开关电源的电磁兼容性设计、测试和典型案例
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4.2 射频辐射电磁场抗扰度试验

射频辐射电磁场抗扰试验的国家标准在国内已经出过两个版本,分别是GB/T 17626.3—1998(等同于国际标准IEC61000—4—3:1995)和GB/T17626.3—2006(等同于国际标准IEC61000—4—3:2002)。考虑到国内多数产品的相关标准尚未修订,因此这两个标准的应用在国内,至少在目前,实际上是并存的。由于这两个标准并不存在根本性的不同,所以在标准的介绍中,仍以GB/T17626.3—1998为主,后面将介绍GB/T17626.3—2006与它的差异。

4.2.1 射频辐射电磁场抗扰度试验的由来

射频辐射电磁场干扰是人们最早考虑的电磁干扰,早在1934年,国际电工委员委(IEC)就成立了国际无线电干扰标准化特别委员会(CISPR),不过当时主要研究骚扰对通信和广播接收效果的影响,并因此制定了一些产品族的电磁兼容标准,旨在限制这些设备的电磁骚扰的发射,以便实施对通信和广播的保护。

真正把射频辐射电磁场作为对电子设备抗干扰能力的考核而写进电磁兼容抗扰度标准,要首推IEC的TC65委员会(研究工业过程测量与控制装置的专业委员会)。它在1984年出版的IEC801—3标准中,首次把射频辐射电磁场与静电放电等并列在一起,作为对电子设备抗扰度试验中最主要的几种试验方法。

从当年的IEC801—3到现今的IEC61000—4—3,辐射电磁场的抗扰度试验还是有了很大的演变:首先,测试的频率范围从27~500MHz扩展为80~1000MHz;其次,试验中增加了调幅的要求(用1kHz调幅,调制深度80%);最后,试验规定在电波暗室中进行。

4.2.2 射频辐射电磁场抗扰度试验

对设备产生干扰的射频辐射电磁场除了可以由电台、电视台、固定或移动式无线电发射台和各种工业辐射源所产生外,这种干扰还可以由电焊机、晶闸管整流器、荧光灯以及在开关电感性负载时产生,后者主要表现为传导性质的干扰,将由GB/T17626.6标准(对应的国际标准为IEC61000—4—6)进行考核。

事实上GB/T17626.3标准把个人使用的移动电话作为辐射源的考虑重点,这一方面是由于当前移动电话使用的普遍性,另一方面是因为移动电话的使用人员与设备之间的距离特别近,所以移动电话在局部范围内对设备产生的辐射干扰就特别强。作为佐证,标准在附录部分专门有一节提到英国和法国电气研究部门的研究结果,他们通过对0.15~12W的甚高频(VHF)和超高频(UHF)移动电话工作时所产生的场强进行统计,得出了一个场强平均值的经验表达式:

E=3P1/2/d

式中,3为经验常数;

P为移动电话的额定功率,单位为W;

d为移动电话天线与被干扰设备的距离,单位为m。

上式表明,当移动电话离开设备很近时,由移动电话所产生的辐射电磁场强度可以达到几十V/m,远大于标准规定的最大严酷度等级(10V/m)。从这里不难看出移动电话对电子设备的干扰作用了。

4.2.3 射频辐射电磁场的试验等级

如前所述,当前标准的适用频率范围为80~1000MHz,较当初27~500MHz的上限扩展了1倍,这与IEC61000—4—3:1995标准颁布时移动电话采用的载频达到900MHz不无关系。这说明测试频率的选择是与科学技术的发展密切相关的。

标准下限频率从27MHz提升为80MHz,恐怕与下面几个因素有关。

(1)频率越低,天线的发射效率越低。对于3m法电波暗室的试验,当场强要求达到10V/m时,经计算,发射频率为30MHz时,输入天线的射频功率要达到714.3W(见钱振宇:《电磁兼容测试和对策技术》,《电器技术》1999年特辑)。若再要考虑80%的调幅时,输入到天线的射频瞬时功率还要增加4倍,换言之,输入天线的最大功率要达到3kW,使得设备价格几乎不能接受。

(2)电波暗室是GB/T17626.3标准首选的试验场地。为了避免因电磁波反射造成的测试结果不正确,电波暗室中的吸波材料(常用掺碳粉的泡沫塑料担当,吸收体做成尖锥状,称为尖劈,挂在电波暗室的墙上和天花板上)长度与试验的最低频率有关,要求吸收体的长度达到波长的 才能有效。由于30MHz电磁波的波长为10m,所以吸收体的长度要达到2.5~5m才有较好的吸收效果。显然保持电波暗室的有效空间不变,则试验频率越低,暗室建造时所占用的场地面积就越大,花费的代价也就越高。

(3)通常在27~500MHz范围内要用两副天线,200MHz以下用双锥天线,200MHz以上用对数周期天线,使试验很不方便。如今国外在80~1000MHz范围内己经可以用一副复合天线来完成全部射频辐射电磁场抗扰度试验了。

基于以上事实,GB/T17626.3标准把试验频率定为80~1000MHz是适当的。事实上对80MHz以下频率并非不做试验,只是改用由射频场感应所引起的传导抗扰度试验罢了(见GB/T17626.6标准)。因此整个由射频辐射场引起的干扰试验的频率范围是150kHz~1000MHz,分为两段,150kHz~80MHz范围内做传导抗扰度试验,80MHz~1000MHz做辐射抗扰度试验。

除试验频率范围外,标准还要求用1kHz的正弦波对载波频率进行幅度调制,以便模拟语音信号对载波频率的幅度调制情况。调幅波的采用使得辐射波的瞬时功率较只用载波信号的辐射情况几乎大了4倍,因此试验的严酷度一下子提高了不少。图4.8所示为载波和调幅波的试验波形。

被试设备的试验等级是根据其最终安装环境的电磁情况来选择的,但对大多数产品来说,由于产品族和产品标准已经充分考虑了使用的环境,所以它们的试验等级已经确定。

图4.8 射频辐射电磁场的试验波形

GB/T17626.3标准把试验等级分为1、2、3级,对应的试验场强分别为1V/m、3V/m、10V/m。其中,等级1为低电平的电磁辐射环境,如在离开电台和电视台1km以外地方的辐射情况;等级2为中等电磁辐射环境,如附近有小功率的移动电话在使用,这是一种典型的商业环境;等级3为严酷的电磁辐射环境,如有移动电话在靠近设备的地方使用(距离小于1m),或附近有大功率广播发射机和工科医设备在工作,这是典型的工业环境。

4.2.4 射频辐射电磁场抗扰度试验的试验方法(实验室型式试验)

标准规定射频辐射电磁场抗扰度的型式试验在电波暗室中进行。除了电波暗室,在标准的附录D中还提到了其他的试验方法,如TEM小室和带状线,用于小型被试品的辐射抗扰度试验,但产生的辐射电磁场的频率范围不广,为直流至150MHz的线性极化场。标准中也提到了经过特殊设计的GTEM小室可以得到较高的频率范围,并容纳较大的被试品。为此在本节中专门讲述在电波暗室中的试验方法,另外再用一节(见4.2.6节)介绍GTEM小室的试验方法。后一方法的试验配置用在尺寸较小的被试品试验中具有较高的性价比,可望为较多的企业所接受。

1.试验议器

下面是完成射频辐射电磁场试验至少有的仪器清单。

(1)信号发生器:要覆盖相关的试验频段,能以1kHz的正弦波调幅至80%,并具有以1.5×10-3十倍频程/秒或更低的速率自动扫频的能力。例如使用射频频率合成器,要求能对频率的步进幅度和停顿时间进行编程。此外,上述信号发生器还应有手动设置的功能。

(2)功率放大器:用于放大未调制和已调制的信号,并通过天线建立电磁场,使之达到所需要的等级。通常在80~1000MHz范围内要用2~3个不同的放大器才能全部覆盖。但国外己有覆盖80~1000MHz全频段的单个功率放大器出售。

(3)天线:用于产生所需的电磁场。在标准所规定的频段内一般要用两种形式的天线(分别是双锥天线和对数周期天线)。在国外已有能覆盖80~1000MHz全频段的复合天线可供使用(如图4.9所示),这简化了试验的配置,有助于降低系统硬件的价格;同时也避免了在试验中需要在两种天线间的切换,简化了试验方法。

图4.9 复合天线

(4)一个能监视水平和垂直极化的场强探头(或各向同性的监视天线):用以监视被试设备侧的射频辐射电磁场强度。

(5)一台能记录规定场强的场强测试议:通过场强测试仪应能进一步控制信号发生器送到功率放大器的信号幅度,最终使加在被试设备上的场强维持稳定。

由于上述仪器的价格不菲,所以在实际使用中往往还要配上计算机与应用软件,构成一个闭环控制的自动测试系统。

2.试验场地及其校验

1)试验场地的一般要求

试验在电波暗室中进行。

电波暗室相对于试品来说,应具有足够的空间,而且在试品周围空间还要有均匀场的特性。

电波暗室的均匀性每年校准一次。另外,每当暗室内布置发生变化时(如更换吸波材料、试验位置的移动或试验设备的改变等),也要重新校准。

天线与试品间的距离取决于试品的大小。对于小试品,即使天线与试品间距小至1m,也能足够保证试品正面辐照区的场的均匀性,这时就可以采用1m法进行试验。

标准规定试品与产生电磁场的天线距离不得小于1m。试品与天线之间的最佳距离是3m。当对试验的距离有争议时,应优先使用3m法。

但对大型设备,即使采用3m法试验,也难以保证试品正面辐照区的均匀性,这时就该选用更大的试验场地。

这里所谓几米的测量距离,是这样规定的:对于双锥天线,是指天线中央到试品正面的距离;对于数周期天线,是指天线的顶端到试品正面的距离,如图4.10所示。

图4.10 采用不同天线时的测量距离规定

2)场地校验

按标准要求,场地校验要用到“均匀场”的概念。这是在电磁场中虚拟一个垂直平面,平面与试品的正面相重合。均匀场的面积为1.5m×1.5m。对于半电波暗室,由于无法在接近参考接地板处建立均匀场,所以虚拟均匀场的离地高度不得低于0.8m。将来试品的安放高度也不得低于此值。

场地校准以今后试验时采用的天线和试品的距离为依据,优先选用3m法。

场地校准是在试品没有放入的情况下进行的,否则场的均匀度会因为试品存在而产生畸变。

校准中,信号发生器不加调幅,直接用载波信号送到功率放大器,最后经天线发射到测试场地。

校验中要用各向同性场强监视天线(探头)。在1.5m见方的虚拟平面上每隔0.5m作为一个检验点,总共有16个点,要求其中12个点的场强变化(注意:要在整个频率范围内的各检验频点上)在0~+6dB之间。校验中采用的场强即为今后做试验时用的场强。

校验时,每次频率的递增幅度为前一校验频率的10%。例如,在80~1000MHz范围内校验场的均匀性,首次校验频率为80MHz,以后各次的校验频率为88MHz、96.8MHz、105.48MHz、116.028MHz……直至1000MHz。

下面是手动校验场强所采取的8个步骤:

(1)把场强探头放在16个校正点中的某一个位置上。

(2)把馈送到天线去的功率加大到可以获取1V/m、3V/m或10V/m的程度。

(3)保持放大器输出功率不变的情况下,在其余15个点上测量场强。

(4)对16个点上的场强值进行研究,剔除场强变化最大的4个点。

(5)检查余下12点上的场强变化是否在±3dB。

(6)利用12个点上场强最低的这个点为基准,要保证全部12个点的场强是在规定值基础上的0~6dB之间。

(7)记录步骤(6)中所选点上的场强,以及射频功率放大器的输出功率。

(8)以前述频率为基础,取增幅10%为新的测试频率点,再重复(1)~(7)步。

注意:要测试水平和垂直两个极化方向的场地均匀性。

为了解决半电波暗室中地面对虚拟平面的场的均匀性的影响,校验中可有选择地在地面上布置一些吸波材料,并把这些材料调整到一个合适的位置上,以保证在整个频率范围内,虚拟平面上的场均匀性。

上述校验过程是非常耗费时间的。接下来的工作便是将收集来的16个校正点在每一频率点上的场强,以及输至天线去的射频功率的数据都输送到计算机里,以便通过控制软件的作用,自动对全频段范围内的场强均匀性进行控制。

如图4.11所示是场地均匀性的校验图。

图4.11 场地均匀性的校验

3.射频辐射电磁场抗扰度试验

1)基本要求

试验在电波暗室中进行,试验人员不得进入暗室,用工业电视监视试品的工作情况(或从试品引出可说明试品工作状态的信号至测定室,由专门仪器予以判定)。

暗室内有天线(包括天线升降塔)、转台、试品及工业电视摄像机。

工作人员和测定试品性能的仪器、信号发生器、场强测定仪器、计算机等设备放在测定室里。射频功率放大器则放在功放室里。

在试验中,试验的布局(包括布线)非常讲究,应尽量详细地记录在案(必要时通过数码相机拍摄布局和布线情况),以便重现和对比试验结果。

2)试验布置

对于台式试品,应放在0.8m高的非金属工作台上,它可以防止试品的偶尔接地及产生场的失真。台式试品的试验布置如图4.12所示。

对于地面试品,要放在0.1m高的非金属支架上;对于一些体积不大,分量不重的地面试品,在经过产品专业委员会的同意下,也可以放在工作台上做试验,但要在试验报告中予以说明。地面试品的试验布置如图4.13所示。

图4.12 台式试品的试验布置

图4.13 地面试品的试验布置

对于试品的输入/输出线,如无特殊现定,应使用不加屏蔽的平行线,其曝露在电磁场中的长度为1m,走向与均匀场平行。

对试品壳体之间的布线按下法处理:

(1)使用制造厂规定的线型和接头。

(2)如无特殊规定,若连接导线的长度小于或等于3m,则直接采用此连接线,并将其捆扎成1m长的感应较小的线束。

(3)如果生产厂用的连接导线长度大于3m,只要没有其他规定,就应当将导线的受辐照部分减短至1m,而将其余部分用对射频有损耗的铁氧体管套起来,进行退耦,有助于防止试验过度。

如果在线上使用了滤波器来滤除电磁干扰,那么所用的滤波器应不影响试品的工作。

3)试验步骤

试验的扫频范围为80~1000MHz,使用校淮过程中所确定的功率电平,并以1kHz的正弦波来进行调幅,调制深度为80%。扫频的速率不超过1.5×10-3十倍频程/s。若扫频是以步进方式进行,则步进幅度不超过前一频率的1%。且在每一频率下的停顿时间应不少于试品对干扰的响应时间。作为替代,扫频的步幅也可以取前一频率的4%,但此时的试验场强要比前一方案提高一倍。但试验存在争议的时候应以前一方案为准。

试品最好能放在转台上,以便让试品的四个面都有机会朝对天线来接受试验(试品不同面上的抗干扰能力是不同的)。

试品在一个朝对面上要做两次试验:一次是天线处在垂直位置上;另一次天线处在水平位置上。

若试品在不同位置上都能使用,则这个试品的六个面都要依次朝向发射天线来做此试验。

4)场强、试验距离与射频功率放大器之间的关系(供参考)(见表4.3)

表4.3 场强、试验距离与射频功率放大器的关系

4.2.5 射频辐射电磁场抗扰度试验的试验记录

为了保证试验结果的重复性和可比性,试验记录务必详细。试验记录应包含下述内容:

(1)试品尺寸。

(2)试品是按台式还是地面方式(或者是按组合方式)来进行试验的,如果是地面方式,试品是放在离地面高度0.1m还是0.8m处做试验的。如果用前者,在场地校验中还要加测离地面0.4m处的场强,以确定试验的严酷度是否足够。

(3)试验用3m法还是1m法进行。

(4)天线类型。

(5)扫频范围、在每一频率点上的停留时间及扫频步幅。

(6)互连线的类型与数目,以及与这些互连线的试品接口、试验中的布线情况(必要时应附用数码相机拍摄的布线情况照片)。

(7)可以接受的试品性能指标。

(8)试品的运行方式。

此外,试验报告中还应包括试验条件、校准情况和试验结果等内容。

关于试验结论,应参照相应的产品族标准或产品标准的规定,以及实际的试验结果,经判定后做出。

4.2.6 用GTEM小室做射频辐射电磁场抗扰度试验

GETM小室又称为吉赫芝(GHz)横电磁波室,是近十几年才发展起来的新型电磁兼容测试设备,它的工作频率范围可以从直流至数GHz以上,内部可用场区较大,尤其可贵的是小室本身与其配套设备的总价不算过于昂贵,能为大多数企业所接受。因此,GTEM小室在国内取得了长足发展,成为企业对于外型尺寸不算太大的设备(如开关电源和电度表等设备)开展射频辐射电磁场抗扰度试验的首选方案。

1.GTEM小室简介

GTEM小室是根据同轴及非对称矩形传输线原理设计而成的设备。为避免内部电磁波的反射和谐振,GTEM小室在外形上被设计成尖锥形,其输入端采用N型同轴接头,随后中心导体展平成为一块扇形板,称为芯板。在小室的芯板和底板之间形成矩形均匀场区。为了使球面波(严格地说,由N型接头向GTEM小室传播的是球面波,但由于所设计的张角很小,所以该球面波近似于平面波)从输入端到负载端有良好的传输特性,芯板的终端因采用了分布式电阻匹配网络,从而成为无反射终端。GTEM小室的端面还贴有吸波材料,用它对高端频率的电磁波作进一步吸收。因此,在小室的芯板和底板之间产生了一个均匀场强的测试区域。试验时,试品被置于测试区中,为了做到不因为被试设备置入而过于影响场的均匀性,被试设备以不超过芯板和底板之间距离的1/3高度为宜。如图4.14所示是GTEM小室的外形及典型的工作特性。

图4.14 GTEM小室外形及典型的工作特性

2.结构

GTEM小室的结构简图如图4.15所示,现说明如下:

(1)托架安装完毕后置于地面。

(2)铝质板材通过铝的角型材用铆钉相连接,板材内部必须平整,无毛刺。

(3)上、下板与前、后板通过螺钉安装成一个锥形腔体,形成测试空间放置在托架上。

(4)芯板底部用非金属棒支撑,侧壁采用非金属棒支撑,防止芯板与锥形腔体外壁接触,发生短路。

(5)吸波材料安装在吸波材料支撑架上,从锥形腔体的后部放入腔体。

(6)芯板与锥形腔体外壁通过分布电阻相连,保证分布电阻接触良好,阻值准确。

(7)锥形腔体后盖板将GTEM小室后部封闭,防止电磁波泄漏。

(8)馈源头是一个采用氩弧焊焊接而成的整体,采用螺钉安装于锥形腔体前端,形成过渡部件。

(9)将N型接头通过过渡部件(铜质)与芯板连接。

(10)电源配电箱安装于GTEM小室靠近屏蔽门的侧壁上;电源滤波器安装于锥形腔体底部,通过接线板给GTEM室内供电。

(11)试品进出线的通孔位于屏蔽门侧壁上,用于GTEM小室内设备的信号线、测试线进出。

图4.15 GTEM小室的结构

(12)通过单相电源线滤波器,并采用白炽灯给GTEM小室内提供照明。

3.工作原理

GTEM小室中的电场强度与从N型接头输入信号电压V成正比,与芯板距底板垂直距离h成反比:

E=V/h

在50Ω匹配的系统里,芯板对底板的电压与N型接头的信号输入功率之间的关系满足

V=(RP1/2=(50P1/2

故场强为

E=(50P1/2/h

如果考虑实测值与理论值之间的差异,上式还应乘一个系数k,因此实际的电场强度是

E=k(50P1/2/h

从上式可见,若在GTEM小室注入同样的功率,芯板的位置距底板的距离越近(h值越小),则可获得较大的场强;若产生同相的场强,较大空间处(h值越大)需要的输入功率亦较大。

上述结论表明,对于较小的试品,可以把试品放在GTEM小室中比较靠前的位置,这样用比较小的信号输入功率,就可以得到足够高的电场强度。注意:试品的高度不能超过选定位置芯板与底板间距的1/3。

4.性能指标

现以日本ELENAElectronics公司提供的GTEM小室为例(如图4.16所示),表4.4中列出了这些GTEM小室的主要技术特性。

图4.16 日本ELENAElectronics公司生产的GTEM小室外形尺寸

图4.16 日本ELENAElectronics公司生产的GTEM小室外形尺寸(续)

5.GTEM小室在电磁兼容测试中的应用

1)用GTEM小室做试品的射频辐射电磁场抗扰度试验

采用GTEM小室做射频辐射电磁场抗扰度试验的优点如下:

(1)用GTEM产生的电场强度要远大于天线产生的场强,所以用比较小的射频功率放大器可以产生很强的电场,使得整个测试系统的价格大大降低。这对于尺寸不太大的设备来说,是一个非常好的射频辐射电磁场抗扰度试验方案。

(2)由于用GTEM小室做射频辐射电磁场抗扰度试验不需要用天线,所以可以方便地用于自动测试,大大缩短了测试时间,也降低了对试验人员的技术要求。

GTEM小室的射频辐射电磁场抗扰度试验的系统图如图4.17所示,它主要由信号发生器、功率放大器、测试探头、智能场强计、计算机及测试软件、以及GTEM小室组成。

表4.4 日本ELENAElectronics公司GTEM小室的主要技术特性

在图4.17中,当信号源经过放大后注入到GTEM小室的一端(通过N型同轴接头),就能在芯板和底板之间形成很强的均匀电磁场,放置在被测件附近的电场监视探头监测此场强,再经由计算机得到输入功率值,直接调节信号源以求达到所需求的场强值。测控软件控制信号源以一定的步长进行辐射场的频率扫描。另有视频监视器(摄像头安装在GTEM小室里面,图4.17中未画出,试验人员在GTEM小室外通过监视器)观测试品在射频电磁场干扰下的工作情况。

图4.17 采用GTEM小室的射频辐射电磁场抗扰度测试系缆

操作方法如下:

(1)将试品及场探头置于GTEM小室内;

(2)外接信号源,通过功率放大器,在GTEM小室内建立均匀电场;

(3)确定测试频率范围及调制方法和调制深度;

(4)调整信号源输出电平(注意:切勿超过功率放大器允许的最大输入电平);

(5)通过场强监视计监测GTEM小室的场强,使之达到所需的强度;

(6)重复步骤(3)~(5),观测确定被试品的电磁辐射敏感度。

2)用GTEM小室做试品的电磁骚扰辐射发射试验

从原理上说,试品的电磁骚扰辐射发射试验也能在GTEM小室内进行,这时小室内芯板和底板就代替暗室测试中的天线,接收被试设备工作过程中产生的辐射骚扰。GTEM小室的N型接头接干扰接收机,通过干扰接收机便能测试被试设备工作过程中电磁骚扰的辐射发射情况。再通过计算机和处理软件,以定出被试设备辐射发射的测试结果。注意:这里存在一个在GTEM小室中的测试结果和开阔场或电波暗室测试结果的比对问题,从中找出规律(建立数学模型),进行必要的修正,而这也正是GTEM小室测试软件所要解决的问题。另外,被试设备在GTEM小室中摆放的位置不同,会造成芯板与底板之间相对距离的不同,也将是导致测试结果不同的关键因素,试验人员务必给予充分注意。

在GTEM小室内做试品电磁骚扰辐射发射试验的操作方法如下:

(1)将被试设备置于GTEM小室内;

(2)外接干扰接收机,接收被试设备的辐射骚扰电平输出;

(3)根据测试标准要求设置扫描频率的范围和检波方式及分辨率带宽;

(4)干扰接收机测试被试设备的辐射骚扰电平值;

(5)通过计算机及软件进行数据处理,得到最终测试结果。

注意:用GTEM小室无论是做被试品的射频辐射电磁场抗扰度试验,还是做被试品本身在工作中所产生的电磁骚扰辐射发射试验,都有一个极化问题(在开阔场和电波暗室中做测试,是通过改变摆放天线的方向来实现的)。在GTEM小室里,由于芯板和底板扮演了天线的角色,它们的位置是不能变化的,所以要想改变电场的极化方向,只能通过人为地改变被试设备相对于芯板和底板的摆放方向来实现了。

4.2.7 新版国家射频辐射电磁场抗扰度试验标准(GB/T17626.3—2006)简述

由于国际标准的更新,根据IEC61000—4—3:2002(第2.1版)的内容,我国的国家标准也做了相应修订,新版标准的编号为GB/T17626.3—2006。其中最主要的是将试验的上限频率进一步扩展到2GHz,同时高端频率的最高严酷度等级的验试验场强被增至30V/m。本节就来说明新版国家标准与目前尚在采用的标准之间的差异。

1.标准修订的主要原因

近年来电子、电气产品的发展迅速,特别是无线电话和其他无线电发射装置在的使用有了显著的增加,频率也有所扩展(部分移动电话的使用频率已经扩展到了1.8GHz,目前已经在朝3GHz方向发展了)。为了适应这种发展趋势,新版的IEC61000—4—3和GB/T17626.3标准把试验的上限频率扩展到了2GHz(今后完全有可能朝3GHz或更高频率扩展)。

考虑到用户往往是不拘场合、随心所欲地在使用移动电话,部分是在离电子、电气产品距离很近的情况下在使用移动电话,所以就移动电话对近距离内的电子、电气产品来说,产生的场强可能非常强。因此,高端频率的最高严酷度等级的验试验场强被增至30V/m。

2.新标准的试验严酷度等级

1)一般试验等级

表4.5所示为频率范围为80~1000MHz内的优先选择试验等级。

表4.5 在80~1000MHz范围内的优选试验等级

注:×是一个开放级,可在产品规范中规定

表中列出的是未经调制的信号场强,在正式试验时要用1kHz的正弦波对未调制信号进行深度为80%的幅度调制。根据需要,有关产品标准化技术委员会在试验中也可以选择其他的调制方式。

2)针对数字无线电话的射频辐射而设定的试验等级

表4.6所示为频率范围为800~960MHz,及1.4~2.0GHz的优先选择试验等级。

表4.6 在800~960MHz和1.4~2.0GHz范围内的优选试验等级

注:×是一个开放级,可在产品规范中规定

表中列出的是未经调制的信号场强,在正式试验时要用1kHz的正弦波对未调制信号进行深度为80%的幅度调制。如果产品只需要满足某些特定国家的使用要求,则对1.4~2.0GHz的试验范围可缩至只满足当事国数字电话所采用的具体频段,但在试验报告中要反映出这一决定。

产品标准化技术委员会要指定每一频率范围内的试验等级。在表4.5、表4.6提到的频率范围中,只需要对两个试验等级中较高的这一个进行试验就可以了。

表4.5、表4.6中的严酷度等级1、2和3的含义与现行标准是相同的,等级X为一个开放的等级,可通过用户和设备制造商协商,或在产品标准或设备说明书中规定。

通常受试设备的试验等级是根据其最终安装环境的电磁情况来选择的。对大多数产品来说,在它们的产品族和产品标准里考虑了使用的环境,所以它们的试验等级已经确定。

3)试验场地和试验设备

与现行标准一样,规定电波暗室是优先选用的试验场地。要求电波暗室有合适的尺寸,能维持被试品以足够空间的均匀场域。

作为替代方案,标准还可以采用横电磁波室、带状线、不加衬(不加吸收材料)的屏蔽室、局部加衬(加吸收材料)的屏蔽室及开阔场等。但是这些方案在尺寸、频率范围方面各有局限性,有的还可能会违反地方法规(如开阔场)。选用什么样的替代方案,关键是要确保试验条件等效于电波暗室中的条件。

除了电波暗室外,试验仪器的清单除了要考虑上限频率为2GHz和最大场强为30V/m这两个特点外,与现行标准没有根本差别。所需的仪器清单如下:

(1)电磁干扰滤波器。要确保滤波器接在线路上不会引起意外的谐振。

(2)射频信号发生器。要能够覆盖相关的试验频段(上限频率应能达到2GHz以上),能以1kHz的正弦波进行幅度调制,调幅深度达到80%。并具有以1.5×10-3十倍频程/s或更低的速率自动扫频的能力。要能对频率的步进幅度和停顿时间进行编程。信号发生器还应有手动设置的功能。

(3)功率放大器。目前已能做到用单个放大器来覆盖80MHz~1000MHz的频率范围。但对1~2GHz这一频率范围尚需专门有一个放大器来进行放大。放大器产生的谐波和失真电平应比载波电平至少低15dB。

(4)发射天线。在标准所规定的80~1000MHz频段内一般要用两种形式的天线(分别是双锥天线和对数周期天线。前者的使用频率为20~300MHz,后者为200~1000MHz)。有条件的也可以用能覆盖80~1000MHz全频段的复合天线,避免了在试验中需要在两种天线间的切换。但对于1~2GHz的频率范围,则要采用角锥喇叭天线和双脊波导天线(如图4.18所示)来产生极化磁场。

图4.18 频率达到1~2GHz的天线

(5)此外,还要有监视水平和垂直极化的场强探头(或各向同性的监视天线)、用于记录功率电平的场强测试设备,以及构成一个闭环自动测试系统所需的计算机和应用软件。

4)试验场地的校正

在新标准里提出了两种不同的场地校验方法,标准认为用这两种方法得出的场地均匀性是相同的。

(1)恒定场强校准法:

① 把场强探头放在16个校正点中的某一个位置上。

② 把信号发生器频率调至试验频率的下限(如80MHz)。

③ 把馈送到天线去的功率加大到可以获取所需的试验场强值,记录此时的输送功率值(dBm)。

④ 在保持频点不变的情况下,依次对其余15个栅格点进行场强的校准,并记录每一栅格点上的输送功率。

⑤ 对16个点上的输送功率值按升序排列。在研究输送功率的数据时,从最大读数开始检查,向下至少有11个点的读数应该在最大读数的-6~0dB容差范围内。

⑥ 若没有11个点的读数在-6~0dB容差范围内,则按同样程序再继续向下检查读取的数据(在一个频点上,最多有5个可能点)。

⑦ 如果至少有12个点的读数是在6dB范围内,则停止试验程序,记录这些读数中的最大输送功率。

⑧ 以当前频率的1%作为频率增幅,作为新的校准频率点。

⑨ 重复步骤①~⑦,完成对每一频率点的场强校准,直至完成上限频率点的校准为止。

注意,要测试水平和垂直两个极化方向的场地均匀性。

(2)恒定功率校准法:

① 把场强探头放在16个校正点中的某一个位置上。

② 把信号发生器频率调至试验频率的下限(如80MHz)。

③ 把馈送到天线去的功率加大到可以获取所需的试验场强值。记录此时的输送功率值。

④ 在保持频点和输送功率不变的情况下,依次对其余15个栅格点进行场强的测量。

⑤ 对16个点上的场强读数按升序排列。从场强的最小读数开始检查,向上至少有11个点的读数应该在最小读数的0~6dB容差范围内。

⑥若没有11个点的读数在0~6dB容差范围内,则按同样程序再继续向上检查读取的数据(在一个频点上,最多有5个可能点)。

⑦ 如果至少有12个点的读数是在6dB范围内,则停止试验程序,从这些读数中找出最小场强的点作为参考点。计算出建立该参考点场强所需的输送功率值。

⑧ 以当前频率的1%作为频率增幅,作为新的校准频率点。

⑨ 重复步骤①~⑦,完成对每一频率点的场强校准,直至完成上限频率点的校准为止。

注意:要测试水平和垂直两个极化方向的场地均匀性。

不难看出,前面介绍的GB/T17626.3—1998标准的试验场地场强校验办法属于这里所说的恒功率校验法。

4.2.8 射频辐射电磁场试验的标准点评

(1)标准的每一次发展都与技术的发展密切有关,由于现在移动电话的广泛使用,以及移动电话技术的发展,在一些产品标准草案中有将测试的上限频率提高(提高到2000MHz)及试验的场强提高(提高到30V/m)的趋势。

(2)由于电波暗室的造价昂贵,配合电波暗室试验所用的仪器价格不菲,使得射频辐射电磁场抗扰度试验在企业中的普及受到限制,目前主要是一些大型实验室、认证检测机构才能拥有。对于那些有志于提高产品抗辐射能力的中小企业,选用GTEM小室将是一个不错的方案,其代价只有产生同样场强的电波暗室的 ,详见4.2.6节说明。