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电磁兼容设计与测试实用技术:完整符合性测试

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于上述的原因,如今,大多数完整符合性测量都会在屏蔽的半吸波室中进行。

电磁兼容设计与测试实用技术:完整符合性测试

假如测试人员打算完全按照标准中所规定的方法测试某个产品的话,也就是这里所指的“完整符合性”测试,与预符合测试所不同的是考虑到三个方面。它们是:

1)测试场地的质量;

2)测试设备的性能;

3)所采用步骤的正确性。

前面已就有关测试设备进行过讨论,在本篇后面的有关传导发射的部分还会涉及。

1.1.12.1 测试场地

一个完整符合性测试场地应该包括下列部分:

1)一个设置EUT的合适位置;

2)EUT与测量天线之间的地平面(以及超过天线位置后面部分);

3)一个用于旋转EUT,并使其离开地平面80cm高度的测试后台;

4)一个可以调节高度(从1~4m)并给出水平和垂直极化的天线支架。

商业标准中所给出的测量距离分别为3m、10m和30m。30m距离在实践中很少使用,所以我们不再在这里做进一步讨论。在CISPR22中给出的测量距离是指从EUT的边缘到在天线上的参考点间的距离。地平面是用来确保在不考虑实际地面材料的情况下(潮湿和干燥土壤,水泥地等)就可以获得可预估的测量结果,但这样做的确导致了测试步骤的复杂和困难程度。

用来判断一个场地是否符合用来作为符合性测试目的测试场地的参数称之为标准化场地衰减(NSA)有时也称之为归一化场地衰减。这个参数测量了从EUT的位置到测量天线位置间场地的衰减。在CISPR标准中(包括CISPR16-1和CISPR22)包括了不同测量距离和天线极化情况下,NSA相对于频率的理论值表格和曲线。这些曲线可以用来作为一个参考用标准曲线。例如,测试人员可以将在某个场地上所测量NSA值与理论曲线相比较,假如比较结果两者的差异不超过±4dB,那么该场地可以用来或者讲符合作为符合性测试场地。图4-1-15所示的就是在距离为3m和10m位置上的NSA理论曲线。

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图4-1-15 NSA理论曲线

正如所预期的,该曲线图显示了在3m距离上的测量损耗要比在10m距离上的来得低。曲线图中所显示的水平极化和垂直极化间的差别是由于来自地平面的反射对两者的影响不同所造成的。

从理论上讲,对NSA进行测量并不困难,但具体做起来所涉及的步骤则不那么简单。信号发生器到接收机之间的损耗是在两个不同条件下通过两次测量得到的。一次是两个天线分别位于场地上它们各自的位置上的测量,一次是直接将两个天线电缆相互连接所获得的。那么两次测量的差值扣去两个天线系数就是我们需要的NSA。CISPR标准允许测量仪器具有3dB的不确定度而对场地本身仅允许有1dB的变化。一个构造良好的场地完全可以满足上述这个要求,但要求在测量中几乎不允许出现任何差错。一个特殊问题是,所使用的天线必须按照NSA测量用特殊的几何空间来校准,而不是任意选择的一个自由空间。在前述两个条件下的两个天线系数的差别很可能会大到对原来是完全合格的场地的测量结果造成损害。(www.xing528.com)

严格地讲,所测量到的NSA是不能用来作为一个修正系数来校准一个超过±4dB误差范围的测试场地的测量结果的。这是因为它仅仅与在测试场地上的特定位置上的两个天线间地面仿真形成的衰减有关。

甚至即便在相同位置上,在EUT和测量天线之间的衰减也可以有相当大的差异。这是因为两者之间的电磁耦合以及EUT的辐射特征与天线所具有的并不同所致。用于符合性测试目的的NSA是衡量所使用场地的质量好坏的一个标志,而不是一个校准用参数。

在历史上,CISPR标准把OATS描述为一个开阔场。在场地所规定的距离测量范围内不允许有任何障碍(物)。因此由于任何原因所引起可能的外来附加反射将会受到恰当地控制。虽然大型建筑,如巨大的飞机库和公交车停车库在某种程度也满足上面描述的要求,但通常上面的描述会被解释为位于室外的开放场地(开阔场)。当然天气的好坏也是一个问题。但至少在欧洲范围,不论从哪个角度出发,最为严重和最为困难的问题则是外界无线电信号的存在问题。这些外界无线电信号可以是广播发射、寻呼机、移动电话以及各种类型的电通信等。而这些信号的发射限值恰恰又是要加以保护的。除了上述的外界信号以外,外界信号还包括来自工业运行环境中的宽带噪声和计算机网络所造成的噪声等。正如前面所讨论过的,目前尚没有什么可靠的办法将它们从发射测量中除去。所以,倘若在相同频率或邻近频率上,EUT的发射电平低于外界(干扰)电平的话,根本无法对EUT的发射进行满意的测量。在CISPR的草案中曾描述过一些在外界(噪声)存在条件下,可供选用的测量方法。但这些方法都具有它们各自的局限性,并且成功率也不高。由于上述的原因,如今,大多数完整符合性测量都会在屏蔽的半吸波室中进行。并以此消除来自测量环境的外界噪声干扰。

除非不太在乎成本并具有足够的场地,否则将无法建造一个能够满足CISPR NSA要求的,又不在所有内壁(表面)都安装或贴有吸波材料的屏蔽室。这是因为来自室内的五个内表面的反射将会严重地损害到NSA的真实性。一个典型的没有衬砌吸波器的屏蔽室,倘若正好可以容纳一个3m的测试范围的话,它的大量反射的存在可以造成实际的NSA在某些频率上具有±30dB的变化。显然,要在这样的一个小室内进行正常测量是不可能的。也许最多所能希望的是通过测量识别出一些可能会引起问题的发射频率而已。然后,还是需要在开阔场对每个所识别的频率进行测量。所以,要选用这类小室的唯一办法就是将它内壁和顶棚都衬砌吸波器(铁氧体贴面或角锥形掺碳发泡材料)以阻止和吸收这些反射。从而使这类小室可以用来进行有用地测量。但从另一角度来看,这样一来,它的内部容积将会变得更小。

随着过去十几年吸波器材料和技术的不断发展,现在完全有可能(但并不便宜)来造一个小型化的满足±4dB NSA规范的半吸波屏蔽暗室。即便是这样,由于吸波器的不完善等因素,这类半吸波屏蔽暗室的性能仍不如开阔场。在意识到这一点的基础上,CISPR要求这类半吸波屏蔽暗室要有一个整个测量容积的NSA特征,而不是简单的单个位置上的NSA。这要求至少在测量容积的5个位置上进行NSA测量。它们的位置分别为在EUT所处区域处的中心,再加上左右前后四个位置。为了使该测试暗室的测量被正式接受,所有的测量结果都要满足±4dB的理论规范要求。上述要求虽然是一项具有挑战性的要求,但并不是不可能做到的。假如,测试用的暗室无法做到这些要求的话,完全有理由可以先在暗室内部对EUT进行扫描,然后再移至一个符合性OATS场地对可能造成问题的频率一个一个地进行测量。这样做起码可以节省很多时间。

1.1.12.2 测试步骤

即便测试人员具有最好的设备和设施,但不知道如何采用正确的符合性测试方法,那么所进行的测试及其结果将是毫无意义的。要知道,仅仅只有部分测试步骤是可以按部就班进行的,大部分测试过程仍要依赖测试工程师的测试技术、技能和经验。

读者记住,要求测量结果超越标准所要求的限值线是为了保证所发现和测量到的是来自EUT的最高的(最恶劣的)发射电平。这意味着不得不面对好几个变量

1)与EUT有关的:实际辐射图谱、操作配置、结构状况布局、连接电缆、周期性和循环效应。

2)与测量有关的:频率范围、天线的极化、天线高度、检测器的时间常数

大家都知道,绝大多数电子产品都不是设计用来作为天线使用的。它们所产生的天线效应只是由于一些意外的原因所引起的。所以,无从得知EUT的最大辐射方向,从而测试人员不得不在每个频率上对环绕EUT的所有的方向上进行扫描测量。EUT部件的布局以及任何外部导电结构,特别是电缆的存在或变化将会改变它的辐射图谱,而有些布局会使它的辐射最大化。虽然可以相当合理的讲,把电缆的极化和天线的极化相叠合将是一个有效的(方法)。但在正常情况下你无法事先对这些变化进行预估。

假如在EUT内部存在有一个按周期函数运行的功能的话,那么它的最大发射通常也会随着时间而变化。这个变化将会取决于它的结构状况和它的功能状态。有人指出,在这个情况下所进行的预符合测试实际上是为完整符合性测试做好准备。因为测试人员已经在符合测试中掌握了最恶劣发射时EUT的结构状况和功能状态等参数,所以测试人员起码可以节省很多用一个完整符合性测试装置来探索这些参数的时间。

为了消除地平面反射的相互抵消效应,在CISPR测量步骤中不仅包括了要求测量并获得在天线水平极化和垂直极化时的最坏结果,而且还要求测量并获得天线高度从1~4m(测试距离为3~10m)扫描的最坏结果。要注意的是,这里进行高度扫描的目的并不是用来捡拾EUT在垂直方向的发射的(虽然看起来是这样)。在用CISPR标准测试时,测量频率范围必须覆盖30~100MHz的整个频率范围。(在不久的将来,这个频率范围很可能还要进一步延伸)。采用的带宽为固定的120kHz。而频率的步进尺度、在每个频率上的保持时间、测量的带宽、检波器响应时间和EUT发射周期时间都是相互关联的。所以,一个给定的测试所需要的时间实际上是取决于这些因素相互作用的时间。

在考虑到所有这些因素的基础上,一个已成为大多数测试实验室标准实践的,典型完整符合性测量步骤如图4-1-16中所示。这个标准步骤在通过使用带有快速峰值检波器的前期扫描最佳化了整体测量时间。而在一个消除了外界影响的半吸波室中快速峰值检波器所捕获的测量值总会较高于QP检波器所获得值(至少在理论上如此)。这些扫描所形成的一个频率表(格)会过于接近限值线而无法放心地使用它。所以为了保险起见,还需要做更进一步地测试。因此,对每个这样的频率还要使用一个较慢的QP检波器在符合性测试场地再进行测量,以通过高度扫描、水平方位旋转和极化改变来捕获测量中出现的最大值。关键是用于最终测试的频率表必须包括所有相关的发射。假如由于扫描较快或扫描的定向范围不准确而造成未能形成在某些频率上的扫描,那么这个方法就会变得毫无价值。这就是为什么要选用具有丰富经验和技术技能的测试工程师来进行和完成这类测试一个原因。否则的话,上述的这类问题和还有其他的一些问题将很有可能导致测试的失败。

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图4-1-16 符合测量步骤

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