高性能電源濾波器插損測試研究

南京模擬技術(shù)研究所 彭 飛 辛海洋

高性能電源濾波器插損測試研究

南京模擬技術(shù)研究所 彭 飛 辛海洋

電波暗室環(huán)境使用的濾波器由于其尺寸大、性能高的特點(diǎn)，對其進(jìn)行插入損耗測試存在諸多問題。本文討論了分別使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法和頻譜儀法進(jìn)行濾波器插入損耗測試的特點(diǎn)，給出了暗室用的電源濾波器插入損耗測試應(yīng)采用頻譜儀法進(jìn)行測試，以保證測試的準(zhǔn)確性。

電源濾波器；插入損耗；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；頻譜分析儀

0 引言

電波暗室由于其高性能的要求，對于其使用的電源濾波器往往要求在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的插入損耗，如在頻率范圍14kHz-30MHz內(nèi)，電源濾波器的插入損耗不低于100dB。但是，由于電波暗室所使用的電源濾波器大多為交流220V、380V等高電壓電源提供濾波，且濾波器的額定電流一般在幾十安培，甚至上百安培，導(dǎo)致濾波器本身尺寸較大；另一方面，這類濾波器需要直接與市電供電線相連，為普通低頻線纜，導(dǎo)致濾波器接線端子不能采用射頻連接頭。在對濾波器的插損進(jìn)行測試時，以上濾波器的外形特征會給測試帶來一定困難。本文將對濾波器的插損測試矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法和頻譜儀法進(jìn)行對比分析，給出這類濾波器合理測試建議。

1 濾波器插損測試原理

電波暗室用高性能電源濾波器主要用于暗室電源EMI干擾濾波，保證接入暗室內(nèi)的電源環(huán)境是干凈的，滿足電磁兼容測試的供電要求。一般而言，濾波器的主要性能指標(biāo)包括插入損耗、頻率特性、阻抗匹配、額定電流值、絕緣電阻值、漏電流、物理尺寸及重量、使用環(huán)境以及本身的可靠性。在使用時考慮最多的是額定電壓電流值、插入損耗和漏電流三項，而本文主要討論濾波器的參數(shù)：插入損耗。

濾波器插入損耗是指有用信號通過的能力，插入損耗越大表示信號通過能力越弱。濾波器插入損耗測試分為共模和差模測試，測試原理圖如圖1所示。在濾波器的輸入端連接信號發(fā)生器，在輸出端連接接收機(jī)，二者測試的差別在于地線的連接。當(dāng)源阻抗和負(fù)載阻抗等于50Ω時，插入損耗定義為：不加電源濾波器時從干擾源傳遞到負(fù)載的干擾電壓V0與接入濾波器時負(fù)載上的干擾電源V1之比，通常用(1)式表示：

式中IL為插入損耗，單位dB。

圖1 電源濾波器插入損耗測試原理圖

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試方法，借助輔助測試裝置，分別采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀對其插入損耗進(jìn)行測試和對比。

2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行濾波器插損測試較為簡單，采用雙端口測試方法，將濾波器接入到端口1和端口2，直接測試濾波器的S21參數(shù)，即可得到測試頻段范圍內(nèi)的濾波器插入損耗值。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對一款共模電源濾波器進(jìn)行測試，對該濾波器進(jìn)行共模插入損耗測試，濾波器外殼接地，但線纜沒有進(jìn)行屏蔽，射頻線纜一端為N型射頻接頭，另一端為金屬夾子，方便直接與濾波器輸入輸出線連接?？梢缘玫皆?0kHz-1GHz范圍內(nèi)的插入損耗結(jié)果，在14kHz-30MHz范圍內(nèi)，插入損耗低于70dB。但是，以上測試結(jié)果離濾波器的實際性能相距較遠(yuǎn)，原因如下：

（1）測試沒有在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，空間環(huán)境中的干擾噪聲過多，容易耦合到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口，造成接收信號偏大，降低插入損耗；

（2）測試過程中，濾波器輸入輸出線纜沒有進(jìn)行屏蔽包裹處理，且輸入輸出線之間沒有進(jìn)行隔離，造成輸入線上信號耦合至輸出線，這一耦合對測試結(jié)果的影響極大，會大大降低插入損耗的測試值；

（3）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在屏蔽室環(huán)境下的本底噪聲電平高于-100dBm，此時測試S21參數(shù)，是不可能得到插損大于100dB的值的；

（4）射頻線纜與濾波器線纜之間的阻抗不匹配，會使測試結(jié)果受到影響。

綜上，鑒于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自身結(jié)構(gòu)以及濾波器尺寸較大的特點(diǎn)，是很難做到在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試條件下，將濾波器輸入輸出線進(jìn)行充分隔離的。因此，本文將采用頻譜儀法進(jìn)行測試。

3 頻譜儀法

濾波器插入損耗頻譜儀測試法原理是將濾波器和信號源置于屏蔽室內(nèi)，頻譜儀或接收機(jī)置于屏蔽室外，以實現(xiàn)濾波器輸入輸出之間的隔離；同時，屏蔽室的封閉環(huán)境也消除了外部空間電磁干擾對濾波器的耦合。這里采用接收機(jī)作為信號接收設(shè)備，測試頻率范圍為14kHz-30MHz。首先將信號源與接收機(jī)進(jìn)行直連，測試在特定頻點(diǎn)上的線纜損耗，結(jié)果如表1所示。

表1 線纜插入損耗

然后，將濾波器接入到信號源和接收機(jī)之間，同樣對濾波器進(jìn)行共模插入損耗測試；將濾波器輸入、輸出線用黃銅布進(jìn)行屏蔽包裹，且濾波器輸出線通過屏蔽室穿孔穿出屏蔽室，盡量減少輸出線在屏蔽室內(nèi)的長度，濾波器通過黃銅布接地，接地良好，測試過程中屏蔽門關(guān)閉。信號源輸出0dBm，分別測試如表1所示頻點(diǎn)，讀取接收機(jī)讀數(shù)再加上表1中的路徑損耗，即可得到各頻點(diǎn)處濾波器的插入損耗值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 頻譜儀法測試結(jié)果

不難看出：

（1）采用頻譜儀法進(jìn)行插入損耗測試，測試結(jié)果會大大提高，尤其是在高頻段，測試結(jié)果比矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法提高超過30dB，這是因為頻譜儀法由于信號源與接收機(jī)相分離，可以很好地解決空間以及輸入輸出線之間的耦合；

（2）當(dāng)對更高頻段的線損進(jìn)行校準(zhǔn)后，可以采用該方法測試濾波器在更寬頻率范圍內(nèi)的插入損耗；

（3）頻譜儀法測試只能得到點(diǎn)頻測試結(jié)果，但可以通過密集取點(diǎn)的方法得到更多頻點(diǎn)上的插入損耗值。

4 結(jié)論

對于高插入損耗、大尺寸電源濾波器測試，測試的關(guān)鍵是對濾波器進(jìn)行充分屏蔽，屏蔽部位包括殼體、線纜等各個會引起空間耦合處。由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自身結(jié)構(gòu)上不能夠?qū)⒍丝?和端口2進(jìn)行充分隔離，屏蔽很難充分進(jìn)行，會使得直接采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試方法得到的測試結(jié)果誤差較大。若采用頻譜儀法進(jìn)行測量可以很好地解決對應(yīng)的問題，能夠較為準(zhǔn)確地得到測試結(jié)果。

[1]劉峰,何為,等．寬帶電磁干擾電源濾波器及其性能測試[J]．防護(hù)工程,2013,35(6):42-46．

[2]GB-7341987,10kHz-30MHz無源無線電干擾濾波器和一只元件抑制特性的測量方法[M]．北京:中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部,1987．

[3]MIL-STD-220B,TEST METHOD STANDARDMETHOD OF INSERTION LOSS MEASUREMENT,美國國家軍用標(biāo)準(zhǔn),2000,1．

[4]簡力,宋芳．EMI濾波器測試技術(shù)研究[J]．計算機(jī)與數(shù)字工程,2015,43(1):106-109．

彭飛（1988—），女，江蘇揚(yáng)州人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向為系統(tǒng)電磁兼容測試設(shè)計。

辛海洋（1989—），男，陜西寶雞人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向為中頻數(shù)字信號處理。