信號(hào)完整性在電磁兼容測(cè)試中的應(yīng)用

史鎖蘭

（工業(yè)和信息化部電信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

信號(hào)完整性在電磁兼容測(cè)試中的應(yīng)用

史鎖蘭

（工業(yè)和信息化部電信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

傳輸環(huán)境的阻抗不匹配可導(dǎo)致傳輸信號(hào)反射，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，引起信號(hào)完整性問(wèn)題。為此，通過(guò)電磁兼容測(cè)試實(shí)例來(lái)分析信號(hào)完整性在電磁兼容測(cè)試中的重要性，提出新的測(cè)試方法。

信號(hào)完整性；電磁兼容；時(shí)域反射；時(shí)域門(mén)；阻抗匹配

1 信號(hào)完整性簡(jiǎn)介

從廣義上講，信號(hào)完整性指的是在高速產(chǎn)品中由互連線(xiàn)引起的所有問(wèn)題。它主要研究互連線(xiàn)與數(shù)字信號(hào)的電壓電流波形相互作用時(shí)其電氣特性參數(shù)如何影響產(chǎn)品的性能。我們聽(tīng)到過(guò)的比如振鈴、反射、近端串?dāng)_、開(kāi)關(guān)噪聲、衰減、容性負(fù)載等都屬于信號(hào)完整性的噪聲問(wèn)題［1］。所有與信號(hào)完整性噪聲問(wèn)題有關(guān)的效應(yīng)都與以下特定噪聲源中的一個(gè)有關(guān)：

1）單一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性：在信號(hào)路徑或返回路徑上由于阻抗突變而引起的反射與失真；

2）兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_：和理想回路與非理想回路耦合的耦合電容、分布電容、互電感；

3）電源和地分配中的軌道塌陷：在電源／地網(wǎng)絡(luò)中的阻抗壓降；

4）來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的電磁干擾和輻射。

隨著數(shù)字系統(tǒng)工作頻率和數(shù)據(jù)速率越來(lái)越高，信號(hào)完整性變得愈發(fā)重要。怎么保證信號(hào)最大限度地通過(guò)傳輸路徑到達(dá)接收設(shè)備，使影響信號(hào)完整性的諸如阻抗匹配、負(fù)載、傳輸線(xiàn)效應(yīng)甚至電源分配等因素減到最小，是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)人員必須考慮的要素。

同樣，在電磁兼容測(cè)試中，特別是搭建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，也必須考慮信號(hào)完整性問(wèn)題。例如，抗擾度測(cè)試時(shí)，怎么能保證外加干擾信號(hào)能夠最大限度地通過(guò)天線(xiàn)或者耦合設(shè)備施加到待測(cè)設(shè)備上，而不至于施加信號(hào)反射太大，影響信號(hào)發(fā)生設(shè)備的性能。

有文獻(xiàn)提到， “信號(hào)完整性”一詞適用于被測(cè)設(shè)備，而 “信號(hào)保真度”適用于測(cè)試設(shè)備，此解釋可能比較絕對(duì)。本文以下實(shí)例中，G赫茲?rùn)M電磁波傳輸室（GTEM，G Hertz Transverse Electromagnetic Wave Transmission Chamber）的時(shí)域反射 （TDR，Time Domain Reflection）測(cè)試目的是測(cè)試GTEM這一產(chǎn)品的 “信號(hào)完整性”；時(shí)域門(mén)方法測(cè)試歸一化場(chǎng)地衰減 （NSA，Normalized Site Attenuation）與測(cè)試系統(tǒng)中使用固定衰減器的目的是改善測(cè)試方法與測(cè)試系統(tǒng)的 “信號(hào)完整性”問(wèn)題，以提高測(cè)試系統(tǒng)的 “信號(hào)保真度”。

2 信號(hào)完整性應(yīng)用實(shí)例

2.1 GTEM的TDR測(cè)試

2.1.1 GTEM功能簡(jiǎn)介

GTEM小室外形類(lèi)似于一個(gè)倒放的金字塔，其頂端連接一個(gè)同軸接頭，同軸接頭的中心導(dǎo)體在小室的內(nèi)部擴(kuò)展為一直達(dá)底部的扇形金屬板，稱(chēng)為芯板。芯板的終端采用分布式電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，形成無(wú)反射終端。小室內(nèi)的底部還貼有吸波材料，用來(lái)對(duì)高頻電磁波做進(jìn)一步吸收。GTEM小室本質(zhì)上是一段擴(kuò)大的、終端接匹配負(fù)載的同軸傳輸線(xiàn)，其芯板和外殼可分別看作同軸線(xiàn)的內(nèi)外導(dǎo)體。根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，電磁場(chǎng)在同軸線(xiàn)內(nèi)傳播時(shí)，其主模是TEM（橫電磁）波，因此小室芯板和地板之間傳播的波為球面波，由于小室的張角很小，該球面波近似為平面波。GTEM小室結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

GTEM小室主要用做抗擾度試驗(yàn)。由于其采用漸變結(jié)構(gòu)，其上限工作頻率可達(dá)到幾GHz。GTEM小室也可用做輻射發(fā)射測(cè)試，測(cè)試時(shí)小室的芯板和底板代替暗室測(cè)試中的接收天線(xiàn)，接收EUT的輻射騷擾，小室的同軸接頭則作為騷擾信號(hào)的輸出端。在暗室測(cè)試時(shí)，通過(guò)改變接收天線(xiàn)的極化方向來(lái)確定EUT的最大輻射，而GTEM小室芯板和底板的位置在測(cè)試中不能改變，因此通過(guò)改變EUT的擺放位置來(lái)改變其輻射電磁的極化方向，從而確定EUT的最大輻射。一般要求EUT在測(cè)試過(guò)程中沿三個(gè)正交的取向 （x，y，z軸）擺放，GTEM小室內(nèi)通常帶有一特殊的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)滿(mǎn)足這一要求。需要注意的是，GTEM小室的測(cè)試結(jié)果并不能直接等同于開(kāi)闊場(chǎng)或半電波暗室的測(cè)試結(jié)果，還需要通過(guò)一定的數(shù)字模型進(jìn)行修正［2］。

圖1 GTEM小室結(jié)構(gòu)

圖2 水平極化場(chǎng)地衰減測(cè)試布置圖

2.1.2 TDR測(cè)試原理

TDR是指?jìng)鬏斁€(xiàn)輸入一個(gè)快上升沿的階躍脈沖信號(hào)，當(dāng)傳輸線(xiàn)上出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象時(shí)，在阻抗變化的地方階躍信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生反射的現(xiàn)象，根據(jù)反射回波的時(shí)間和信號(hào)幅度，可以判斷阻抗不連續(xù)點(diǎn)距接收端的距離及相應(yīng)點(diǎn)的阻抗變化大小。

當(dāng)用人手或者其他金屬物質(zhì)接觸GTEM內(nèi)部傳導(dǎo)隔板的不同位置，TDR波形就會(huì)在相應(yīng)位置出現(xiàn)大的變化，表現(xiàn)出阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象。

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的TDR值是歸一化阻值。例如，將50Ω電阻歸一化后為1Ω，轉(zhuǎn)化成dB值即為0，所以理想情況下，TDR值為0。若GTEM的TDR性能指標(biāo)為－10 mdBΩ≤TDR≤10 mdBΩ，轉(zhuǎn)化為實(shí)際芯板阻值，即整個(gè)芯板的特性阻抗要求為49.94Ω≤Z≤50.06Ω。這說(shuō)明，為了提高GTEM的測(cè)試準(zhǔn)確度，保證信號(hào)傳輸時(shí)的完整性，應(yīng)使其內(nèi)部傳導(dǎo)隔板的特性阻抗無(wú)限接近于50Ω，達(dá)到阻抗匹配，那么測(cè)試TDR性能就是評(píng)估信號(hào)完整性的一種有效方法。

2.2 時(shí)域門(mén)方法測(cè)試歸一化場(chǎng)地衰減

2.2.1 歸一化場(chǎng)地衰減

NSA是衡量電波暗室能否作為合格的測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行EMC測(cè)試的關(guān)鍵指標(biāo)，CISPR16－1－4中詳細(xì)規(guī)定了NSA的測(cè)試方法，測(cè)試系統(tǒng)布置圖如圖2、圖3所示。

圖3 垂直極化場(chǎng)地衰減測(cè)試布置圖

在測(cè)試過(guò)程中，水平和垂直極化都應(yīng)按照以下方法測(cè)試：①將連接收發(fā)天線(xiàn)的同軸電纜與天線(xiàn)分開(kāi)，直接相連后，在接收電纜末端測(cè)得電壓值Vdirect；②將電纜分別與發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)相連以后，發(fā)射天線(xiàn)高度固定，接收天線(xiàn)在1～4 m測(cè)試高度上尋找最大接收信號(hào)，在接收電纜末端測(cè)得最大接收電壓值Vsite。歸一化場(chǎng)地衰減由式 （1）得出［3－4］：

式中：AFt與AFr分別是發(fā)射、接收天線(xiàn)的天線(xiàn)系數(shù)。

2.2.2 時(shí)域門(mén)測(cè)試方法

NSA測(cè)試的是發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射的空間直射波和經(jīng)過(guò)接地平面反射的發(fā)射波的矢量合成，但由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地接地平板的大小、接縫、平坦度，四周墻體和天花板的反射，天線(xiàn)桿與接收天線(xiàn)的耦合以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的燈光、波導(dǎo)通風(fēng)口等的影響，測(cè)量接收機(jī)接收到的并不僅僅是兩者的矢量合成信號(hào)。為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)試，有些測(cè)試場(chǎng)地對(duì)NSA要求比較嚴(yán)格，如要求與理論值的最大偏差在±1dB以?xún)?nèi)，那么在NSA場(chǎng)地驗(yàn)證及實(shí)際測(cè)試中，需采用網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域門(mén)的方法，盡量將來(lái)自墻體和天花板的反射波隔離在時(shí)域門(mén)的外面，這樣的測(cè)試結(jié)果更精確。但是，如果時(shí)域門(mén)設(shè)置太小的話(huà)，可能隔離掉經(jīng)接地平面反射傳輸?shù)男盘?hào)，這樣的測(cè)試是不準(zhǔn)確的。所以，時(shí)域門(mén)測(cè)試中，門(mén)的大小的選擇非常重要。

三米法測(cè)試NSA時(shí)，假設(shè)發(fā)射天線(xiàn)高度為1m，接收天線(xiàn)在1～4m高度上尋找最大接收信號(hào)，如圖4所示。

圖4 接收信號(hào)傳輸路徑

發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)的空間直射波傳播時(shí)間t1為

對(duì)于地面反射波，存在無(wú)數(shù)條反射路徑，取反射波傳輸距離的極限值為

則地面反射波的傳播時(shí)間t2滿(mǎn)足如下公式：

式中：s1是直射波傳輸距離；s2是反射波傳輸距離；v是電磁波在真空中的傳播波速。將網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域門(mén)設(shè)置為25 ns及以上，即可將直射波和反射波包含在門(mén)內(nèi)，而經(jīng)墻面和天花板的發(fā)射波則被部分隔離在時(shí)域門(mén)外。

但是，如果設(shè)置時(shí)域門(mén)很大的話(huà)，來(lái)自所有面的反射信號(hào)都包含在時(shí)域門(mén)內(nèi)，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與不加時(shí)域門(mén)時(shí)非常相近，那么時(shí)域門(mén)的測(cè)試方法將失去意義。值得注意的是，如果采用時(shí)域門(mén)的測(cè)試方法進(jìn)行NSA場(chǎng)地驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足特定測(cè)試項(xiàng)目對(duì)場(chǎng)地的要求，如±1dB容限，那么在進(jìn)行該特殊測(cè)試時(shí)也必須使用時(shí)域門(mén)的方法，否則測(cè)試結(jié)果是不正確的。

2.3 固定衰減器的阻抗匹配作用

2.3.1 固定衰減器工作原理

固定衰減器是由電阻元件組成的四端網(wǎng)絡(luò)，一般以衰減的分貝數(shù)和特性阻抗的歐姆數(shù)來(lái)標(biāo)明。它的特性阻抗、衰減都是與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù)，相移等于零。

常見(jiàn)的固定衰減器有L型、T型和π型等幾種機(jī)構(gòu)，其電路形式如圖5、圖6所示。

R1，R2，R3分別代表3個(gè)不同阻值的電阻。由于輸入阻抗 （Zin）、輸出阻抗 （Zout）以及衰減量 （A）為3個(gè)給定的數(shù)值，在圖中的兩個(gè)結(jié)構(gòu)中分別有3個(gè)未知數(shù)，因此恰好有唯一解。

圖5 T型結(jié)構(gòu)

圖6 π型結(jié)構(gòu)

一般而言，衰減器的應(yīng)用是寬頻的，也就是：衰減器的設(shè)計(jì)及制作并不考慮在特定頻帶使用，因此，這里的阻抗值都僅為電阻值而沒(méi)有電抗值。表1列出衰減器的輸入阻抗、輸出阻抗均為50Ω時(shí)，不同衰減量對(duì)應(yīng)的組成電阻的大小。

表1 輸入、輸出阻抗均為50Ω時(shí)不同衰減量對(duì)應(yīng)的組成電阻

2.3.2 固定衰減器的阻抗匹配作用

固定衰減器除了可以調(diào)整電路中的信號(hào)大小以外，合理應(yīng)用固定衰減器還可以在阻抗敏感度比較高的設(shè)備 （如放大器、濾波器、天線(xiàn)）之間起到改善阻抗匹配的作用。若某些電路要求有一個(gè)比較穩(wěn)定的負(fù)載阻抗時(shí)，則可在電路與實(shí)際負(fù)載阻抗之間插入一個(gè)固定衰減器，能夠緩沖阻抗的變化。

盡管大多數(shù)射頻器件標(biāo)配為50Ω或75Ω的特性阻抗，但特性阻抗含有復(fù)雜的電抗分量，其在不同的相位條件下會(huì)發(fā)生大小的改變。理想情況下，當(dāng)負(fù)載與源完好匹配時(shí)，源端輸出的信號(hào)全部傳輸?shù)截?fù)載，沒(méi)有產(chǎn)生反射，反射系數(shù)為零。但是，在正常的工作條件下，總會(huì)有一部分信號(hào)會(huì)被反射回源端，當(dāng)負(fù)載是開(kāi)路或短路時(shí)，即傳輸信號(hào)全部反射回源端。

源與負(fù)載的匹配程度可由電壓駐波比 （Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）來(lái)表示：

式中：Zload為負(fù)載阻抗；Z0為源阻抗。

在電磁兼容測(cè)試中，甚至是衰減量很小 （如1dB）的固定衰減器，也可用來(lái)減小阻抗失配，提高信號(hào)完整性。選擇固定衰減器時(shí)，需考慮測(cè)試設(shè)備的靈敏度、最大允許輸入電平，待測(cè)設(shè)備的種類(lèi)等。如果待測(cè)設(shè)備是一個(gè)預(yù)放，其額定輸出功率為＋27 dBm，但頻譜儀的最大允許輸入功率為＋25 dBm，則一個(gè)衰減量為5 dB或者更大的固定衰減器即可充分保護(hù)頻譜儀并起到減小阻抗失配不確定度的作用。當(dāng)然，還需考慮固定衰減器的衰減平坦度，保證所有測(cè)試頻段固定衰減器的衰減量都能夠起到保護(hù)頻譜儀的作用。同時(shí)，在固定衰減器的選用問(wèn)題上還應(yīng)注意固定衰減器對(duì)頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍的影響。

采用固定衰減器起阻抗匹配作用的電磁兼容測(cè)試還包括：①NSA場(chǎng)地驗(yàn)證測(cè)試時(shí)，為了使信號(hào)源輸出的信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)最大發(fā)射，在發(fā)射天線(xiàn)饋線(xiàn)與天線(xiàn)輸入端之間接一個(gè)10 dB的固定衰減器，以使場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果更為精確。同理，在接收天線(xiàn)饋線(xiàn)與天線(xiàn)輸出端也需接一個(gè)10 dB的固定衰減器。②傳導(dǎo)和輻射抗擾度測(cè)試時(shí)，在加擾信號(hào)注入口和加擾天線(xiàn)輸入口都需接一個(gè)固定衰減器，以使加擾信號(hào)最大輸出，抗擾度測(cè)試更加準(zhǔn)確、嚴(yán)酷。

同時(shí)，在電磁兼容的不確定度評(píng)定中，各設(shè)備間的阻抗失配分量是一個(gè)不可忽略的影響因素，需單獨(dú)考慮并詳細(xì)計(jì)算［5］。

3 結(jié)論

綜上所述，信號(hào)完整性問(wèn)題除在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等高速系統(tǒng)過(guò)程中需要考慮外，在電磁兼容測(cè)試中同樣起著舉足輕重的作用。因此，搭建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，非常有必要從信號(hào)完整性的角度考慮待測(cè)信號(hào)的傳輸路徑及完整捕獲待測(cè)信號(hào)的方法，以提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

［1］李玉山，李麗平.信號(hào)完整性分析 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［2］IEC 61000－4－20.Electromagnetic compatibility（EMC） －Part 4－20：Testing and measurement techniques－Emission and immunity testing in transverse electromagnetic（TEM）waveguides［S］.2010.

［3］王勝利，康有超，余世里，等.屏蔽暗室歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試 ［J］.空間電子技術(shù)，1996（3）：59－63.

［4］CISPR16－1－4.Specification for radio disturbance and immunitymeasuring apparatus and methods－Part 1－4：Radio disturbance and immunitymeasuring apparatus－Antennas and test sites for radiated disturbancemeasurements［S］.2012.

［5］CISPR16－4－2.Specification for radio disturbance and immunitymeasuring apparatus and methods－Part 4－2：Uncertainties，statistics and limitmodelling－Uncertainty in EMCmeasurements［S］.2011.

TB97

B

1674－5795（2014）05－0062－03

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.05.17

2014－06－16

史鎖蘭 （1987－），女，工程師，碩士，主要研究電磁兼容測(cè)量技術(shù)。