標準ANSI C63.4-2014新要求

劉麒 周海貝 蔣玉妹 / 上海市計量測試技術研究院

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標準ANSI C63.4-2014新要求

劉麒 周海貝 蔣玉妹 / 上海市計量測試技術研究院

摘 要介紹美國電磁兼容標準 ANSI C63.4-2014的新要求，包括天線、測試場地、1 GHz以上輻射騷擾測量及其他特殊要求，并對復合型天線的驗證及場地歸一化衰減的最新方法進行重點闡述。

關鍵詞ANSI C63.4；電磁兼容；復合型天線；阻抗；衰減器

0　引言

ANSI C63.4-2014《低壓電子電器設備無線電噪聲發(fā)射測量方法，頻率范圍9 kHz～40 GHz》，由美國國家標準化協(xié)會(ANSI)認可的電磁兼容標準認可委員會（C63）制定。C63由美國政府部門有影響的制造業(yè)、檢測部門和有關的標準協(xié)會組成，其中包括FCC、IEEE、美國鐵道協(xié)會、計算機和商用設備制造協(xié)會、電動汽車制造協(xié)會、國家電信和信息局、國家標準和技術協(xié)會、安全工業(yè)協(xié)會、美國空車等成員組織。它是一個重要的EMC基礎標準。

該標準規(guī)定了電磁兼容發(fā)射的測量方法，但沒有規(guī)定限值，因此要想針對某一特定產(chǎn)品符合美國要求（如ITE或TV）進行電磁兼容檢測及認證，則需結(jié)合該標準的測量方法，再加上美國特定法規(guī)所規(guī)定的限值以及適用的頻率范圍和測試距離等內(nèi)容。ANSI C63.4最新版本為2014年，相比前一版本2009年，標準內(nèi)容變化較大，需要進行特別說明。

1　測試天線

1.1天線的種類

在ANSI C63.4-2014標準中，根據(jù)天線的使用場合分為三種天線：預測量或比對使用的天線、最終符合性測量使用的天線、場地驗證使用的天線。同時在不同使用場合下，又根據(jù)不同頻率范圍定義了不同類別的天線，具體區(qū)別見表1～表3。在實際測量中應注意區(qū)分，不能混用。

表1　預測量或比對時使用的天線

上述天線在使用中除了考慮頻率范圍外，還應注意如下三點：

1）9kHz～30 MHz 輻射騷擾測量分為電場測量及磁場測量。對于電場測量，根據(jù)不同標準或規(guī)范有的選用棒狀天線，比如CISPR 25、MIL-STD-461F等，有的選用環(huán)形天線，比如FCC Part 15。對于磁場測量應使用環(huán)形天線；

2）有源天線在使用中應注意前置預放的飽和或過載，一旦出現(xiàn)飽和或過載現(xiàn)象應采取必要措施，比如在預放前端加衰減器或帶阻濾波器等；

3）喇叭天線的口徑應盡量小，以便滿足瑞利（遠場）的距離要求，即Rm = 2D2/λ，其中D為天線口徑的最大尺寸，λ為波長。

表2　最終符合性測量時使用的天線

表3　場地驗證時使用的天線

1.2復合型天線使用的特別說明

事實上，大部分實驗室在進行30 MHz～1 GHz輻射騷擾測量中會使用復合型天線（雙錐與對數(shù)結(jié)合的寬帶天線）。ANSI C63.4-2014標準中明確提出，如果實驗室使用復合型天線，則必須滿足附錄N的要求，具體內(nèi)容如下：

1.2.1天線尺寸

由于天線在任何極化方向，其最低位置不能低于接地參考平面上方25 cm，同時測量中需要天線定位在高度1 m，所以天線的寬與高不得超過1.50 m× 1.50 m。

1.2.2天線電壓駐波比

復合型天線輸出端口的電壓駐波VSWR≤2.5,頻率范圍：30 MHz～1 GHz。大部分復合型天線在200 MHz以下駐波很大，一般都要超過10，所以可以將阻抗匹配衰減器（HAIMP）接在天線輸出端口，以滿足電壓駐波的要求。如果駐波測量中外接了該衰減器，則在實際測試中也必須接上并對衰減量進行補償。電壓駐波比的測量必須由具有天線校準資質(zhì)的實驗室完成。

1.2.3天線對稱性

復合型天線的對稱性≤±1 dB，頻率范圍：30 MHz～1 GHz。對稱性驗證方法參見ANSI C63.5-2006的相應條款。天線對稱性測量必須由具有天線校準資質(zhì)的實驗室完成。

1.2.4天線符合性驗證

復合型天線的符合性驗證應按照ANSI C63.4-2014附錄N中規(guī)定的過程進行，驗證結(jié)果必須滿足如下要求：

ΔE3mH≤±2.5 dB；ΔE3mV≤±2.5 dB；頻率范圍：30 ～200 MHz；

ΔE10mH≤±2.4 dB；ΔE10mV≤±2.4 dB；頻率范圍：30 ～200 MHz。

1.2.4.1天線符合性驗證的主要設備

1）兩個相同規(guī)格的標準雙錐天線，一個作為發(fā)射，另一個作為接收；

2）復合型天線，為了滿足電壓駐波比的要求，該天線最好帶有阻抗匹配衰減器（HAIMP）；

3）兩個10 dB衰減器，一個接在發(fā)射天線的輸入端口，另一個接在接收機或頻譜儀的輸入端口；

4）前置放大器，在10 m距離進行驗證時，前置放大器可通過增加信噪比來提升接收信號的動態(tài)范圍。前置放大器在3 m距離驗證時容易過載或飽和，不建議使用。

1.2.4.2天線符合性驗證過程

天線的符合性分別在3 m及10 m距離進行驗證，驗證過程基本相同。現(xiàn)以3 m距離為例說明驗證過程如下：

1）作為發(fā)射的雙錐天線固定在轉(zhuǎn)臺中心，高度1 m，天線水平極化，將10 dB衰減器接在發(fā)射天線的輸入端口，并通過電纜連接到信號源；

2）作為接收的雙錐天線在距離發(fā)射天線3 m的地方固定在天線塔上，天線水平極化，將天線輸出端口通過電纜連接到接收機或頻譜儀，中間靠近接收端口的位置上安裝10 dB衰減器（具體布置見圖1）；

3）信號源在頻率范圍30～200 MHz發(fā)射信號VT，接收天線從1～4 m升降的同時，記錄接收天線接收到的最大值S21，BB3H。該值的信噪比應控制在20 dB以上，接收機中頻帶寬應設置為120 kHz，掃描步進為中頻帶寬的一半；

4）將作為接收的雙錐天線移走，由復合型天線代替，并保持與發(fā)射天線3 m的距離。如果該天線配有阻抗匹配衰減器（HAIMP），則應接上，并記錄阻抗匹配衰減器的衰減量LHAIMP（具體布置見圖2）；

5）重復步驟3），期間保持接收機及信號源設置不變，記錄接收天線接收到的最大值S21，BH3H。

由上述過程可知，前后兩次測量在水平極化的電場強度分別可用如下公式表示：

圖1　雙錐天線符合性驗證布置

圖2　復合型天線符合性驗證布置

式中：EBB3H—— 在3 m距離，雙錐天線在水平極化測量的電場強度；

EBH3H—— 在3 m距離，復合型天線在水平極化測量的電場強度；

FSAFbiconical—— 雙錐天線的自由空間天線系數(shù)；

FSAFhybrid—— 復合型天線的自由空間天線系數(shù)

兩次測量的電場強度差異為

同樣在垂直極化，前后兩次測量的電場強度的差異為

通過式（3）以及式（4），就能算出兩次測量的電場強度差異，根據(jù)標準要求該偏差不能超過±2.5 dB。

2　測試場地

ANSI C63.4-2014對于輻射騷擾測試場地的特殊要求分為低頻（9 kHz～30 MHz），中頻（30 MHz～1 GHz）和高頻（1 ～40 GHz）三部分。

2.1低頻

9 kHz～30 MHz輻射騷擾測試建議在屏蔽室或暗室中進行，對于磁場測量優(yōu)先選用在不帶參考接地平面的全波暗室中進行。

2.2中頻

30 MHz～1 GHz輻射騷擾測試建議在開闊場或者半電波暗室中進行，并要求對測試場地進行歸一化場地衰減的測量驗證。場地的驗證過程應按照ANSI C63.4-2014附錄D進行，驗證結(jié)果必須滿足NSA≤4 dB。

在ANSI C63.4-2014標準中，對于歸一化場地衰減NSA給出了新的公式：

式中：Vdirect—— 第一次直連電纜接收的電壓，dBuV；

Vsite—— 第二次連接天線接收到的最大電壓，dBuV；

AFT—— 發(fā)射天線的天線因子，dB/m；

AFR—— 接收天線的天線因子，dB/m；

ΔAFTOT—— 互阻抗校正因子，dB；

GSCF —— 特殊幾何校正因子 ，dB

上述公式中應注意如下幾點：

1）AFT、AFR為自由空間天線因子（FSAF），有別于標準場地法（SSM）校準直接得到的因子。在ANSI C63.5-2006附錄G中明確指出,使用雙錐天線在30 ～200 MHz所使用的天線因子必須采用下式進行轉(zhuǎn)換：

“天線因子 (標準場地法) － 修正值ΔAF (表G.1) = 自由空間天線因子FSAF（dB）”；

2）ΔAFTOT僅在3 m距離、在30 ～180 MHz并用諧振偶極子天線進行場地驗證時需要該校正因子；

3）GSCF僅在30 ～200 MHz、使用寬帶天線進行場地驗證時需要該校正因子，公式中尤指雙錐天線。

2.3高頻

ANSI C63.4-2014規(guī)定，1 GHz以上輻射騷擾測試在電波暗室中進行。對于3 m法測試場地符合如下兩條件之一就可滿足使用要求：

1）滿足CISPR 16-1-4:2010場地電壓駐波SVSWR≤6 dB（1～18 GHz）。如果在暗室的參考接地平面上鋪設吸波材料，則吸波材料高度應≤0.3 m，入射衰減量≥20 dB；

2）滿足吸波材料鋪設要求，即鋪設區(qū)域應覆蓋（見圖3）。長：（2.3 m + 轉(zhuǎn)臺直徑)或3.8 m取大者；寬：≥3.6 m；鋪設中應注意吸波材料延伸轉(zhuǎn)臺邊緣至少30 cm，延伸天線相位中心后方至少50 cm（延伸后可能會碰到天線塔的基座，只要不影響天線塔升降即是允許的）。轉(zhuǎn)臺與參考接地平面之間縫隙的邊緣±1 cm可不鋪吸波材料。吸波材料高度應≤0.3 m，入射衰減量應≥20 dB。

圖3　吸波材料鋪設

上述要求針對3 m測試距離而言，如果是10 m測試距離，則應符合條件1）。18 ～40 GHz頻率范圍沒有場地驗證要求。

3　1GHz以上輻射騷擾測量

美國標準ANSI C63.4-2014中，對于1 GHz以上輻射騷擾測試天線的使用方法有別于國際標準CISPR 16-2-3：2010以及我國標準GB/T 6113.203-2008。

1 GHz以上喇叭天線測試接收原理見圖4。由于喇叭天線的主波瓣寬度（即3 dB波瓣寬度）相對較小，影響了天線接收的范圍（白色陰影部分），而受試產(chǎn)品EUT在1 GHz以上產(chǎn)生的騷擾源的方向性較強（深色陰影部分）。當天線從1～4 m升降的過程中，為了保證天線在任一高度能夠接收到騷擾源的最大值，必須使天線的照射方向始終指向騷擾源。同時騷擾源在EUT的任何位置、任何方向上都有可能存在，所以還必須確保喇叭天線的照射區(qū)域能夠覆蓋整個EUT。照射區(qū)域S可按下式進行計算：

式中：D —— 接收天線與受試樣品EUT之間的距離，m；

BW —— 喇叭天線的3 dB波瓣寬度，(°)

圖4　1　GHz以上喇叭天線接收原理

4　其他特殊要求

4.1頻譜分析儀

頻譜分析儀用峰值檢波器進行平均值測量時，視頻寬帶（VBW）最小應設置為1 Hz，具體測量過程參見ANSI C63.4-2014的4.2.4.2章節(jié)及附錄H。

4.2線性阻抗網(wǎng)絡

根據(jù)ANSI C63.4-2014的4.3章節(jié)要求，傳導騷擾測試使用的線性阻抗網(wǎng)絡的阻抗特性必須在標準規(guī)定阻抗值的±20%范圍內(nèi)（9 kHz～30 MHz）。如果測量中使用了電源轉(zhuǎn)接頭或者延長線，則該網(wǎng)絡在接有電源轉(zhuǎn)接頭或者延長線的情況下，其阻抗特性必須在標準規(guī)定阻抗值的+30%～-20%范圍內(nèi)（9 kHz～30 MHz）。對于阻抗網(wǎng)絡的相位沒有要求。

4.3EUT支撐實驗桌

EUT支撐實驗桌典型尺寸為1 m×1.5 m,表面高度80 cm。在輻射騷擾測量中，桌子的電磁波反射會影響測量結(jié)果，故實驗桌的介電常數(shù)建議低于1.3，并要求在200 MHz～18 GHz頻段時對桌面反射的影響進行評估，評估結(jié)果應作為輻射騷擾測量不確定度評定的影響量之一。在200 MHz～1 GHz頻段，評估方法可參考CISPR 16-1-4:2010的5.5章節(jié)。在1～18 GHz頻段，評估方法與低頻段相同，除了接收天線固定高度1 m，無需升降。對于18 GHz以上頻段，不做評估要求。

4.4參考接地平面

參考接地平面與地之間應直連，不允許以建筑的金屬構件作為轉(zhuǎn)接。任何連接點之間的直流電阻應≤2.5 mΩ。

4.5測試報告

測試報告中應包含環(huán)境條件、試驗標準、EUT樣品型號、序列號、工作狀態(tài)等描述、試驗布置照片、測試設備清單、測試結(jié)果與數(shù)據(jù)、測試場地、測試過程、測試不確定度等。

5　結(jié)語

綜上所述，標準 ANSI C63.4-2014在試驗設備、試驗場地、試驗方法等方面都提出了新的要求，試驗人員應特別注意新要求的變化可能對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，并采取相應的措施以滿足新標準的要求。

參考文獻

[1] American National Standards Institute，ANSI C63.4-2014[S]. New York：ANSI，2014.

[2] American National Standards Institute，ANSI C63.5-2006[S]. New York：ANSI，2006.

[3] 張輝、王俊青. ANSI C63.4-2014解析[J].安全與電磁兼容，2015 （5）：24-25.

New requirements of ANSI C63.4-2014

Liu Qi，Zhou Haibei，Jiang Yumei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Abstract:The latest requirements of United States standard for electromagnetic compatibility (EMC) ANSI C63.4-2014 are introduced in the paper, including requirements of antenna, test site, the radiated emission measurements above 1 GHz and other particular requirements. The verification of the hybrid antenna and the newest method of normalized site attenuation (NSA) are especially illuminated.

Key word:ANSI C63.4; EMC; hybrid antenna; impedance; attenuator