傳導(dǎo)抗擾度測試的信號電平控制方法

楊先望 秦夏臻 劉 麒/上海市計量測試技術(shù)研究院 上海市電磁兼容重點實驗室

0 引言

射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗是衡量電氣和電子設(shè)備抗擾度性能的重要項目之一，該試驗的騷擾源通常是指來自射頻發(fā)射機的電磁場，該電磁場可能作用于連接安裝設(shè)備的整個電纜上。通常情況下，被測設(shè)備的尺寸要比騷擾頻率的波長短得多，而設(shè)備的引線（包括電源線、通信線和接口電纜等）的長度則可能與騷擾頻率的幾個波長相當(dāng)，成為無源的接收天線網(wǎng)絡(luò)，這些引線就會通過傳導(dǎo)方式對設(shè)備產(chǎn)生騷擾[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電氣和電子設(shè)備的日益普及，電磁場騷擾幾乎無處不在。為了保證電氣和電子設(shè)備使用的安全性和可靠性，國際上制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-6:2008，以便定性分析由射頻騷擾對設(shè)備產(chǎn)生的影響，為電氣和電子設(shè)備的傳導(dǎo)抗擾度試驗提供了依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)給出了射頻傳導(dǎo)抗擾度測試的試驗方法，并對試驗等級、耦合方式以及試驗設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。但在該標(biāo)準(zhǔn)中，沒有對測試中信號電平控制的具體方法進(jìn)行描述。而信號電平控制的好壞直接決定了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，因此，如何提高測試中信號電平控制的準(zhǔn)確度，是傳導(dǎo)抗擾度測試需要重點關(guān)注的問題。

1 傳導(dǎo)抗擾度的測試方法

傳導(dǎo)抗擾度的測量方法是使被測設(shè)備在騷擾源作用下形成的電場和磁場來模擬來自實際發(fā)射機的電場和磁場，這些騷擾場（電場和磁場）是由試驗裝置所產(chǎn)生的電壓或電流所形成的近區(qū)電場和磁場來近似表示的。

針對不同的被測設(shè)備，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000—4-6：2008給出了兩種常用的測試方法：耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)(CDN)注入法及電磁耦合鉗注入法，一般優(yōu)先選用耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)(CDN)注入法。如圖1所示，用耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)提供騷擾信號給某一電纜，同時保持其他電纜不受影響，只近似于騷擾源以不同的幅度和相位范圍同時作用于全部電纜的實際情況。

圖1 傳導(dǎo)抗擾度測試的示意圖(CDN注入法)

圖1中的T為端接的50 Ω負(fù)載，T2為功率衰減器(6 dB)，而CDN為耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)。試驗中由測試信號源提供騷擾信號，注入到耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端，通過電纜對被測設(shè)備施加騷擾。

測試信號源包括在所要求點上以規(guī)定的信號電平將騷擾信號施加給每個耦合網(wǎng)絡(luò)輸入端口的全部設(shè)備和部件，通常由射頻信號發(fā)生器、寬帶功率放大器和功率衰減器(6 dB)組成。信號發(fā)生器應(yīng)能覆蓋所規(guī)定的頻段,有調(diào)幅功能,能自動或手動掃描,掃描點上的留駐時間可設(shè)定,信號的幅度可自動控制。當(dāng)信號發(fā)生器的輸出功率不足時，需要加功率放大器。而6 dB衰減器是為了減少功率放大器至耦合網(wǎng)絡(luò)間的失配程度，安裝時應(yīng)盡量靠近耦合網(wǎng)絡(luò)。

實際試驗中，如果被測設(shè)備不適用耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)注入法，可以考慮使用電磁耦合鉗注入法，試驗方法與CDN注入法基本類似。試驗布置如圖2所示，T為端接的50 Ω負(fù)載，T2為功率衰減器(6 dB)，而CDN為耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)。與CDN注入法不同的是，對鉗注入裝置，耦合和去耦功能是分開的，由注入鉗提供耦合，而去耦功能是建立在輔助設(shè)備上的[1,2]。

圖2 傳導(dǎo)抗擾度測試的示意圖(鉗注入法)

校準(zhǔn)時，試驗信號發(fā)生器應(yīng)連接到耦合裝置的射頻輸入端口，耦合裝置的被測設(shè)備(EUT)端口通過串聯(lián)100 Ω阻抗連接到輸入阻抗為50 Ω的測量儀上，輔助設(shè)備(AE)端口則端接150 Ω阻抗，如圖3所示。信號發(fā)生器的內(nèi)阻為50 Ω，在耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)中連接到信號發(fā)生器側(cè)的輸入阻抗為100 Ω，圖4給出了信號電平校準(zhǔn)的等效原理圖[3]。

注：U0 — 試驗電壓，Umr — 測量電壓。試驗時，為使測試的誤差為最小，信號發(fā)生器的輸出電平是

圖3 信號電平校準(zhǔn)的示意圖

圖4 信號電平校準(zhǔn)的等效圖

2 影響信號電平穩(wěn)定度的原因

試驗中，信號源輸出電平的穩(wěn)定性決定了傳導(dǎo)抗擾度測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，IEC 61000-4-6:2008給出了傳導(dǎo)抗擾度的試驗等級(見表1)。測試前，必須進(jìn)行耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)，使信號電平達(dá)到所要求的試驗等級。而實際測試中，大多數(shù)情況下會先對耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校準(zhǔn)，由軟件保存校準(zhǔn)參數(shù)，在以后的一段時間內(nèi)都會調(diào)用該校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行傳導(dǎo)抗擾度測試。但是由于校準(zhǔn)和測試時的環(huán)境以及儀器設(shè)備狀況的不同，會使信號電平存在誤差，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在傳導(dǎo)抗擾度測試中，功率放大器的穩(wěn)定性對測試結(jié)果有著較大的影響。比如功率放大器開機后立即進(jìn)行測試，增益值還未達(dá)到穩(wěn)定，就會導(dǎo)致輸出功率存在誤差。另外，測試中所用的功率放大器大多是增益可調(diào)節(jié)的，由于人為等因素，功放增益的調(diào)節(jié)會有一定的偏差，導(dǎo)致實際增益值的不同，從而影響注入到耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)的信號電平的準(zhǔn)確性。

表1 試驗等級

下文通過實驗對信號電平的誤差進(jìn)行分析。實驗中使用的耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)為CDN-M3。首先對CDN-M3進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)電壓分別為3 V和10 V，調(diào)整功率放大器的增益位置，通過軟件記錄并保存信號發(fā)生器的輸出功率，表2和表3分別給出了頻率 為 0.15 MHz、0.5 MHz、1 MHz、2 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz、50 MHz、80 MHz時 3 V 和 10 V的校準(zhǔn)參數(shù)，包括信號發(fā)生器的輸出功率值和校準(zhǔn)電壓值。

信號電平校準(zhǔn)完成后，以3 V和10 V為試驗電壓分別進(jìn)行3次傳導(dǎo)抗擾度測試，每次測試時都將功放增益調(diào)至校準(zhǔn)時所在的位置(見圖5)，然后根據(jù)上述CDN-M3的校準(zhǔn)參數(shù)，調(diào)整信號發(fā)生器的輸出功率，由測量儀得到測量電壓Umr，再根據(jù)關(guān)系式(1)求出試驗電壓值U0，記錄在表4和表5中。

通過對表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)頻率為80 MHz時，第2組數(shù)據(jù)的實際電壓值僅為2.45 V，與試驗的目標(biāo)電壓相差了0.55 V，有18.3%的誤差值。由表5可知，頻率為80 MHz時，第2組數(shù)據(jù)的實際電壓值為8.18 V，與目標(biāo)電壓相差了1.82 V，誤差值為18.2%。而這幾組數(shù)據(jù)在其他頻率上的實際值也有一定的誤差。由此可見，在進(jìn)行傳導(dǎo)抗擾度測試時，如果只通過控制信號發(fā)生器的輸出功率來決定試驗的信號電平，那么由于儀器設(shè)備的不確定度，特別是功率放大器自身的不穩(wěn)定性，以及功放增益調(diào)節(jié)的偏差，都會使測試結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。

表2 CDN-M3信號電平的校準(zhǔn)參數(shù)(校準(zhǔn)電壓為3 V)

表3 CDN-M3信號電平的校準(zhǔn)參數(shù)(校準(zhǔn)電壓為10 V)

表4 測試電壓的實際值(試驗電壓為3 V)

表5 測試電壓的實際值(試驗電壓為10 V)

3 信號電平控制方法的改進(jìn)

通過對上述實驗的分析表明，功率放大器的增益誤差會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，對于傳導(dǎo)抗干擾能力處于零界點的被測設(shè)備，可能由于增益誤差，影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于試驗電壓由信號發(fā)生器的輸出功率所決定，該功率值位于功率放大器的前端，功率放大器增益的不穩(wěn)定性就會導(dǎo)致功放的輸出功率值存在誤差。但是，如果校準(zhǔn)和測試時是通過功率放大器的輸出功率來控制試驗的電壓值，就可以較好地消除增益的不確定度所帶來的誤差影響。

對傳導(dǎo)抗擾度測試的信號電平控制方法進(jìn)行改進(jìn)，在功率放大器的輸出端口增加一個定向耦合器，通過功率計監(jiān)測功率放大器的前向功率（如圖5所示）。信號電平校準(zhǔn)時，軟件同時記錄下信號發(fā)生器的輸出功率和功率放大器的前向功率。

圖6和圖7分別給出了CDN注入法和鉗注入法監(jiān)測前向功率的測試示意圖。測試時，通過軟件控制信號發(fā)生器輸出信號電平，由功率計監(jiān)測功率放大器的前向功率，如果測試時的功放增益和校準(zhǔn)時的功放增益發(fā)生了偏差，導(dǎo)致功率放大器的前向功率大于或者小于校準(zhǔn)時的前向功率，此時軟件就會調(diào)整信號發(fā)生器的輸出功率，直至功放的前向功率達(dá)到校準(zhǔn)值。這樣就可以消除功放的增益誤差對測試結(jié)果的影響，甚至校準(zhǔn)和測試時使用不同的功率放大器，也不會影響測試結(jié)果，保證了注入到耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)的信號電平的準(zhǔn)確性，提高了傳導(dǎo)抗擾度測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 信號電平校準(zhǔn)的示意圖(監(jiān)測前向功率)

圖6 CDN注入法的測試示意圖(監(jiān)測前向功率)

圖7 鉗注入法的測試示意圖(監(jiān)測前向功率)

4 結(jié)語

近年來，隨著市場經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國許多企業(yè)加強了與世界各國企業(yè)的合作交流，大多數(shù)進(jìn)出口的電子產(chǎn)品都必須通過電磁兼容檢驗，導(dǎo)致射頻傳導(dǎo)抗擾度的測試越來越重要。本文介紹的對傳導(dǎo)抗擾度信號控制方法的改進(jìn)在實際應(yīng)用中有著重要的意義，可以提高實驗室在傳導(dǎo)抗擾度測試領(lǐng)域的研究能力，同時為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如IEC 61000-4-6的后續(xù)修訂提供了技術(shù)儲備。

[1] International Electro technical Commission. IEC 61000-4-6 [S].Geneva, 2008.

[2] International Electro technical Commission. CISPR 16-1-2 [S].Geneva, 2004.

[3] 蔡文江, 葉瓊瑜, 錢楓. 論傳導(dǎo)抗擾度測試配置模型的充要條件(下) [J]. 安全與電磁兼容, 2011（4）：60-62.