EMC 避坑指南 · 技术笔记

EMI 接收机不是贴了 CISPR 标签的频谱分析仪

为什么一份正弦波校准无论做得多好都无法证明接收机符合 CISPR 16-1-1,附录 K 究竟要求什么,以及在证书上该看什么。

证书看起来很完整。频率准确度、十几个频率点上的幅度准确度、衰减器步进、各档分辨率带宽、显示噪声。每一个数字都在容差之内,抬头还写着“依据 CISPR 16-1-1 校准”。然后审核员要看准峰值脉冲响应,却什么也拿不出来。没有人隐瞒什么。这台接收机是按频谱分析仪来校准的,而一份频谱分析仪校准根本没有理由往输入端加一个脉冲。

要点速览
  • 频谱分析仪校准用正弦波来核查仪器。CISPR 16-1-1 则用仪器对脉冲的响应来定义一台 EMI 接收机:检波器的加权、脉冲带宽以及表头时间常数。
  • 自第 4.0 版(2015)起,规范性的附录 K 规定了最低核查项目集,即表 K.1:电压驻波比、正弦波电压容差、对脉冲的响应以及选择性。其中三项无法仅凭正弦波完成。
  • 一份只报告正弦波参数的证书,可以是正确的、可溯源的,却仍然无法说明这台接收机能否正确测量一项 CISPR 骚扰。

本文并非针对任何一家实验室。频谱分析仪校准在几乎所有地方都是一项成熟且规范的服务。要说的是,在对合格评定测量最关键的那一点上,EMI 接收机是一台不同的仪器,而定义它的标准也用自己的措辞这样说了。

是什么让接收机成为接收机

频谱分析仪是作为一台针对正弦波的线性测量仪器来规定的:它读取连续波电平有多准、调谐有多准、滤波器形状如何、压缩有多大。EMI 接收机则被 CISPR 16-1-1 按另一件事来规定:它如何指示一项骚扰——通常是一串脉冲——经过规定的带宽和规定的检波器之后给出的示值。准峰值检波器之所以存在,是为了按重复频率对脉冲加权,模拟听者对这些脉冲的烦扰程度。平均值与有效值平均检波器有规定的时间常数,使断续和漂移的信号在每一台接收机上读数一致。测量带宽以 6 dB 带宽加形状模板来定义,1 GHz 以上则定义为脉冲带宽。这些内容没有一项能被正弦波激励出来,因为正弦波既没有重复频率,也没有脉冲频谱。对连续波而言,每一种检波器读数都相同。这正是为什么连续波校准分辨不出各个检波器。

+20 dB0 dB−20 dB−40 dB 1 Hz10 Hz100 Hz1 kHz10 kHz 脉冲重复频率(对数刻度) 相对于 100 Hz 处读数的示值,CISPR B 频段 峰值 准峰值 平均值 正弦波校准 根本不在这张图上。对连续波 而言,每种检波器读数都相同。
准峰值曲线取自 CISPR 16-1-1 中 B 频段的数值:1 kHz 处 +4.5 dB,100 Hz 处 0 dB,20 Hz 处 −6.5 dB,10 Hz 处 −10 dB,1 Hz 处 −22.5 dB。平均值检波器直接随重复频率变化。峰值检波器完全不加权。这些曲线正是一次接收机校准所要验证的内容,也正是连续波校准从不触及的内容。

附录 K 要求什么

2015 年之前,接收机的校准一直留给制造商的性能测试和实验室自己的判断。CISPR 16-1-1 第 4.0 版增加了规范性的附录 K,其前言把它列为主要技术变化。附录 K 规定,校准应以可溯源的方式判定接收机是否符合其公布的规格,并规定了无论采用哪种流程都必须纳入核查的最低参数集。这个参数集就是表 K.1。

表 K.1 参数标准的要求正弦波校准能覆盖吗?
输入端电压驻波比在 0 dB 衰减时不超过 2.0:1,在 10 dB 及以上时不超过 1.2:1,频率 9 kHz 至 1 GHz;1 GHz 以上限值更宽。在每一个建议频率上,两档衰减设置都要测。可以,前提是两档衰减设置都测了。最常被漏掉的正是 10 dB 那一档。
正弦波电压容差1 GHz 以下 ±2 dB,以上 ±2.5 dB,由 50 Ω 信号源提供,在每一个 CISPR 频段的起始、中心与终止频率上,对接收机所具备的每一种检波器逐一测量。可以,前提是在 CISPR 频段的频率点上、按检波器逐一进行,而不是在一组通用的频谱分析仪频率上进行。
对脉冲的响应绝对值:在各频段规定的重复率下,施加规定脉冲面积的脉冲,示值应与一个 60 dB(µV) 正弦波相差在 ±1.5 dB 以内,准峰值、峰值、CISPR 平均值与有效值平均检波器均如此。相对值:示值应当跟随重复频率曲线。断续:表头时间常数应对 1.6 s 门控信号给出规定的下降量。不可以。这需要一台经校准的脉冲发生器,以及一台其脉冲幅度已经过验证的脉冲调制信号发生器(第 5.0 版的附录 L)。连续波校准没有相应的激励源。
选择性在每个频段的中心频率上,对照 CISPR 模板检查整体通带形状,覆盖 200 Hz、9 kHz 与 120 kHz 参考带宽以及 1 MHz 脉冲带宽。由该曲线得到的 3 dB 宽度决定了平均值重复率试验的上限,因此第 K.3 条规定该顺序为强制要求。最多只能部分覆盖。频谱分析仪校准检查的是它自身滤波器的 3 dB 宽度。它既不追溯 CISPR 通带模板,也不把结果代入依赖于它的脉冲试验。

附录 K 承认有两条途径可以完成该核查:接收机制造商自有的校准流程,或者校准实验室自有的、采用 CISPR 16-1-1 所述程序与测量设备的流程。两条途径并无高下之分。2018 年发布的澄清文件,即现在第 5.0 版的第 K.4.2 条,明确两者都可采用且等效,由用户自行决定采用哪一条。它没有留下余地的是表 K.1:无论走哪条途径,核查都必须符合表 K.1 所列的这组参数。

这四行中有两行,一家已在做频谱分析仪校准的实验室可以胜任,只要它把测试点移到 CISPR 频段上,并对每一种检波器重复电平试验。另外两行则不行。它们需要不同的激励源、不同的参考和不同的试验顺序,而它们恰恰就是让这台仪器成为接收机的那两行。

正弦波证书到哪里就走不下去了

把两份证书并排放在一起,差距是一份清单,而不是一种看法。

典型频谱分析仪校准所检查的项目CISPR 16-1-1 要求但缺失的项目
频率读数与扫宽准确度准峰值绝对脉冲响应,60 dB(µV) ±1.5 dB,每一频段
在制造商规定频率上用连续波测的幅度准确度在脉冲面积 1.4 / Bimp mVs 处的峰值绝对脉冲响应
参考电平与衰减器步进CISPR 平均值与有效值平均检波器对脉冲调制载波的绝对响应
分辨率带宽 3 dB 准确度准峰值、CISPR 平均值与有效值平均随重复频率的变化
显示平均噪声电平断续窄带响应,即表头时间常数
对数保真度、压缩在各参考带宽上对照 CISPR 通带模板的选择性
输入电压驻波比,有时只测一档1 GHz 以上对脉冲调制载波的响应,附录 E.6

左栏的内容是有价值的。它是接收机中同时也属于频谱分析仪的那一部分,审核员也会要看。但一份只做到这里、抬头却写着“CISPR 16-1-1”的证书,核查的只是接收机与任何分析仪共有的那些条款,跳过了只为接收机而存在的那些条款。附录 K 允许部分校准,但它不允许把部分校准当作符合性来呈现。

机器面板上的名号说了不算

反过来也一样,而且这一点会把用带 EMI 选件的频谱分析仪做合格评定测量的实验室卡住。附录 K 既适用于 EMI 接收机,适用于用于 CISPR 测量的频谱分析仪。如果进入测试报告的准峰值读数来自这台分析仪,那么它的准峰值检波器、它的 CISPR 带宽和它的脉冲响应就必须按同样的方式核查。基础型分析仪的制造商性能测试做不到这一点,因为基础型分析仪并不是作为接收机出售的。该问的不是“这台仪器叫什么”,而是“它的哪一个读数出现在 CISPR 测试报告里”,然后去校准那个读数。

版本很重要,顺序同样重要

有两个细节,把一份经得起技术评审的证书与一份只是看上去完整的证书区分开来。

证书所声称的版本附录 K 出现在第 4.0 版(2015)。一项以注日期方式引用 2010 年那一版的产品标准,例如 EN 55032:2015,仅凭这一点还不能被要求满足附录 K。CISPR 25:2021 引用的是第 5.0 版,其中附录 K 完整适用,附录 L 还增加了对脉冲激励源的验证。证书应当写明它对照的是哪一版,而读证书的实验室也应当知道自己的产品标准引用的是哪一版。
选择性要排在平均值重复率试验之前平均值检波器的重复频率试验最高做到 3 dB 带宽的一半,而该带宽来自同一频段的选择性测量。第 K.3 条规定该顺序为强制要求。一份报告了重复率试验却没有它所依赖的选择性结果的证书,无论数字多好看,都跳过了一个前置条件。
符合性判定要计入不确定度第 K.6 条要求把扩展不确定度用于结果判定,并定义了四种结局,其中两种是不确定的。如果实验室用自己的判定规则来处理这两种不确定情形,该规则应当写在证书上,并注明它属于实验室自己的规则,而不是标准的要求。
激励源要在使用前经过验证信号发生器并不保证连续波幅度与脉冲幅度之间的关系。在第 5.0 版中,CISPR 平均值与有效值平均的幅度试验引用了附录 L,因此在一份声称做了这些试验的证书上,应当能看到脉冲幅度验证的内容。

在一份接收机证书上该看什么

  • 表 K.1 的四项参数全部齐备,覆盖仪器所具备的各个范围与各种检波器。
  • 电压驻波比在输入衰减 0 dB 与 10 dB 及以上两档下均有报告。
  • 绝对脉冲试验在规定电平下进行,并给出输入电平,而不是只给偏差。
  • 平均值重复响应测至 3 dB 带宽的一半,并附上确立该带宽的选择性结果。
  • 断续窄带试验对 CISPR 平均值与有效值平均两种检波器都有。
  • 凡接收机规格覆盖 1 GHz 以上的,就要有 1 GHz 以上的响应。
  • 凡偏离建议频率或偏离制造商流程之处,均已声明并说明理由。
  • 符合性声明给出扩展不确定度以及所采用的判定规则。

如果贵方档案里的那份证书是一份带 CISPR 抬头的正弦波校准,务实的做法不是把它作废。留着它,按它实际覆盖的内容使用,再针对贵方要报告的频段与检波器补上脉冲与选择性部分。附录 K 关于部分校准的条款恰恰允许这样做,前提是每一份证书都写明它是什么。

我们的做法

我们所依据的认可范围把两部分分别列出:绝对幅度准确度、参考电平、衰减器、对数保真度与频率读数,最高至 40 GHz;以及 CISPR A/B、C/D 与 E 频段(即 9 kHz 至 18 GHz)的脉冲重复响应与连续波对脉冲的幅度比较,并连同带宽、选择性与输入电压驻波比一并列出。EMI 接收机校准页面列出了各项参数与范围。本文取材于 LAB Support Ltd. 社长丸山隆资先生撰写的一份关于 CISPR 16-1-1 附录 K 的技术简报,并对照第 4.0 版及其 2018 年解释单与第 5.0 版作了核对。若贵方手上有一份接收机证书而不确定它覆盖的是哪一半,请发给我们。

“It’s not who I am underneath, but what I do that defines me.”(定义我的不是我内在是谁,而是我做了什么。)
Batman,出自 Batman Begins(《蝙蝠侠:侠影之谜》)。

EMI 接收机也是如此。名号并不能让它成为接收机,它对脉冲的响应才能;而这正是表 K.1 所核查的内容。

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