EMC 避坑指南 · 技术笔记

CISPR 25 是如何学会验证自家电波暗室的

关于如何证明一间铺设吸波材料的屏蔽室适用于零部件测量,CISPR 25 已经三度改变主意。本文先回顾四个版本的简史,再介绍最终留存下来的那一种方法:第 5 版的长线天线法,它如何工作、对什么敏感,以及在哪里适用、在哪里不适用。

CISPR 25 的零部件测量与 CISPR 32 的测量做法完全不同。天线立于距线束一米处,而线束位于一张搭接良好的金属台面上方 50 mm,整套布置常常置于一间只有几米见方的电波暗室内。归一化场地衰减用两副天线在地面上方验证 3 m 或 10 m 场地,对这样的布置几乎说明不了什么。二十年来,标准对这个问题给出过四种不同的答案,其中有八年根本没有答案,因此当两家实验室在 100 MHz 以下结果不一致时,没有公认的办法查出问题出在哪一间暗室。

要点速览
  • 第 2 版(2002 年)把反射引起的误差限制在 6 dB 以内,并给出了一种使用噪声源与开阔试验场地作比较的资料性方法。第 3 版(2008 年)删除了该程序,只要求吸波材料性能达到 6 dB,同时由一个联合工作组着手制定替代方案。
  • 第 4 版(2016 年)引入了 150 kHz 至 1 GHz 的 ALSE 性能验证,并给出两种可选方法:参考测量法,以及基于建模的长线天线法。
  • 第 5 版(2021 年)只保留了长线天线法,置于附录 I,第 4.3.4.2 条现在规定零部件 ALSE 采用该方法。判据是:在 481 个频率中,有 90 % 或以上的频点与建模参考值的偏差在 ±6 dB 以内。

四个版本,四种答案

版本标准对屏蔽暗室法 (ALSE) 的要求仍未解决的问题
第 2 版
2002 年
第 4.4.1 条:在 70 MHz 至 1 000 MHz 范围内,墙面与天花板反射的能量所造成的最大误差应小于 6 dB。资料性附录 G 说明了如何核查:用标准噪声源代替 EUT,置于参考地平面上方 50 mm 的标准 1 500 mm 线束上,先在开阔试验场地以 1 m 距离测量一次,再在屏蔽室内测量一次。该方法建议用于至少 7.0 m × 6.5 m × 4.0 m 的屏蔽室,且两者之差不得用作校准因子。对噪声源除“稳定”之外未作任何规定,70 MHz 以下完全没有覆盖,而且该程序只是资料性的。
第 3 版
2008 年
反射要求变成了对材料的要求:70 MHz 至 2 500 MHz 范围内吸波材料性能达到 6 dB 或更优,并注明 IEEE Std 1128 为一种试验方法。前言记录了删除屏蔽室表征附录一事,待 CISPR/D 与 CISPR/A 关于暗室验证的联合工作组完成工作后再行替代。地面上不再允许铺设吸波材料。关于暗室实际布置的一切:参考地平面、它的搭接、房间尺寸,以及 70 MHz 以下的全部频率——而零部件暗室之间分歧最大的恰恰就在这一段。这段空白持续了八年。
第 4 版
2016 年
前言把“暗室验证方法”列为主要变更之一。资料性附录 J 覆盖 150 kHz 至 1 GHz,给出两种可任选其一的方法:参考测量法,即用小型单极子、双锥或缩短偶极子源,把 ALSE 与参考场地上的同一测量作比较;以及基于建模的长线天线法。两者都采用 90 % 的数据点落在 ±6 dB 以内这一判据。该条款的措辞是这一程序“可以使用”。参考测量法还依赖于能否使用满足 CISPR 16-1-4 的参考场地,以及一副结构规定得相当宽松的发射天线,因此两家实验室可能建立出不同的参考。
第 5 版
2021 年
参考测量法已被取消。附录 I 只保留长线天线法,第 4.3.4.2 条规定应采用该方法,对按第 6.5 条零部件辐射发射试验配置的 ALSE 进行评定。吸波材料要求延伸至 5 925 MHz。地面上不得铺设吸波材料;厚度不超过 25 mm 的平板铁氧体磁砖,仅在暗室仍满足附录 I 的前提下才允许用于零部件测试。1 GHz 以上的验证。待考虑事项附录把它列为今后的工作,因此在 1 GHz 以上,吸波材料要求仍是唯一的要求。

按时间顺序读下来,这几个版本显示出委员会学到了什么。与开阔试验场地作比较——先是用噪声源,后来用小型天线——依赖于每家实验室各自建立的参考。而建模得出的参考对所有人都是同一个。2002 年的两个想法原封不动地延续到 2021 年:源就放在线束所在的位置;参考与暗室之间的差值是对场地的判定,绝不是对数据的修正。

为什么用一根长线

在 CISPR 25 的零部件试验中,真正辐射的主要是线束。它与参考地平面的前缘平行,距前缘 100 mm,距金属面 50 mm。验证用的源以一件可按图纸制作、并能在场仿真软件中求解的物件复制了这一几何关系:一根置于参考地平面上方的笔直黄铜棒,一端馈电,另一端接匹配负载。它就是一条平面上方的短传输线,其在天线位置处的场可以计算出来。标准用矩量法程序完成了计算,并把结果列为表 I.1。

长线辐射体,侧视图 参考地平面 黄铜棒,直径 4 mm 10 dB 馈电电缆铺在平面上并引向后方 50 Ω 匹配负载 衰减器 两块角钢之间 500 ±5 mm 50 ±2 mm 角钢与平面搭接,≤ 2.5 mΩ 高度已放大表示。该棒代替线束:高度相同,距前缘的距离也相同。
依据 CISPR 25 的图 I.4 绘制。结构之所以规定得如此严格,是因为印在标准中的参考数据只对这一结构有效。
  • 辐射体。一根直径 4 mm 的黄铜棒,在两块金属角钢之间长 500 mm,位于参考地平面上方 50 mm、距其前缘 100 mm,中心对准测试时线束中心所在的位置。角钢与平面搭接,直流电阻不超过 2.5 mΩ。
  • 馈电与负载。一端经 10 dB、50 Ω 衰减器馈电,另一端以 50 Ω 匹配,二者均通过角钢上的 N 型连接器接入。该衰减器是参考数据的组成部分。
  • 接收侧。与第 6.5 条相同的天线、相同的 1 m 距离与相同的位置:30 MHz 以下用杆状天线,至 200 MHz 用双锥天线,至 1 GHz 用对数周期天线。30 MHz 以上两种极化都要测量,取较大者。
  • 被测量。对应衰减器输入端 1 V 的等效场强:120 dB(µV) 加上实测传输系数,再加上接收天线系数。使用网络分析仪时,传输系数就是在电缆末端完成双端口校准后的 S21。
  • 频率。共 481 个点:150 kHz 至 29.95 MHz 以 200 kHz 步进,共 150 个点;30 MHz 至 199 MHz 以 1 MHz 步进,共 170 个点;200 MHz 至 1 GHz 以 5 MHz 步进,共 161 个点。
  • 电波暗室。完全按产品试验的状态配置:相同的参考地平面尺寸、搭接、吸波材料与天线配重接地连接。蓄电池与人工网络不放在台面上。
验证布置,俯视图 铺设吸波材料的墙面,暗室按试验状态配置 参考地平面 尺寸与搭接与试验时一致 与屏蔽室的搭接 长线辐射体,500 mm,位于线束位置的中心 该棒距前缘 100 mm 第 6.5 条规定的接收天线 杆状、双锥或对数周期 1 000 ±10 mm 带磁环的馈电电缆 每 20 cm 一只,铺在平面上, 由后方引出 蓄电池与人工网络已移除
依据 CISPR 25 的图 I.7 绘制。建模参考假定为 2.5 m × 1 m 的平面并带有一条后部搭接带;而暗室则按其实际采用的平面与搭接方式测量,比较结果显示出这一差异的代价。

I.2.4 的判据是统计性的。在每一个频率上计算实测等效场强与参考等效场强之间的偏差,若 90 % 或以上的频点落在 ±6 dB 以内,则该 ALSE 判为符合。若某间暗室只用于部分频段,则只计入表 I.1 中的相应频段。标准还附加了两条容易被忽略的限制:该差值不得用作产品测量的修正因子,也不得用于推导天线系数。

通过验证的电波暗室是什么样子

下面这组图来自我们在一间按 CISPR 25 零部件测量配置的半电波暗室中实施的长线法验证:参考地平面、搭接与天线完全按试验状态布置,蓄电池与人工网络已移除。上图把实测等效场强与建模参考值放在一起。下图是两者之差,也就是判据所评判的那个量。

等效场强 Eeq,max:ALSE 中的实测值与表 I.1 的建模参考值对比 150 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz 200 MHz 1 GHz 50 60 70 80 90 100 110 dB(µV/m) 杆状天线 双锥天线 对数周期天线 暗室中的实测值 参考值,表 I.1 相对参考值的偏差 Δ,对照 ±6 dB 判据 150 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz 200 MHz 1 GHz -8 -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 +8 +6 dB −6 dB 最大值:25.15 MHz 处 +5.5 dB 481 个点中有 481 个落在 ±6 dB 以内:100 %,而要求为 90 %
对一间按 CISPR 25 零部件测试配置的电波暗室所做的长线法验证,覆盖表 I.1 的 481 个频率。30 MHz 以下使用杆状天线;30 MHz 起按附录要求,取水平与垂直结果中的较大者作图。

实测曲线在三段天线频率范围内都与参考值走势一致,481 个点无一例外落在 ±6 dB 以内,而附录只要求 90 %。偏差的形状与结论本身同样有价值。它在 10 MHz 至 50 MHz 之间最大,在 25 MHz 附近达到 +5.5 dB,而这正是附录归因于参考地平面、它的搭接与吸波材料的那个区域;其余各处都在 4 dB 以内,300 MHz 以上在 3 dB 以内。不合格的暗室几乎总是在同一个低频区域不合格,而这张图指出了该往哪里查。

这种方法对什么敏感

附录 I 指出了决定结果的三件事:参考地平面的尺寸、它的搭接带(即数量、尺寸以及走向是水平还是垂直),以及吸波材料的性能。它们的影响集中在 10 MHz 至 100 MHz 之间。在 30 MHz 以下,参考地平面与杆状天线的配重接地板会与暗室构成谐振结构,附录允许两种补救措施:在接收天线底部与地面之间放置一块吸波材料,或者从配重接地板向地面增加搭接带,其长宽比不超过 7 比 1。为通过验证所做的任何处理,此后在每一次产品测量中都必须保持原样。

这也正是验证止于 1 GHz 的原因。附录背后的研究发现,吸波材料与参考地平面搭接造成的最大偏差都出现在 200 MHz 以下。1 GHz 以上是另一个问题,而标准尚未给出答案。

它在哪里适用,在哪里不适用

问题第 5 版的答案
哪一间暗室用于第 6.5 条辐射发射测量的零部件 ALSE。第 5 条的整车 ALSE 只有吸波材料要求。
哪些频率150 kHz 至 1 GHz,且只包含该暗室实际使用的频段。1 GHz 以上没有验证方法;直至 5 925 MHz 的 6 dB 吸波材料要求是唯一的规定。
哪一种配置试验时所用的那一种。结果属于这间暗室,连同它的试验台、搭接与天线位置。一旦更改参考地平面、搭接带、吸波材料布置或地面处理方式,验证就必须重做。
哪一版本执行第 4 版的实验室可以任选其一。声称执行第 5 版的实验室只有长线法可用,而按参考测量法完成的验证不能沿用。
它不是什么它既不是对产品数据的修正,也不是天线校准。它是对场地作出的合格或不合格结论,标准规定可以将其纳入试验报告。
不确定度第 5 版新增的测量仪器不确定度附录未把场地不完善纳入不确定度评定,因为场地验证仍在研究之中。目前验证与不确定度评定是两回事。

整车厂自身的规范通常会引用 CISPR 25 的零部件发射布置,因此一间按附录 I 验证过的暗室,对这些规范所沿用的布置也就同样有效。但对于同时用于 3 m 距离 CISPR 32 或 CISPR 11 工作的暗室,它并不能取代归一化场地衰减或场地电压驻波比——那是另一种几何布置,有其自身的验证方法。

预约验证之前

贵方需要做的

固定配置试验台的尺寸与位置、搭接带、吸波材料布置、地面处理方式与天线位置,均按试验时的状态。如果这间暗室以多种配置运行,那么每一种都是一次单独的验证。
确定频率范围只计入表 I.1 中该暗室实际使用的频段,因此一家从 150 kHz 测到 1 GHz 的实验室要按全部 481 个点接受评判。
清空试验台验证时,蓄电池、人工网络以及任何负载模拟器都要从参考地平面上移开。

校准实验室需要做的

辐射体按附录规定的尺寸与公差制作,并把它的驻波比与附录给出的典型曲线核对,因为参考数据只对该结构有效。
接收天线及其天线系数对杆状天线、双锥天线与对数周期天线而言,天线系数都直接进入等效场强的计算。
电缆、磁环与本底噪声暗室内两根电缆上每 20 cm 套一只磁环,馈电电缆沿平面引向试验台后方,本底噪声至少低于被测信号 10 dB。
统计与结论每一个频率上的偏差、各频段及总体落在 ±6 dB 以内的百分比,以及对照 90 % 判据的符合性判定。
我们的立场

依据 CISPR 25 附录 I 的 ALSE 性能验证,150 kHz 至 1 GHz,与归一化场地衰减、NSIL 和场地电压驻波比一同列在我们据以实施验证的 LAB Support Ltd. A2LA 认可 ISO/IEC 17025 范围之内,并由一支按该附录制作的长线辐射体在贵方现场实施。场地验证指南列出了各项参数。如果贵方的零部件暗室是按第 4 版的参考测量法验证的,或者从未验证过,请把暗室布置图和贵方测试时所用的配置发给我们。

“There can be only one.”(只能有一个。)
《高地人》(1986 年)。

CISPR 25 为验证自家暗室尝试过四种方法。至今仍屹立不倒的,是长线法。

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