CE 102 能力驗(yàn)證離群結(jié)果分析

崔雅鑫

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一六研究所，連云港 222006）

引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，對軍用和民用無線電設(shè)備與系統(tǒng)的使用也在快速增多，面對日漸復(fù)雜的電磁環(huán)境，電磁干擾問題逐漸增多。為了使電子電器設(shè)備能在規(guī)定允許的電磁環(huán)境下正常工作，同時(shí)不對其他設(shè)備造成干擾，達(dá)到兼容狀態(tài)，那么在設(shè)備定型和進(jìn)入市場之前，對其進(jìn)行電磁兼容測試具有非常重要的價(jià)值和意義[1-3]。

電磁兼容測試通常是依據(jù)國際或國內(nèi)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法完成的，目前我國已經(jīng)制定了100 多個(gè)民用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)GB，其中軍用部門制定了GJB。GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（以下簡稱“GJB 151B”）作為常用的軍用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了軍用電子、電氣及機(jī)電等設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度的要求與測試方法[4]。

CE 102（10 kHz～10 MHz 電源線傳導(dǎo)發(fā)射）作為GJB電磁兼容測試中的一個(gè)測試項(xiàng)，具有極其重要的作用，該項(xiàng)目也是電磁兼容測試項(xiàng)中出問題較多的一項(xiàng)[5]。為了保證CE 102 測試結(jié)果的正確性及準(zhǔn)確性，對實(shí)驗(yàn)室實(shí)施該測試的能力驗(yàn)證尤為重要。影響CE 102 測試準(zhǔn)確度的因素較多，如測量接收機(jī)、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN（Line Impedance Stabili-zation Network）、衰減器、試驗(yàn)場地、線纜布置、環(huán)境和操作人員等。

本文基于實(shí)驗(yàn)室參與的《10 kHz～10 MHz 電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE 102）》能力驗(yàn)證計(jì)劃項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室及試驗(yàn)人員在測試過程中存在的問題；其次對該問題的出現(xiàn)進(jìn)行了分析，為提高CE 102 測試結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了思路，從而提升該測試項(xiàng)目的技術(shù)水平。

1 CE 102 測試

一般情況下，來自電源中的電壓瞬變和電磁脈沖會嚴(yán)重影響電子及電氣設(shè)備的安全。同時(shí)，電源線路中還夾雜大量的瞬態(tài)過電壓和浪涌大電流[6]。CE 102 測試適用于所有設(shè)備的電源線，包括電源回線，它通過測量電子設(shè)備的供電電源線及其回線向外傳導(dǎo)的電磁騷擾是否超過規(guī)定的極限值，從而判斷該電子及電氣設(shè)備是否達(dá)到國家規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)。

如圖1 所示為CE 102 測試配置圖。在測試前，保證LISN 的輸入端電源斷開，受試設(shè)備電源線接LISN 的EUT 端口，選擇一根電源線進(jìn)行測試，其所接LISN 射頻端口與接收機(jī)之間加20 dB 衰減器，另一個(gè)LISN 的射頻端口接50 Ω 負(fù)載，以保證整個(gè)測試系統(tǒng)的阻抗匹配。測試設(shè)備通電并達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，進(jìn)入軟件測試界面進(jìn)行測試。測試曲線不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值曲線即表示CE 102 測試合格。

圖1 CE 102 測試配置

2 CE 102 能力驗(yàn)證

能力驗(yàn)證是利用實(shí)驗(yàn)室間比對來判定實(shí)驗(yàn)室能力的一個(gè)項(xiàng)目，開展此項(xiàng)目需要去具備國家認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。本次《10 kHz～10 MHz 電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE 102）》能力驗(yàn)證委托某實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃和實(shí)施，包括本單位實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)共有14 家實(shí)驗(yàn)室參加。試驗(yàn)依據(jù)為GJB 151B，試驗(yàn)樣品為電源端子傳導(dǎo)騷擾/發(fā)射能力驗(yàn)證主機(jī)、DC 電源線、接地線，主要測試設(shè)備為LISN、衰減器和接收機(jī)。如圖2 所示為本實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)現(xiàn)場布置情況。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場布置

試驗(yàn)樣品的供電電壓為24 V，分別對電源線正線和負(fù)線在62.5 kHz，187.5 kHz，437.5 kHz，1.5 MHz，3.5 MHz，6.5 MHz，8.5 MHz 和9.5 MHz 的頻點(diǎn)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測試，檢測參數(shù)為騷擾電平值。以Z=（x-X）/σ作為能力驗(yàn)證結(jié)果評定準(zhǔn)則，其中x 為實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測量的騷擾電平值（保留小數(shù)點(diǎn)后2 位數(shù)字），X 為指定電平值（見表 1），σ 為能力評定標(biāo)準(zhǔn)差，其中頻率在（10～150）kHz 范圍內(nèi)σ 為1.9 dB；頻率在150～10 MHz范圍內(nèi)σ 為1.7 dB。圖3 所示為各實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果計(jì)算后得到的Z 值折線，其中，002 為本實(shí)驗(yàn)室代碼。對所取的測試頻率點(diǎn)，若：

圖3 參加實(shí)驗(yàn)室Z 值折線圖

|Z|≤2，結(jié)果為滿意；

2＜|Z|＜3，結(jié)果為可疑；

|Z|≥3，結(jié)果為離群。

由圖3 可得出，在頻點(diǎn)437.5 kHz 處，|Z|＞3，測試結(jié)果離群；在其余部分頻點(diǎn)處，2＜|Z|＜3，測試結(jié)果為可疑。即在測試頻點(diǎn)62.5 kHz 處，本實(shí)驗(yàn)室（002）所得到的測量值相對偏小，但測試結(jié)果為滿意。在其余測試頻點(diǎn)處，本實(shí)驗(yàn)室（002）所得到的測量值均相對偏大。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)室CE 102 能力驗(yàn)證結(jié)果離群，可能存在以下方面原因：

1）接收機(jī)、LISN、衰減器、線纜等的校準(zhǔn)系數(shù)是否準(zhǔn)確；

2）樣品及LISN 的接地是否良好；

3）測試場地的布置及測試軟件是否有問題；

4）人員操作是否準(zhǔn)確規(guī)范。

表1 頻點(diǎn)指定電平值

3 離群結(jié)果分析

通過對試驗(yàn)過程的排查分析，認(rèn)為測試設(shè)備LISN是影響測試結(jié)果離群的主要原因。LISN 作為CE 102 測試項(xiàng)中核心的測試設(shè)備，具有非常重要的作用。一方面，能將受試設(shè)備與電源上的無用射頻信號隔離開，使受試設(shè)備的干擾電壓通過電源線傳導(dǎo)耦合到接收機(jī)上；另一方面，由于測試場地的不同，導(dǎo)致背景噪聲不一致，那么測試場地的電源系統(tǒng)阻抗就不同，當(dāng)LISN 處于受試設(shè)備與電源之間時(shí)，可為受試設(shè)備與參考地間提供穩(wěn)定阻抗，從而不影響測試結(jié)果[7]。圖4 所示為參考GJB 151B 中LISN 的電路圖，LISN 的兩個(gè)端口分別為射頻端口和EUT 端口，在進(jìn)行測試時(shí)，其主要原理是受試設(shè)備（EUT）的騷擾信號V1 通過EUT 端口耦合進(jìn)入LISN，50 μH 電感和8 μF 電容構(gòu)成了低通濾波器，可將來自電網(wǎng)的高頻干擾信號隔離開，并將受試設(shè)備的高頻干擾信號通過0.25 μF 的電容進(jìn)入接收機(jī)。接收機(jī)通過射頻端口對此騷擾信號拾取即V2，其中接收機(jī)內(nèi)阻為50 Ω。LISN 有2 個(gè)重要的參數(shù)，即校準(zhǔn)系數(shù)和阻抗。計(jì)算公式如式（1）和（2）所示。根據(jù)接收機(jī)所拾取的V2 值與LISN 的校準(zhǔn)系數(shù)，可反推出EUT 的騷擾信號V1。

圖4 LISN 電路圖

式中：

Z—阻抗；

ω=2πf；

C=0.25μF。

圖5 為LISN 的阻抗計(jì)算曲線圖，從圖中可看出，LISN 的阻抗值不斷增大，增大到較高頻率后阻抗值接近于50 Ω。

圖5 LISN 阻抗理論計(jì)算圖

如圖6 所示為CE 102 測試中兩個(gè)LISN 組合后的配置圖，其中LISN 的EUT 端分別接電源線正線和負(fù)線，當(dāng)對電源線正線進(jìn)行CE 102 傳導(dǎo)發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，接正線的LISN 的射頻端口作為接收機(jī)拾取信號的端口，另一個(gè)LISN 的射頻端口接50 Ω 負(fù)載。雖然CE 102 測試前都會對測試系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，并在校驗(yàn)合格后進(jìn)行測試，但實(shí)際測試時(shí)，LISN 的射頻端口所接的50 Ω 負(fù)載也需要定期校準(zhǔn)，其負(fù)載值的變化會直接引起接收機(jī)拾取信號的大小，從而影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證該負(fù)載阻抗變化對接收信號的影響，采用電路仿真軟件對圖6 所示的電路建模并采用S 參數(shù)仿真來分析輸入輸出特性的S 參數(shù)，S 參數(shù)是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適用于高頻微波電路的測試與建模分析。其中S（2，1）為端口1 到端口2 的傳輸系數(shù)，可用接收機(jī)端所拾取的信號電壓值與EUT 端輸入騷擾信號的電壓值之比表示。

圖6 兩個(gè)LISN 組合的電路圖

如圖7 所示為當(dāng)射頻端口負(fù)載阻抗值為0 Ω、10 Ω、20 Ω、30 Ω、40 Ω、50 Ω 時(shí)，S（2，1）值隨頻率的變化曲線。以負(fù)載阻抗50 Ω 得到的S（2，1）仿真值為參考值，由圖可知，當(dāng)頻率為62.5 kHz 時(shí)，負(fù)載阻抗為0 Ω 所對應(yīng)的S（2，1）值最大，但負(fù)載阻抗由10 Ω 增大到50 Ω 時(shí)，S（2，1）值變大；當(dāng)頻率在96 kHz～10 MHz 范圍內(nèi)的任一頻率點(diǎn)處，當(dāng)負(fù)載阻抗值由0 Ω 增大到50 Ω 時(shí)，S21 值變小。如圖8 所示為當(dāng)負(fù)載阻抗為50 Ω、100 Ω、1 000 Ω、無窮大時(shí)，S21值隨頻率的變化曲線。當(dāng)頻率在（10～134）kHz 范圍內(nèi)的任一頻率點(diǎn)處，隨著負(fù)載阻抗由50 Ω 增大到無窮大時(shí)，S（2，1）值變大；當(dāng)頻率繼續(xù)增大時(shí)，在任一頻點(diǎn)處，隨著負(fù)載阻抗的增大，S（2，1）值無明顯規(guī)律變化。綜合仿真數(shù)據(jù)可得，負(fù)載阻抗值在一定程度上減小會引起頻點(diǎn)62.5 kHz 處測試結(jié)果偏小，而引起其余頻點(diǎn)處的測試結(jié)果偏大。在頻點(diǎn)437.5 kHz處的測試結(jié)果離群較為嚴(yán)重，主要原因可能與瞬時(shí)的測試環(huán)境有一定的關(guān)系，其偶然性在分析時(shí)不具備參考性。

圖7 負(fù)載為（0～50）Ω 所對應(yīng)的S（2，1）仿真曲線圖

圖8 負(fù)載為50 Ω～無窮大所對應(yīng)的S（2，1）仿真曲線圖

綜上所述，造成能力驗(yàn)證結(jié)果出現(xiàn)可疑和離群的原因是負(fù)載阻抗50 Ω 的變化，因此，為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，即不影響接收機(jī)拾取的電壓信號值，定期對50 Ω 負(fù)載進(jìn)行校準(zhǔn)是非常必要的。

4 總結(jié)

通過開展的CE 102 能力驗(yàn)證項(xiàng)目，對本實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果的離群情況進(jìn)行了分析。首先根據(jù)LISN 的電路圖對其工作原理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)LISN 射頻端口所接負(fù)載50 Ω 變化時(shí)，會引起傳輸系數(shù)S（2，1）值的變化。當(dāng)負(fù)載阻抗值減小時(shí)，在對應(yīng)測試頻點(diǎn)處，S（2，1）值會先變小后變大，導(dǎo)致測試結(jié)果與其他實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)較大偏差，甚至出現(xiàn)離群情況。所以，定期對負(fù)載50 Ω 校準(zhǔn)極其重要。本文結(jié)論為之后提高CE 102 測試結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了技術(shù)思路。