EMC 避坑指南 · 技术笔记

无形方格上的十六个点:场均匀性到底意味着什么

在对任何产品开展辐射抗扰度测试之前,实验室必须先证明:它的电波暗室能够在一块竖直的平整空气方格内建立起均匀的射频场。这块方格是什么、为什么要在十六个点上检查、“均匀”用数字如何表达,以及一个展示场图从 80 MHz 到 6 GHz 如何变化的仿真工具。

辐射抗扰度测试问的是一个简单的问题:当产品被某一给定强度的射频信号照射时,例如 10 V/m,它还能不能正常工作?要公平地回答这个问题,产品正面的每一处都必须至少受到这一强度的照射。天线本身无法保证这一点。地面与墙面的反射,以及天线波束的形状,会让场在有些位置更强、在另一些位置更弱。场均匀性校准,就是实验室事先证明这种不均匀程度仍在约定范围之内的办法。

要点速览
  • IEC 61000-4-3 把这块区域称为均匀场域:一块假想的竖直方格,通常为 1.5 m × 1.5 m,下边缘距地面 0.8 m,测试时产品正面就位于这里。与天线之间的优选距离为 3 m。
  • 这块方格上标出 16 个点,间距 0.5 m,在电波暗室空置的条件下,于 80 MHz 至 6 GHz 的每一个测试频率上逐点测量场强。
  • 在每一个频率上,16 个点中至少要有 12 个点的读数落在要求电平与该电平的两倍之间,例如介于 18 V/m 与 36 V/m 之间。标准把这条规则写作 0 dB 至 +6 dB。整套工作要做两遍:天线一遍水平极化,一遍垂直极化。

用通俗的话说

设想一位摄影师在拍摄人像前为舞台布光。被摄者会站在某一个位置,摄影师希望落在他脸上的光是均匀的。于是在任何人走上台之前,摄影师先拿着测光表,在脸将要出现的位置沿一组标记逐点测量,并记下每一个读数。如果一侧明显比另一侧暗,就挪动灯位,直到不再如此。

辐射抗扰度电波暗室对射频波做的是同一件事。“灯”是发射天线,“脸”是被测设备 (EUT) 的正面,测光表则是一支小小的场强探头。那一组标记就是均匀场域。它并不是一个实物,而是一块竖直站立的平整空气方格,正好位于日后产品正面要摆放的位置。

做这件事时电波暗室里空无一物,这是有意为之。校准描述的是房间与天线,而不是产品。一旦通过,任何正面(连同线缆)放得进这块方格的产品,都可以在这里测试。

侧视图 正视图,天线所看到的样子 地面 地面吸波材料 天线 优选 3 m 0.8 m 1.5 m 1.5 m,点间距 0.5 m 1.5 m 下边缘距地面 0.8 m
均匀场域及其 16 个点,依 IEC 61000-4-3 图 3 与图 4 绘制。距离量至天线前端,可以不是 3 m,但不得小于 1 m,只要校准记录中注明即可。

规则:十六取十二,落在两倍范围内

以一间按 18 V/m 校准的电波暗室为例。在每一个频率上,实验室查看这十六个读数,看其中是否至少有十二个落在 18 V/m 与 36 V/m 之间。这十二个中最弱的那一个被调到正好 18 V/m;最强的至多为它的两倍,不得再高。标准把同一条规则写作 0 dB 至 +6 dB,因为在场强上 6 dB 就是两倍。

这条容差带是自要求电平向上展开的,而不是在其两侧对称分布,这个取法是有讲究的。标准容许一定程度的过量测试,却绝不容许测试不足:每一个被采用的点所受到的照射都至少达到报告上的电平,而且没有任何一点超过它的两倍。

为什么是 18 V/m?

报告上的测试电平,例如 10 V/m,指的是未调制的纯载波的强度。测试过程中这个信号并不保持纯净:它会被 1 kHz 音频以 80 % 的深度调幅,从而每秒起伏一千次。在每一次起伏的顶点,场强是纯载波的 1.8 倍,因此一次 10 V/m 的测试会短暂地达到 18 V/m 未调制场的强度。

a) 未调制,10 V/m CW b) 同一信号,80 % 调幅,与测试中一致 -30 -20 -10 0 10 20 30 场强,V/m -30 -20 -10 0 10 20 30 场强,V/m 10 V/m rms 平均 11.5 V/m rms 峰值处 18 V/m rms 场强绝不会超过 14.1 V/m(10 V/m × √2) 包络在载波的 0.2 倍至 1.8 倍之间起伏 峰值 25.5 V/m,与 18 V/m CW 信号相同
依 IEC 61000-4-3 的测试电平示意图重绘。测试电平是针对未调制载波而言的,此处为 10 V/m。当 1 kHz 正弦波以 80 % 的深度对其调幅时,场强在载波的 0.2 倍至 1.8 倍之间起伏,因此在每一次起伏的顶点,它与 18 V/m 未调制场一样强。整个周期内的平均有效值只升到约 11.5 V/m。

电波暗室与测试设备必须干净地产生这些峰值,而不只是产生平均值。因此标准要求场校准在不低于测试电平 1.8 倍的条件下进行。这就是为什么按 10 V/m 测试的实验室要在 18 V/m 下校准其均匀场域,也是下方仿真工具采用 18 V/m 的原因。

十六个点中容许有四个落在范围之外,因为真实的房间总有些难处理的位置:靠近地面、反射汇聚的角落,或是天线波束勉强照到的边缘。哪四个点可以不达标,可能随频率逐点改变。如果产品很小,方格缩到最小的 0.5 m × 0.5 m,那么就只有四个点,而且四个都必须合格。

标准还会记录距地面 0.4 m 处的场强,以照顾必须低位摆放的产品与线缆。该读数作为参考写入校准记录,并不决定电波暗室是否合格。

做两遍:一横一竖

射频波的振动有一个方向,称为极化。天线按一种姿态安装时,场是左右摆动的;转过四分之一圈,它就变成上下摆动。产品对其中一种可能比另一种更敏感,所以两种都要测试,也都必须校准。地面与墙面对这两者的处理并不相同,因此两张场图很少相似,下方的仿真工具只展示其中一种。从 80 MHz 到 6 GHz 以 1 % 步进,完整的工作量是 435 个频率、十六个点、两种极化:一块方格接近 14,000 个读数。

看它如何随频率变化

下方的仿真工具展示其中一种极化——水平极化,电波暗室按 18 V/m 校准。正视图是天线所看到的方格:颜色从代表弱场的蓝色,经黄色,一直到代表强场的红色,十六个点各自标出以 V/m 表示的读数。实线标出场强达到 36 V/m 的位置,深色斜纹覆盖其以上的区域;虚线与浅色斜纹则标出场强跌到 18 V/m 以下的位置。未被采用的点上带有一个箭头,指明它是朝哪个方向不达标的。平放视图把同一块方格平放在地面上,把场强画成高度,于是场就成了一片有丘有谷的地形。36 V/m 处的灰色平面就是限值面:任何顶穿它的点都不被采用,任何沉到 18 V/m 以下的点也一样。拖动滑块可在整个频段中移动,拖动地形可旋转它,点击下方的曲线图则可跳到某一频率。

频率80 MHz宽带天线,水平极化
80 MHz200 MHz500 MHz1 GHz2 GHz6 GHz
要求电平 18 V/m,CW。限值 36 V/m,为要求电平的两倍。
正视图天线所看到的方格
平放视图以高度表示场强。拖动可旋转。
18 V/m
要求
36 V/m
限值
在 18 至 36 V/m 之间 未采用 高于 36 V/m ▲ 低于 18 V/m ▼ 36 V/m 线 18 V/m 线
各频率上落在 18 至 36 V/m 之间的点数

仅为示意的仿真:一间 3 m 电波暗室的简化模型,地面与墙面铺设吸波材料,1 GHz 以下用宽带天线、以上用喇叭天线,水平极化。它不是任何一间具体电波暗室的实测结果。

为什么场图会随频率改变

场均匀性不是任何单一部件的属性,而是三样东西共同作用的结果:电波暗室,它的尺寸与形状决定反射从哪里来;吸波材料,它决定这些反射能留下多少;以及天线,它决定能量如何铺展在方格上。在频段的不同区段,三者各自占据主导。

  • 低频段由电波暗室主导。在 80 MHz,一个波长接近 4 m,比方格还宽。从地面与墙面反弹回来的能量与直射波一同到达方格,两者在有些位置相加、在另一些位置相消。天线与方格之间铺在地面上的吸波材料,正是为了压制这一点,而频率越低,它的作用越有限。
  • 中频段是吸波材料的交接班。大多数电波暗室的墙面同时铺有铁氧体瓦片与泡沫尖劈:前者在低频挑大梁,后者在更高频接手。在交接的频段附近,墙面的反射会多一些,场图也随之变得更零碎。
  • 高频段由天线接管。随着频率升高,喇叭天线把能量收得越来越紧,像手电筒聚成一个光斑。方格中心依旧明亮,四角却暗了下去。这就是为什么在几吉赫兹以上,通常未被采用的都是边缘与角上的点,也是标准在 1 GHz 以上另外给出一种方法的原因:按 0.5 m 的独立窗口分块检查该区域,而不是一整块大方格。

在 1 GHz 以下的少数频率上,标准容许这条容差带从要求电平的两倍放宽到约三倍(由 +6 dB 放宽到至多 +10 dB),但仍绝不低于要求电平,且这类频率不得超过全部频率的 3 %,前提是在测试报告中注明放宽后的数值。在 18 V/m 下,这意味着上限从 36 V/m 放宽到约 57 V/m。若有争议,以两倍规则为准。

均匀性同时决定了您需要多大的功率放大器。测试电平以被采用的点中最弱的那一个为准,因此激励要一直加大,直到该点达到要求电平。场很均匀时,最弱点与其余各点相差不多,功率放大器的负担不重。场坑洼不平、或者四角衰落时,激励必须一路加大到把最弱点抬到电平为止,方格内其余各处也随之一起升高。同一项测试,在一间不那么均匀的房间里就对功率放大器提出更高的要求。这就是为什么没有哪一个放大器功率适合所有场景:它取决于电波暗室、吸波材料与天线三者的组合,也取决于测试电平,需要针对具体组合来选型,而不是从表里查出来。

好的方案从来不是某一个出色的部件,而是懂得四者如何相互作用:电波暗室、吸波材料、天线与功率放大器。改动其中任何一个,其余三个都必须重新审视。

请三思

既然结果属于四者的共同作用,就没有人能只凭其中一个作出承诺。如果有人只卖给您天线、只卖吸波材料、只卖电波暗室或只卖功率放大器,还在没有看过其余三者的情况下向您保证它能胜任,请三思:您买到的只是四分之一个答案。规格书上波束漂亮的喇叭天线,在一间它从未见过的房间里照样可能失败;而世界上最好的吸波材料,也救不回一支只照亮方格中心的天线。唯一的证明,是四者齐备之后做的十六点校准。

一套搭配方案的示例

并不存在唯一正确的组合。电波暗室的尺寸、天线、功率放大器及其功率,都取决于您要测什么、测到什么电平:一间以 3 V/m 测试消费类产品的实验室,所需要的配置与一间以高得多的电平测试车载电子或医疗设备的实验室大不相同。作为其中一种可能的配置,下面是我们会为一间按 IEC 61000-4-3 测试至 6 GHz、电平适中的产品实验室提出的方案。无论组合如何,道理都一样:电波暗室、吸波材料、天线与功率放大器是一起选定的,运行测试的软件按该组合配置,十六点校准也要在四者齐备的条件下完成。

ICX Lab 是 AMETEK CTS 产品授权代理商,Teseq 与 AR 同为 AMETEK CTS 旗下品牌,同时也是 Frankonia 电波暗室与 Nexio BAT-EMC 软件的授权代理商。我们按应用与测试电平为每一套配置选型,作为一个整体供货与安装,并以十六点方法加以验证。报价请联系我们。

除了合格结论,校准还给了您什么

这十六个读数不只是一个结论。在每一个频率上,校准还记录了功率放大器要把天线推到多大才能产生该场强。测试时,实验室就用这份记录,在没有探头介入的情况下设置出同样的场。这也是为什么校准只在房间保持原样时才成立:同一支天线在同一位置,同样的线缆,地面上同样的吸波材料。其中任何一项被挪动,这份记录就不再描述这个房间了。

标准要求每年重做一次完整校准,房间内只要有改动也要重做:更换吸波材料、移动天线、更换功率放大器或线缆。在每一批测试开始之前,实验室都要确认该校准仍然成立。

在自己的记录中该核对什么

方格装得下产品您所测试的每一件产品,其正面连同线缆都必须放得进已校准的方格之内。1.5 m 的方格覆盖不了 1.8 m 的机柜;那需要更大的方格,或者分块照射。
两种极化,每一个频率记录中应当逐频率给出水平极化与垂直极化的结论,覆盖从 80 MHz 到您所测试的最高频率,并注明每个频率上采用了哪些点。
布置有据可查天线型号、高度与距离、线缆走向以及地面吸波材料的位置都应记录在案,以便测试布置能够与校准时保持一致。
日期,以及此后有过什么变动超过一年的校准,或早于房间最近一次改动的校准,在依据它之前都需要重做。
我们的立场

我们提供依据 IEC 61000-4-3 的十六点场均匀性验证,这是我们认可范围之外的一项服务,并非认可校准。它在现场以您自己的测试系统执行,由我们的场均匀性软件驱动,并且可以与电波暗室的场地验证安排在同一次上门中完成。该方法所依赖的激光供电场强探头,例如 AR FL8000 系列,可通过我们采购:ICX Lab 是 AMETEK CTS 产品授权代理商,AR 为 AMETEK CTS 旗下品牌之一。

“A chain is only as strong as its weakest link.”(一条链条的强度,取决于它最弱的一环。)
谚语,最早见于 Thomas Reid 1786 年的记述。

均匀场也是如此。测试电平取决于最弱的那个点,而整套系统的水平,取决于它最弱的那个部件。

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