EMC 避坑指南 · 技术笔记

电波暗室是辐射不确定度评定中最大的分量之一

每一座 EMC 电波暗室都要在 1 GHz 以下以归一化场地衰减、在 1 GHz 以上以场地电压驻波比加以验证。CISPR 16-4-2 把这两项结果合成为测量仪器不确定度中的一个分量,而这个分量在每一份辐射不确定度评定中都属于最大的两项之一。它在评定中位于何处、如何计算,以及更好的验证结果能换来多少分贝。

一份辐射发射测试报告会给出扩展不确定度,而 CISPR 16-4-2 决定实验室该如何使用它。如果实验室的数值不大于 CISPR 公布的数值,测量结果就按实测值与限值比较。如果更大,超出的部分要在比较之前加到测量结果上,于是一件原本低于限值 1 dB 的产品也可能判为不合格。实验室往往把这个数字当作固定不变的。其实不然。电波暗室自身的验证结果——1 GHz 以下的归一化场地衰减偏差与 1 GHz 以上的场地电压驻波比——正是这项计算的一个输入量,而标准允许用实测值取代容差。

要点速览
  • 归一化场地衰减用于验证 30 MHz 至 1 GHz 的场地:两副天线之间实测的场地衰减,经各自天线系数归一化后,在每一个位置、每一个高度与每一种极化下都应在理论值的 ±4 dB 以内。场地电压驻波比用于验证 1 GHz 至 18 GHz:当发射天线沿测量轴移动时,接收信号的变化不应超过 6 dB。
  • CISPR 16-4-2 把两者都作为“场地不完善”项纳入不确定度评定:1 GHz 以下为 δAN,半宽 ±4 dB,三角分布,得到标准不确定度 1.63 dB;1 GHz 以上为 δSVSWR,以场地电压驻波比的一半作为半宽,对于 6 dB 的场地得到 1.22 dB。
  • 在把 UCISPR 定为 6.3 dB 的 3 m 开阔试验场地与半电波暗室评定中,场地项仅次于天线的方向性修正;在 10 m 距离下,它则以明显优势成为最大的一项。标准允许实验室用自己实测的偏差代入,一座验证结果为 2 dB 而非 4 dB 的电波暗室,可使 3 m 距离下的扩展不确定度减小约 0.7 dB,10 m 距离下减小约 0.8 dB。

每座电波暗室都要做的两项验证

归一化场地衰减,30 MHz 至 1 GHz

归一化场地衰减,见于 CISPR 16-1-4 与 ANSI C63.4,指发射天线与接收天线在规定位置之间的传输损耗,并扣除两副天线的天线系数,使剩下的量只反映场地本身的性质。接收天线在 1 m 至 4 m 的高度范围内扫描,记录最小损耗值。对于电波暗室,发射天线依次置于试验空间的中心、前、后、左、右,在两个高度、两种极化下测量,以便让来自墙面、天花板与参考地平面边缘的反射都被激励出来。实测值与标准针对理想参考地平面列出的理论归一化场地衰减比较,在每一个频率、位置、高度与极化下,差值都应在 ±4 dB 以内。标准中没有任何条款放宽这一数值:达不到的场地就不是有效场地。

场地电压驻波比,1 GHz 至 18 GHz

在 1 GHz 以上,决定场地优劣的是吸波材料,而不是参考地平面。场地电压驻波比测量的是:当发射天线沿指向接收天线的直线、在 40 cm 范围内分六步移动时,接收信号的变化有多大,测点遍布整个试验空间并涵盖两种极化。在一个完美的自由空间场地中,接收电平只随距离变化,别无其他。反射会使其产生起伏,经距离修正后的峰峰起伏值就是场地电压驻波比。CISPR 16-1-4 允许 6 dB。之所以称为驻波比,是因为这种起伏正是直射路径与反射路径之间的驻波所造成的。

场地从哪里进入不确定度评定

CISPR 16-4-2 用一组输入量构建测量仪器不确定度:接收机读数、电缆衰减、天线系数及其修正、接收机的脉冲响应与正弦波电压修正、失配,以及一组场地修正。每一项都取估计值为零,并给定半宽与概率分布,标准不确定度即半宽除以该分布对应的除数:以 k = 2 给出的正态分布为 2,矩形分布为 √3,三角分布为 √6,U 形分布为 √2。合成标准不确定度是所有各项的方和根,扩展不确定度则是它的两倍。

场地在这组场地修正中占据其中一项。

频率范围输入量半宽分布标准不确定度为何采用该分布
30 MHz 至 1 GHzδAN,由归一化场地衰减结果得出的场地不完善±4.0 dB,即 CISPR 16-1-4 的容差三角分布1.63 dB注释 D7:满足 4 dB 容差的场地不大可能在骚扰测量中造成 4 dB 的误差,因此取值区间的两端被视为小概率。
1 GHz 至 18 GHz,方法 2δSVSWR,由场地电压驻波比结果得出的场地不完善±3.0 dB,即 6 dB 场地电压驻波比容差的一半三角分布1.22 dB注释 E6:场地电压驻波比取自 15 次或 20 次比对测量中的最大值,因此任何单次测量的误差最可能接近零。
1 GHz 至 18 GHz,方法 1δSVSWR±4.0 dB,即 6 dB 的场地电压驻波比所对应的、相对理想传输损耗的偏差正态分布,k = 31.33 dB注释 E6:在整个频段内均不超过 4 dB,因此将其视为置信度极高的边界。

表 1 中公布的 UCISPR 数值正是来自这些不确定度评定:30 MHz 至 1 GHz 的开阔试验场地或半电波暗室为 6.3 dB,同一频段的全电波暗室为 5.3 dB,1 GHz 至 6 GHz 为 5.2 dB,6 GHz 至 18 GHz 为 5.5 dB。每一个数值都取自支撑它的那几张表中的最恶劣情形,而对于开阔试验场地与半电波暗室的数值,这一最恶劣情形是 3 m 距离、200 MHz 至 1 GHz 的垂直极化,即表 D.4。1 GHz 以上没有单独的喇叭天线评定:表 E.1 与表 E.2 对双脊波导喇叭天线和对数周期天线同样适用,唯一与天线有关的一行是交叉极化,而标准认为喇叭天线的这一项可以忽略,场地项对两者则是相同的。

表 D.4:垂直极化,200 MHz 至 1 GHz,3 m 距离的开阔试验场地或半电波暗室 U = 6.3 dB 3 m 处的方向性差异 1.80 场地不完善,NSA 1.63 对数周期天线系数 1.00 脉冲幅度响应 0.87 脉冲重复响应 0.87 天线至接收机失配 0.67 3 m 处相位中心位置 0.58 交叉极化 0.52 正弦波电压 0.50 接近本底噪声,3 m 0.29 试验台材料 0.29 天线系数频率插值 0.17 间隔距离 0.17 接收机读数 0.10 电缆衰减 0.10 天线系数随高度的变化 0.06 试验台高度 0.05 平衡度 0.00 标准不确定度 ciu(xi),单位 dB,条形长度按比例 表 E.1:1 GHz 至 6 GHz,3 m 距离的全电波暗室或自由空间开阔试验场地 U = 5.2 dB 场地不完善,SVSWR 1.22 天线至前置放大器失配 1.00 前置放大器至接收机失配 0.92 方向性差异 0.87 试验台材料 0.87 正弦波电压 0.75 前置放大器增益不稳定 0.70 交叉极化 0.52 天线系数 0.50 接近本底噪声 0.40 天线系数频率插值 0.17 3 m 处相位中心位置 0.17 间隔距离 0.17 电缆衰减 0.15 接收机读数 0.10 前置放大器增益 0.10 试验台高度 0.00 标准不确定度 ciu(xi),单位 dB,条形长度按比例
确定 3 m 辐射测量 UCISPR 的两份不确定度评定中的全部输入量,按大小排序,场地项以红色表示。数值为 CISPR 16-4-2:2011 及其第 1:2014 号修订所列的标准不确定度;表 D.4 的本底噪声一项取自其脚注中的 3 m 数值。

在 1 GHz 以下的 3 m 距离上,场地项仅次于对数周期天线的方向性修正,并远高于天线系数本身。方向性一项是 3 m 距离特有的产物:在 10 m 距离下它从 1.80 dB 降到 0.29 dB,同一份评定给出 5.2 dB,而场地项则以接近合成方差 40% 的占比成为最大的分量。在 1 GHz 以上,场地项仅次于天线与前置放大器之间的失配。在所有情形中,它都占方差的五分之一到五分之二,对于一项大多数实验室只填一次、此后再不回头看的输入量来说,这是相当大的比重。

结果更好时,标准允许你怎么用

两条注释给出的许可是一样的。注释 D7 规定:如果实测的 Dmax——即理论场地衰减与实测场地衰减之间的最大差值——小于 4 dB,实验室在计算 Ulab 时可以把修正量 δAN 取为零,并采用半宽为 Dmax 的三角分布。注释 E6 对场地电压驻波比作了同样的规定:低于 6 dB 的实测场地电压驻波比,在方法 2 下可取其一半作为半宽,在方法 1 下则按 4 × (SVSWR / 6) 换算并取 k = 3。于是进入评定的输入量是电波暗室的实际验证结果,而不是容差。

30 MHz 至 1 GHz,3 m 距离的表 D.4 1 GHz 至 6 GHz,3 m 距离的表 E.1 5.0 5.5 6.0 6.5 0 1 2 3 4 代入 NSA 项的 Dmax,单位 dB UCISPR 6.3 dB 5.4 dB 5.6 dB 6.3 dB 4.5 5.0 5.5 0 2 4 6 代入的 SVSWR,方法 2,单位 dB UCISPR 5.2 dB 4.6 dB 4.7 dB 5.2 dB
当代入评定的场地验证结果从容差逐步减小到零,而其他所有输入量均保持表中数值时,扩展不确定度 Ulab 的变化。曲线趋于平坦,是因为决定下限的是其余各分量,而不是场地。
代入的场地结果场地项的标准不确定度Ulab,3 m 距离的表 D.4,其余均按表中数值对照 UCISPR 6.3 dB
Dmax = 4.0 dB,即容差1.63 dB6.3 dB相等
Dmax = 3.0 dB1.22 dB5.9 dB低 0.4 dB
Dmax = 2.0 dB0.82 dB5.6 dB低 0.7 dB
Dmax = 1.0 dB0.41 dB5.5 dB低 0.8 dB
完美场地,0 dB0.00 dB5.4 dB低 0.9 dB
代入的场地结果场地项的标准不确定度Ulab,3 m 距离的表 E.1,其余均按表中数值对照 UCISPR 5.2 dB
SVSWR = 6.0 dB,方法 21.22 dB5.2 dB相等
SVSWR = 6.0 dB,方法 11.33 dB5.3 dB高 0.1 dB
SVSWR = 4.0 dB,方法 20.82 dB4.9 dB低 0.3 dB
SVSWR = 2.0 dB,方法 20.41 dB4.6 dB低 0.6 dB
完美场地,0 dB0.00 dB4.6 dB低 0.6 dB

这两张表可以读出两点。第一,收益是实在的,但有上限:即便是一座完美的电波暗室,在 1 GHz 以下也只能把扩展不确定度减小不到 1 dB,因为天线系数、接收机的脉冲响应以及对数周期天线在 3 m 处的方向性都原封不动。仅靠一座电波暗室买不到小的不确定度。第二,这份收益现在就能拿到,来自实验室已经持有的一份证书——前提是该证书以能给出 Dmax 的形式报告偏差,并且实验室的质量体系记录了这项替代。方法 1 在 6 dB 容差满值时得到的结果高于 UCISPR,这说明公布值假定使用的是方法 2;采用方法 1 的实验室应当核查自己最终落在 5.2 dB 的哪一侧。

这个数字为何在限值线上举足轻重

CISPR 16-4-2 的第 4.2 条是这一切产生后果的根源。如果 Ulab 不大于 UCISPR,符合性判定依据实测值作出。如果 Ulab 更大,则在与限值比较之前,要把差值 Ulab − UCISPR 加到实测值上。某家实验室若因天线系数不确定度、电缆损耗或失配而在 1 GHz 以下达到 7.0 dB,就等于给每一件产品都加了 0.7 dB 的负担。以实测的 2 dB 的 Dmax 取代 4 dB 容差代入,在 3 m 距离下大致可以把这 0.7 dB 拿回来;在 10 m 距离下可拿回 0.8 dB——同一份评定在那里从 5.2 dB 降到 4.4 dB——并且可以在不更换任何一台仪器的情况下,让实验室重新回到 UCISPR 之下。这就是一份好的场地验证结果的实际价值:它不只是一个合格标记,而是一个可以带进不确定度评定的数字。

该从验证证书里取哪些内容

逐频率、逐位置、逐极化的偏差而不只是一句合格结论。Dmax 是整套数据中的最大差值,而不确定度评定只能使用证书上报告过的数字。
场地电压驻波比要给数值,而不是结论方法 1 或方法 2 换算所用的,是各频段内跨所有位置与极化的最大场地电压驻波比。一份只写“小于 6 dB”的证书什么也换不回来。
在不确定度评定中留下书面记录这项替代由注释 D7 与 E6 许可,评审员会要求看到半宽的来源、证书编号与日期,与数值一并列出。
我们的立场

30 MHz 至 1 GHz 的归一化场地衰减,以及按 CISPR 16-1-4 方法测量的 1 GHz 至 18 GHz 场地电压驻波比,都在我们据以实施验证的 LAB Support Ltd. A2LA 认可 ISO/IEC 17025 范围之内;证书会报告每一个频率、位置、高度与极化下的偏差,因此 Dmax 与最大的场地电压驻波比可以直接从证书取用,代入 CISPR 16-4-2 的不确定度评定。场地验证指南列出了各项参数。如果贵方的评定中仍然沿用 4 dB 与 6 dB 的容差,而贵方的电波暗室实际表现更好,请把证书和评定发给我们,我们会说明这项替代对贵方场地值多少。

“Never tell me the odds.”(别跟我讲胜算。)
韩·索罗,《帝国反击战》

CISPR 16-4-2 偏偏非讲不可。好消息是,更好的电波暗室能把胜算提高。

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