EMC 避坑指南 · 技术笔记

30 MHz 以下,电波暗室现在也必须证明自己

CISPR 16-1-4 为 9 kHz 至 30 MHz 增加了场地验证要求:用一对环天线测量归一化场地插入损耗。本文简要介绍该方法及其几何布置,说明它对在 3 m 或 10 m 处测量磁场的实验室意味着什么,并给出一间半电波暗室的实测结果。

自从半电波暗室开始接受验证以来,验证就是从 30 MHz 起步的。归一化场地衰减覆盖 30 MHz 至 1 GHz,场地电压驻波比覆盖其以上的频段。30 MHz 以下,实验室在同一间暗室里用环天线在 3 m 或 10 m 处测量磁场,却没有人追问这间暗室在该频段究竟好不好。CISPR 16-1-4 第四版的第 2 号修订(2023 年)以新增的第 5 条填补了这一空白,2025 年的第五版原样保留。这套方法叫作归一化场地插入损耗,即 NSIL,是 NSA 在低频段的对应物。

要点速览
  • 凡用于 9 kHz 至 30 MHz 辐射骚扰测量的开阔试验场地(OATS)或半电波暗室(SAC),都应按 CISPR 16-1-4 第 5.5 条的 NSIL 方法、在实际试验所用的距离上验证:3 m、5 m 或 10 m。
  • 两副环天线置于 1.3 m 高度,三种取向、五个发射位置,共 15 次场地插入损耗扫描。实测的插入损耗在扣除两副天线的天线系数后,与按同一几何布置数值仿真算出的数值相比较。
  • 合格判据是在每一个频率、每一种取向和每一个位置上都在 ±4 dB 以内。10 m 暗室若达不到,仍可继续使用,但须增大测量不确定度。

一个公式讲清方法

NSIL 借用了 NSA 背后的思路:把场地的贡献与天线的贡献分离开来,使任何一对经过校准的天线都测得场地的同一属性。发射环天线以固定电平激励,接收环天线的输出读取两次:一次是把两根电缆用转接器直接对接,得到 VDIRECT;另一次是把电缆接到处于场地内各自位置上的天线上,得到 VSITE。于是场地插入损耗偏差为

ΔAi = VDIRECT − VSITE − FaH,T − FaH,R − ANi

式中 FaH,T 与 FaH,R 是发射环天线与接收环天线的磁场天线系数,按 CISPR 16-1-6 校准;ANi 是归一化场地插入损耗,即在扣除天线系数后,一个理想场地在该几何布置下应呈现的插入损耗。偏差 ΔAi 就是场地额外带来的部分,也正是要对照判据评判的那个数值。

与 NSA 的差别在于 ANi 从何而来。对 NSA,标准直接给出表格,因为赫兹偶极子足以作为天线的模型;而对 30 MHz 以下的环天线则不然。附录 H 表明,NSIL 的数值取决于每副环天线的直径,以及测量时其馈电点所处的位置,因此不可能有一张通用表格。取而代之的是:ANi 应针对实际使用的环天线,用数值电磁计算程序 NEC、按附录中给出的模型文件计算,附录 J 则规定了该仿真应达到的准确程度。因此,提供 NSIL 服务的校准实验室必须为自己的环天线带来自己的仿真参考值,而不是照抄标准中的表格。

几何布置

布置方式由第 5.5.1 条与图 5 至图 7 确定。

  • 场地。开阔试验场地(OATS)、带气候防护罩的开阔试验场地,或半电波暗室(SAC)。即带接地平板的半自由空间环境,与 NSA 相同。
  • 距离。3 m、5 m 或 10 m,取产品测量实际所用的那一个;距离在两副环天线的参考点之间量取,并在每一个位置上保持不变。
  • 高度。两副环天线均置于接地平板上方 1.3 m 处。两副天线都不作升降扫描。
  • 取向。共三种:Hx 为两环共轴,沿测量轴线相对;Hy 为两环共面且位于同一垂直平面内;Hz 为两环共面且水平放置。
  • 位置。发射环天线放在试验空间的中心,以及其周边的四个点:前、后、左、右。接收环天线随之移动,使距离保持不变。五个位置乘以三种取向,即 15 次插入损耗扫描。
  • 频率步长。不得粗于:至 20 kHz 为 1 kHz,至 150 kHz 为 5 kHz,至 1 MHz 为 50 kHz,至 30 MHz 为 100 kHz,整个频段共 345 个点。
  • 细节事项。建议信噪比不低于 20 dB,实际达到的数值要计入不确定度评定。发射与接收电缆不得经暗室壁板连接器形成接地环路;建议在试验空间内的电缆上每隔 20 cm 套一只磁环。
试验空间直径 1.5 m(NSIL Hx) 两副环天线均在 h = 1.3 m 中心 转台上的发射环天线位置 中心 左 / 右:接收环天线留在此处,两副环天线转向彼此相对 接收环天线位置 d = 3 m,接收环天线至发射环天线 接收环天线移动 1.5 m 三种取向,一对环天线的侧视图 Hx,共轴 两环沿轴线相对 Hy,共面垂直 两环位于同一垂直平面内 Hz,共面水平 两环水平放置,高度相同
Hx 取向的俯视图,依据 CISPR 16-1-4 的图 6 绘制,按 3 m 距离与 1.5 m 试验空间画出。发射环天线在轴线上取中心、前、后三个位置,接收环天线随之移动相同的距离,以保持 d = 3 m。对于左、右两个位置,接收环天线留在其中心位置,两副环天线转向彼此相对。Hy 与 Hz 重复同样的五个位置。

判据,以及 10 m 的例外

表 2 只给出一个限值:无论距离是 3 m、5 m 还是 10 m,偏差 ΔAi 在所有频率、全部三种取向和全部五个位置上都应在 ±4 dB 以内。表中对 10 m 半电波暗室附有一条脚注:测量表明,有些暗室无法在整个频段内满足 ±4 dB,标准允许其继续使用,前提是把增大的不确定度带入合格判定。附录 K 给出了其中的算术:CISPR 对磁场测量的不确定度假定场地贡献为 ±4 dB,当场地超出这一数值时,实验室自身的不确定度随之增大,超出的部分要在与限值比较之前加到实测场强上。这在限值线附近是实实在在的代价,正因如此,实验室宁可知道自家暗室的偏差,也不愿只凭假设。

这项要求适用于谁

这项要求跟着测量方法走,而不是跟着产品类型走。凡是按 CISPR 16-2-3、用环天线在 3 m、5 m 或 10 m 处测量辐射骚扰的开阔试验场地或半电波暗室,都属于第 5 条期望加以验证的场地。具体来说:

  • CISPR 11 工业、科学和医疗设备,其 30 MHz 以下的磁场限值适用于 3 m 或 10 m,包括感应加热与无线电力传输。
  • CISPR 14-1 与 CISPR 15 家用电器与照明产品,当实验室选择在一定距离上用环天线测量、而不采用大环天线系统时。大环天线系统在附录 B 中另有自己的验证方法,不使用 NSIL。
  • CISPR 36 电动汽车与混合动力汽车,其 30 MHz 以下的辐射限值用环天线在 3 m 或 10 m 处测量。
  • 凡认可范围中就场地引用了 CISPR 16-1-4 的实验室,因为评审员看的是现行版本及其第 5 条。

由此给实验室带来三项后果。其一,场地档案中除 NSA 与场地电压驻波比之外,又多了第三项验证,且按同样的周期复验。其二,30 MHz 以下经验证的试验空间由发射环天线所放置的位置界定,因此更大的被测设备(EUT)需要把周边位置外移并重新测量。其三,校准证书必须载明所用环天线的仿真 NSIL 数值,否则偏差既无法复现,也无法核查。

一间通过验证的暗室是什么样子

下面的曲线来自我们在某试验实验室一间 10 m 半电波暗室中所做的 NSIL 验证,测量距离 3 m,试验空间 1.5 m,环天线高度 1.3 m。发射天线为 60 cm 无源环天线,接收天线为 60 cm 有源环天线,该对天线的参考 NSIL 按附录 H 的要求计算得出。每幅图给出五个发射位置的偏差 ΔAi,对照 ±4 dB 判据,覆盖表 1 所列的 345 个频率。

-6 -4 -2 0 +2 +4 +6 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz +4 dB 判据 −4 dB 判据 Hx,共轴 最大偏差 -1.2 dB,出现在 26.2 MHz -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz +4 dB 判据 −4 dB 判据 Hy,共面垂直 最大偏差 +2.1 dB,出现在 19.1 MHz -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz +4 dB 判据 −4 dB 判据 Hz,共面水平 最大偏差 +1.6 dB,出现在 30 MHz 中心 ΔAi,单位 dB,横轴为频率(对数刻度)
在一间 10 m 半电波暗室中实测的 NSIL 偏差,距离 3 m,试验空间 1.5 m,环天线高度 1.3 m。每种取向五个发射位置,9 kHz 至 30 MHz 共 345 个频率,对照表 2 的 ±4 dB 判据评判。

有两点值得注意。其一,在每一种取向下,五个位置的曲线几乎完全重合,说明接地平板与周围环境对整个 1.5 m 试验空间一视同仁。其二,偏差在整个频段内保持在约 2 dB 以内,最大值为 Hy 取向下 19 MHz 附近的 2.1 dB,只有判据所允许的一半。一间为 30 MHz 以上测量而建、并有像样接地平板的暗室,在 3 m 距离上通过验证还留有充裕的余量。同一间暗室在 10 m 距离上,环天线更靠近壁面、场地插入损耗也高得多,那正是表 2 的脚注所针对的情形。

在预约验证之前

有一项决定要由试验实验室自己作出,其余都是校准实验室的分内事——称职的校准实验室不会把这些推给您。

贵方的部分

先定下距离与试验空间验证是在贵方实际试验所用的距离上进行的,而那五个位置界定了此后可以使用的空间。这两项都应根据贵方所测的产品来决定,而不是按暗室的标称尺寸来定;请告知贵方在 30 MHz 以下预计会遇到的最大被测设备(EUT)。

校准实验室的部分

仿真参考值证书上的 NSIL 数值是按附录 H、针对实际使用的那一对环天线、根据其直径与馈电位置推算得出的。我们会带来自己环天线的仿真结果;一张通用表格并不是标准所要求的东西。
天线系数两副环天线的磁场天线系数在出发前已按 CISPR 16-1-6、在表 1 规定的频率步长上完成校准,或按附录 L 给出二者之和,并在证书上载明。
电缆、接地环路与噪声第 5.5.1 条的动态范围检查、避免经壁板连接器形成接地环路的走线方式、电缆上的磁环以及信噪比,都属于校准实验室的布置工作,实际达到的数值会计入其不确定度评定。
我们的立场

9 kHz 至 30 MHz 的 NSIL,与 NSA、场地电压驻波比一道,包含在我们依据 LAB Support Ltd. 的认可范围现场实施的场地验证工作之中,使用一对 60 cm 环天线,并按附录 H 的要求为该对天线仿真计算 NSIL 数值。场地验证指南列出了这些参数。如果贵方暗室用于 30 MHz 以下的环天线测量、却从未在该频段做过验证,请把测量距离与贵方所测最大产品的尺寸发给我们,我们会与您一起规划各个位置。

“…to boldly go where no man has gone before.”(……勇踏前人未至之境。)
《星际迷航》片头旁白。

场地验证如今已经踏进 30 MHz 以下,暗室也必须跟上。

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