有一个问题会以不同的形式反复出现:“证书上写着这台 LISN 已经校准过了,为什么审核员还是开了不符合项?”答案通常在于测了什么,而不在于谁来测。人工电源网络、阻抗稳定网络与耦合去耦网络都不是普通的射频元件。定义它们的标准并不是用 S 参数来描述它们,而是用在规定参考平面上、在规定端接条件下、对照一个容差的参数来描述它们。只有当一份校准针对该容差报告了这些参数,它才算完整。
- 仪器是通用的,方法却是针对具体设备的。
- 一份证书必须体现四件事:标准所定义的那个参数、参考平面与端接条件、对照标准容差给出的结果,以及属于该参数本身的不确定度。
- 一份写着“插入损耗”或“S 参数,50 Ω”的认可范围描述的是一项测量,它本身并不等于一项 LISN、ISN 或 CDN 校准。
本文并非针对任何一家实验室。许多综合性校准实验室在这方面做得很好。本文想说的是该看什么,因为决定方法是否被覆盖的是认可范围,而不是证书上的标志。
标准定义的是参数,不是仪器
CISPR 16-1-2 规定了用于传导发射测量的人工电源网络(AMN 或 LISN)与阻抗稳定网络 (ISN)。IEC 61000-4-6 则在其附录 A 中规定了用于传导抗扰度的耦合去耦网络 (CDN)。这些条款中没有一条提到网络分析仪。它们规定的是量本身、该量定义在哪个端口上、测量时其他端口接什么,以及容差是多少。
| 设备 | 标准定义的内容 | 在哪里、在什么条件下 |
|---|---|---|
| LISN / AMN CISPR 16-1-2 |
被测设备 (EUT) 端子处的阻抗幅值与相位,对照 50 Ω / 50 µH 曲线,容差为 ±20 % 与 ±11.5°。被测设备 (EUT) 端子与接收机端口之间的电压分压系数。电源端子与接收机端口之间的隔离度。 | 50 µH 网络为 9 kHz 至 30 MHz。接收机端口以 50 Ω 端接。电源端子处于标准规定的状态。参考平面位于被测设备 (EUT) 端子处,这意味着把这些端子转成同轴端口的那个转接器也是测量的一部分。 |
| ISN CISPR 16-1-2、CISPR 32 |
被测设备 (EUT) 端口处的共模阻抗,150 Ω,并带有幅值与相位容差。对应该 ISN 所属类别值的纵向转换损耗 (LCL)。至接收机端口的电压分压系数。辅助设备端口与被测设备 (EUT) 端口之间的去耦度。 | 覆盖传导发射频段,AE 端口按标准要求端接。LCL 按标准所引用的 ITU-T 平衡法测量,而不是一次两端口传输测量。 |
| CDN IEC 61000-4-6 附录 A |
被测设备 (EUT) 端口处的共模阻抗,150 Ω,容差随频段而变。从射频输入到被测设备 (EUT) 端口的电压分压系数,电平设置程序正是依赖于它。朝向 AE 端口的去耦度。 | 至少 150 kHz 至 80 MHz,测试延伸到该处时为 230 MHz。全部被测设备 (EUT) 端子并接在一起,经 150 Ω 转 50 Ω 转接器引出,AE 端口按规定端接。该转接器是定义的一部分,它本身也需要校准。 |
为什么单纯的 S21 不是电压分压系数
网络分析仪给出的是 S21:离开端口 2 的波除以入射到端口 1 的波,两者都以 50 Ω 为参考。LISN 的电压分压系数则是另一回事:被测设备 (EUT) 端子上的电压除以接收机端口上的电压。只有当被测设备 (EUT) 端口看起来像 50 Ω 时,两者才相等。50 µH 网络并非如此。它在被测设备 (EUT) 端口的阻抗在 9 kHz 时约为 5 Ω,在 150 kHz 时约为 34 Ω,直到接近 30 MHz 才趋近 50 Ω。在此之下,分析仪入射波的一部分在尚未变成端子上的电压之前就被反射掉了,而一个原始的 S21 读数会把这部分反射一并算进“分压系数”里。
两者的差异并不只是理论上的。采用 CISPR 16-1-2 中的标称阻抗曲线:
| 频率 | 被测设备端口标称阻抗 | 原始 S21 与真实分压系数之差 |
|---|---|---|
| 9 kHz | 约 5 Ω,27° | 相差约 14 dB |
| 150 kHz | 约 34 Ω,47° | 相差约 1 dB |
| 30 MHz | 约 50 Ω,接近 0° | 小于 0.1 dB |
对于一台处在 CISPR 32 或 CISPR 14-1 限值线附近的产品,150 kHz 处的 1 dB 就是合格与不合格之差。而 9 kHz 处的 14 dB,会让一份 CISPR 15 或 CISPR 11 第 2 组的结果失去意义。用分析仪得到分压系数有两种正确做法:同时测量 S11 与 S21 并换算成端子电压比,或者经由一个已对其自身特性完成表征的、位于被测设备 (EUT) 端子处的规定转接器来测量。两种做法都是正当的。两者都要求把阻抗与转接器纳入方法之中,并纳入不确定度评定。这就是“拥有一台网络分析仪”与“拥有一套 LISN 方法”之间的区别。
阻抗是参考平面上的一个量,不是回波损耗
同样的逻辑适用于阻抗。S11 或回波损耗是以分析仪端口处的 50 Ω 为参考的。标准的容差却是被测设备 (EUT) 端子处以欧姆和度表示的,而这些端子后面还隔着一个转接器:香蕉插座、电源插座,或是转成同轴连接器的接线端子排。转接器必须经过表征或去嵌入,接收机端口必须以 50 Ω 端接,其余端子也必须处于标准所描述的状态。±11.5° 的相位容差最容易让人栽跟头。几厘米未被计入的转接器长度,就会在频段上端造成数度的相位偏移,而相位不合格与幅值不合格一样,都是不符合项。
ISN:LCL 不是一种衰减
用于通信或数据端口的阻抗稳定网络有一个参数是任何两端口传输测量都无法给出的:纵向转换损耗。LCL 描述的是该网络把共模信号阻挡在线对上、使其不转换为差模信号的能力。它按 CISPR 16-1-2 从 ITU-T 引用的平衡法测量,所用夹具自身的平衡度必须远优于被验证的数值。为 6 类布线设计的 ISN 规定值为 75 dB,夹具必须优于该值并留有余量。一份只报告插入损耗却自称是 ISN 校准的证书,最多只测了分压系数。共模阻抗、LCL 与去耦度是彼此独立的参数,在一份合格的认可范围上,每一项都应该有自己的一行。
CDN:转接器是定义的一部分
对于耦合去耦网络,标准把配置写得很明确。共模阻抗必须在全部被测设备 (EUT) 端子并接在一起、并经 150 Ω 转 50 Ω 转接器接到分析仪、AE 端口按规定端接的条件下测量。容差为 150 Ω,在 26 MHz 以下较严、以上较宽。分压系数也要经同一个转接器测量,因为测试中的电平设置程序正是这样使用它的。若把 CDN 当作一个裸的 50 Ω 两端口来测,证书上的数值就不是测试方法所需要的那些数值。而转接器本身又需要对插入损耗与回波损耗进行校准,并且应当在认可范围上单独占一行。
不确定度评定也不一样
单纯 S21 或 S11 测量的不确定度涵盖的是分析仪、校准件和一次同轴连接。一份 LISN、ISN 或 CDN 校准除了这些之外,还必须计入由配置引入的附加分量,而这些分量在 50 Ω 的 S 参数评定中根本不会出现:
- 在一个并非 50 Ω 的端口上,把反射测量换算为阻抗;
- 把 S21 转换成电压分压系数的端子电压修正;
- 被测设备 (EUT) 端子与同轴参考平面之间的转接器,以及它被去除得有多干净;
- 对于 CDN 与 ISN,150 Ω 转接器及其与接地平板的连接;
- 用于测量纵向转换损耗的夹具的平衡度;
- 端子、插座与短接连线连接的重复性。
其中有些分量比分析仪自身的贡献还要大。一家针对该参数获得认可的实验室,已经在其不确定度评定中逐项评估过它们,并经认可机构审查。而一项针对 S 参数声明的能力则没有,这正是为什么 S21 的不确定度不能直接搬到分压系数、阻抗或 LCL 上。
如何在两分钟内读懂一份认可范围
任何一家认可实验室的认可范围都是公开的。在接受一份 LISN、ISN 或 CDN 的报价之前,或在下一次评审之前,打开您手上那份证书所属实验室的认可范围,查看五件事。
审核员可以合理提出什么要求
ISO/IEC 17025 要求实验室对其准确度或测量不确定度会影响结果有效性的设备进行校准,并为其实际使用的量建立溯源性。在一次传导发射测试中,贵方使用的量是加到接收机读数上的分压系数,以及定义该测量的阻抗。在一次传导抗扰度测试中,则是 CDN 阻抗和电平设置背后的分压系数。一份针对同一台设备报告 50 Ω 传输测量结果的证书,无论所用分析仪多好,都没有为这些量建立溯源性。这就是不符合项的由来,而且它针对的是方法,不是持有该网络的实验室。
我们所依据的认可范围按参数列出了 LISN、AMN 与 ISN 校准以及 CDN 校准:人工网络的阻抗幅值与相位、电压分压系数、隔离度与 LCL,CDN 的阻抗、分压系数与去耦度,150 Ω 转接器也单独列为一行。LISN 与 ISN 和 CDN 两个页面列出了各项参数与范围。若贵方持有其他机构出具的证书而不确定它覆盖了什么,请发给我们。我们会在贵方的审核员之前,告诉您它建立了什么、没有建立什么。
“…the law is a very precise endeavor.”(法律是一门极其讲求精确的行当。)
校准也是一样。标准写的是“电压分压系数”,而您回答“S21”,属于同一类答案。