却极为缺乏。显然这是非常危险的，而且无助于保证用这种测试环境进行标准测试。当然这对于那些非常少的但有极充足预算的单位而言，他们的测试环境不在讨论之列。 糟糕的反射 在理想世界中，我们的测试环境中应该包含一个由非金属线通过虚拟吊环悬挂在开放空间中的EUT和一个距离EUT一定距离（10米）的天线组成，然后我们测量自由空间中的辐射水平，这很容易。但在真实世界中，我们只能在地面上进行测试，问题是因为地平面的存在意味着EUT不再是存在于自由空间中，地平面相当于一个反射器，而且具有不同的反射因子。 反射 一般来说，任何EUT都会向各个方向发射辐射，其中一些在遇到地平面后会被反射，当在远场中测量辐射时，天线接收到的信号就包括直接入射的信号和经地平面反射过来的信号，这是假定我们所选定的测试环境中不包括其它的反射。 图2：地平面的反射 经地平面反射的信号的多少取决于地平面的条件，因此从幅度上看可能在数值上有很大的出入，而且地平面如大地（土壤）的反射系数是随着条件的变化每天都在改变的，这就导致了测试结果的准确性与可重复性也会跟着改变。为克服这一问题，在标准中规定测试环境中要有一个完整而连续的金属平面。 地平面作用条件： 产品测试高度：          0.8m 天线与产品间距离：    3M 极化方向：        水平极化 地平面：              理想金属板 在EUT的下面和EUT与天线之间放置金属板会产生100%的反射，这是一种最恶劣的情况，因为此时的反射是最大的，但至少它还是连续的。反射的效果与频率和直接入射路径与经反射后的入射路径之间的差值有关。如果对于某一个频率点，路径的差值刚好等于半波长，那么两个入射信号刚好反相并相互抵消，这时测得的信号强度会降低20dB。为消除这一现象，在标准中规定天线要被安装到天线架上，并在1至4米范围内调整天线的高度，为每一个频率确定一个高度使得两个入射信号是同相而且是叠加的，并最终在这个高度上对相应的频率进行测量。 图3：频率、天线高度与信号增益/衰减之间的关系 图3中显示了频率，天线高度与信号增益/衰减之间的关系，白色的区域对应增益，暗色的区域代表衰减，如果在干燥的土壤上使用开阔场测试，反射会很小，与此相对应的增益/衰减的作用也会小得多。但不管怎样，如果在邻近区域使用了金属面，比如用金属面填充一个小区域，仍然可以从上面这张图中找到一些理想的测试点！请注意上面这张图的正确性是有条件的，如果极化方向变成了垂直极化，结果就完全不对了。 上面谈到的还是只考虑一个反射的情况，实际上还存在其它很多反射，比如有金属填充的箱体，设备，配线，金属隔离物以及有金属外框的家具，EUT产生的RF信号辐射在这样的环境中产生的反射是非常复杂的。 那么怎样做才能把测试环境中的误差减低到可以接受的范围内呢？有一个新技术可以采用，就是采用经过精确标定的源（辐射参考源）对测试环境进行标定，之后通过软件利用修正因子对EUT的测量结果进行修正，使得测量好象是在理想的测试环境中完成的一样。每一个参考源均是在较好的测试环境中进行测量和修正曲线标定的，在LAPLACE公司辐射参考源即ERS是在伦敦的NPL实验室中进行标定，标定过程包括对地平面，高度扫描等等进行严格地校准，得到的结果包括参考源的修正数据。如果将这个参考源放到另一个理想环境中进行发射辐射测试的话，得到的结果会和标定的数据完全一致。而如果在一个不理想的测试环境中进行测试的话，得到的结果会与标定的数据存在差异，这个差值实际上就是由这个不理想的测试环境和测试系统中的天线和分析仪等因素决定的。从本质上讲，这实际上包含了从一个源产生信号到最终在分析仪上看到结果的所有过程。而完整的标定过程包括： ? 测试环境衰减误差    反射 高度扫描（或未考虑） 地平面（或未考虑） ? 天线因子误差 ? 天线线缆衰减 ? 前置放大器的标定误差 ? 分析仪的增益误差 ? 检波器误差 ? 以及任何可能对结果产生影响的其它因素 我们可以采用两种方法应用这一技术，即手动和自动。所谓自动就是校正数据被预先加载到分析仪中，而对于计算机控制系统，则是计算机中的软件对校正数据进行处理，因此系统就知道将要测试什么样的参考源。在这之后要进行两项操作。 标定操作：    参考源被置于将来EUT要被测量的位置，然后参考源的辐射将被测量，得到的结果再与标定数据进行比较从而计算出校正因子。 校正操作：    利用上步得到的校正因子对EUT测试结果进行修正。 这听起来很简单，但具体实现起来却并不容易，最大的挑战来自于环境噪声，因为上面提到两个操作中环境噪声必然也会被测量和考虑到。我们知道上面提到的过程是对从一个确定位置上（即参考源/EUT所在位置）的信号产生的辐射进行标定，但这一标定并不适用于其他信号，比如从10英里外发射塔上发送的FM广播信号，因此在进行标定之前必须先将所有这些信号剔除掉。Laplace公司的SA1000电磁兼容分析仪自带的软件会自动完成所有这些步骤，用户则看不到这个过程。