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对大型系统进行现场预一致性测试

2021-06-11 09:48:40 Kenneth Wyatt 阅读:
大型工业系统需要采用完全不同的技术来评估辐射发射。它们通常要使用固定的三相电源,并且由许多不同的子系统组成。

去年,我有幸对几个大型系统的辐射发射进行了预一致性测试。这些大型落地式系统在进行正式一致性测试之前要经过麻烦的打包和运输工作,因此客户希望在此之前先获得早期测试数据。VCeednc

大型工业系统需要采用完全不同的技术来评估辐射发射。它们通常要使用固定的三相电源,并且由许多不同的子系统组成。实际上,大多数真正的大型系统都在安装时进行了正式的一致性测试,即所谓的“现场”测试,而对ISM(工业、科学与医疗)产品来说则通常是IEC 61326。VCeednc

通常,即使是大型系统,我也会使用“三步”过程来评估辐射发射。这个过程在以下参考文献中有所描述。VCeednc

第一步是使用近场探头和频谱分析仪来表征主要的发射谐波。将测量设备放在可旋转的桌子上会很有帮助。我需要测量电路板,确定主要的能量源,然后记录其谐波分布并确定4到5个主要谐波。我还要对这些分布是窄带、宽带还是两者的组合进行跟踪。VCeednc

一旦了解了主要能量源及其特征谐波分布,第二步便是使用RF电流探头,测量电缆采样(尤其是I/O线和电源线),因为这些电缆通常是主要的“类天线”结构。谐波分布也要记录下来,然后识别出4到5个主要谐波。VCeednc

整理了频谱特性之后,现在就应能对主导谐波具有很好的了解。对于本文中的特例,250MHz处的以太网谐波之一最高。VCeednc

这时,就需要确定主要的发射波瓣位于什么角度。这个客户确实挺有帮助——他在被测系统的表面外划了一个3m的圆圈,并用蓝色胶带每30度标记了一次(图1)。这样,如果被测设备(EUT)是矩形的话,那么平均距离就可能足够了。VCeednc

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图1:在地板上离被测系统3m处每30度粘贴一条蓝色胶带。VCeednc

为了确定主要发射波瓣的位置,可以使用第三步:用一根简单的天线来识别正在辐射的实际谐波。我将我的手持式AIM-TTI型PSA6502T频谱分析仪连接到一根Kent Electronics 400至1000MHz PCB天线上,测量了所有罗盘点上的250MHz主发射,然后记录了每个点的近似振幅。这样就能清楚地看到了主要的发射波瓣。VCeednc

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图2:用一只手握住频谱分析仪,另一只手握住天线,与地板上的蓝色胶带对齐,然后测量每个30度罗盘点上的主要250MHz发射。VCeednc

确定了主要波瓣后,我把校准好的Chase CBL6111A EMI天线安装在了它的三脚架上,然后在每个主要波瓣处测量了从30到1000MHz的整个发射频谱。我将Tektronix RSA306B频谱分析仪与其EMCVu预一致性软件一起配合使用,后者可快速绘出发射相对于测试极限的位置,识别并“减去”来自环境发射机(FM/TV广播、蜂窝等)的任何非EUT发射。事先了解主要波瓣可减少所需的测量点数量。VCeednc

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图3:在主要发射波瓣处进行校准测量的设置。VCeednc

手动测量

尽管EMCVu软件会根据测试极限预先计算裕量并自动考虑系统增益/损耗,但是如果要执行手动测量——即获取每个主要谐波并与该频率下的测试极限进行比较——则也需要在测量设置中手动考虑所有系统增益/损耗(图4)。VCeednc

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图4:手动预一致性测量需要考虑系统的所有增益和损耗,从而计算天线在每个谐波频率下所捕获的电场。VCeednc

要根据标准指定的测试极限值手动计算每个主要谐波,就需要根据以下等式在谐波频率上加减每个因数:VCeednc

E-field(dBμV/m) = SpecAn(dBμV) - PreampGain(dB) + Attn(dB) + CoaxLoss(dB) + AntFactor(dB/m)VCeednc

测量技巧

有时,可以在天线端口处放置一个6dB衰减器来“均衡”端口阻抗,因为它会随频率发生很大变化。如果可以在不使用前置放大器的情况下观察到谐波信号,则可以忽略这个因素。VCeednc

同轴电缆的损耗通常不大(长度较短的话为1到2dB),但也可以根据制造商的dB/100ft值进行估算,或者更好的是使用矢量信号分析仪或使用频谱分析仪上的跟踪发生器选件进行实际测量(请参阅参考文献1)。VCeednc

请注意,如果使用对数周期天线,类似于3中所示的前部元件,则在天线吊杆上应有一个标记,指示这里是天线的电气“中心”,而且应将这个点与地板上的3米标记对齐。VCeednc

注意到天线同轴电缆上所有的铁氧体扼流圈吗?它们有助于将电缆与测量隔离。理想情况下,应将电缆放置在天线后方,这会有所帮助。测量期间,需要确保没有人站在天线的前面或附近。VCeednc

环境发射

在屏蔽室外进行传导发射或辐射发射测试时,会立即遇到的一个问题是来自FM和TV广播发射机、蜂窝电话和双向无线电设备等信号源的环境信号的数量。使用外部天线时,这尤其是个问题。通常,我会在分析仪上使用“最大保持”模式运行基线图绘制,建立一个复合环境图。然后激活其他迹线,进行实际测量。例如,我经常在屏幕上至少得到两个图或迹线:环境基线和实际的一致性测量结果。VCeednc

幸运的是,可以通过三种方式解决这个问题:VCeednc

1.在大多数情况下,可以观察到一系列呈谐波关系分布的产品发射。通常,这些谐波都是由相同的源所产生的,而如果有一个或多个谐波受到环境信号掩盖,那么对其他更可见的谐波进行工作通常就会使整批谐波下降。VCeednc

2.在某些情况下,环境发射机会掩盖掉某个关键谐波。一个很好的例子是100MHz谐波会隐藏在99.9MHz大型FM广播电台之下。在这种情况下,我会尝试将分辨率带宽(RBW)从100或120kHz降低到1kHz或更小。这通常可以“滤除”FM电台的调制,借此就可观察到隐藏的谐波。这里也假定谐波是未调制的连续波(CW)信号。只要确定降低RBW并不会降低谐波幅度即可。如果谐波受到了调制,则可能无法正常工作,这就可能必须移至安静的测量地点。VCeednc

3.让一致性测试远离城市发射机(现在说起来容易做起来难)。VCeednc

在完成所有校准测量之后,就可以对系统的辐射发射是否通过提供很好的估计。整个过程耗时约一天。VCeednc

对于希望走这条路的公司来说,假设您最终相对极限值获得了足够的裕量,那么我会很乐意将这些数据用到测试报告中来声称进行了一致性自检。但是,如果有任何疑问,或者环境频谱太嘈杂,以至于“工程判断”可能会有些疑问,那么我就会请第三方EMC测试实验室来确认您的报告结果。VCeednc

Kenneth Wyatt是Wyatt Technical Services公司的总裁兼首席顾问。VCeednc

参考文献

Wyatt, Using a Tracking Generator, EDNVCeednc

Wyatt, Temporary Radiated Emissions Test Sites, EDNVCeednc

Wyatt, Pre-Compliance Testing for Radiated Emissions – Answering Questions, EDNVCeednc

Wyatt, Developing An In-House EMC Troubleshooting & Pre-Compliance Test Lab, Interference TechnologyVCeednc

Wyatt, EMI Pre-Compliance Testing, Interference TechnologyVCeednc

André and Wyatt, EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers, 2014, SciTech Publishing.VCeednc

Wyatt, Create Your Own EMC Troubleshooting Kit (Volume 1), 2020, WTS Publishers.VCeednc

本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Pre-compliance testing large systems in-situ。由赵明灿编译。)VCeednc

本文为《电子技术设计》2021年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里VCeednc

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