暗室低频NSA计量的发展趋势

学术论文 2017-3-27 09:53

查看: 319| 评论: 0| 发布者: admin |来自: 世纪汇泽

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简介：2015 年CISPR 年会9 月20 日～10 月1 日在意大利的斯特雷萨举行，会议为期2 周,其中与CISPR/A 分会有关的内容包括A 分会全体会议、3 个专题项目组会议(ad-hoc)、2个工作组会议,作为P 成员，中国A 分会代表团由中国电 ...

2015 年CISPR 年会9 月20 日～10 月1 日在意大利的斯特雷萨举行，会议为期2 周,其中与CISPR/A 分会有关的内容包括A 分会全体会议、3 个专题项目组会议(ad-hoc)、2个工作组会议,作为P 成员，中国A 分会代表团由中国电子技术标准化研究院崔强作为团长，来自中国计量科学研究院、工信部电子五所、陕西海泰电子有限责任公司等单位的5 人参加了本次CISPR/A 分会的各项会议。
议题之一涉及到30MHz以下暗室NSA的性能研究问题，其中议题的结果如下：

30MHz 以下场地确认专题项目组会议
2015 年9 月22 日上午，来自奥地利的Kriz 作为本项目的召集人主持会议，主要讨论和处理国家委员会对CISPR/A/1101/DC 文件所提的意见，即CISPR/A/1107/INF 文件。
涉及的主要技术内容如下：

a)无障碍物区域和无谐振区域
英国和意大利指出，DC 中推荐的矩形屏蔽室的最大尺寸为7m，且认为尺寸小于7m 时不会在30MHz 以下出现谐振，但又允许测量距离为10m，这种表述存在矛盾，经过讨论，这种推荐尺寸将被删除。日本指出，对于30MHz 以下场地的有效性，主要取决于试验场地的尺寸和铁氧体吸波材料的性能。由于碳吸波材料在30MHz 以下的性能差，试验空间中心到电波暗室壁面的最小距离不应从吸波材料的尖端算起，而是应从电波暗室的屏蔽壁面算起。召集人也接受了此提议。

b)9kHz～30MHz NSA 计算
日本代表提出对于100kHz 以下的频率，NEC 用于计算存在较大误差，同时提出了将环天线线径加大可以改善低频性能。中国信息通信研究院的屈鹏飞指出DC中的NEC代码存在错误，经过讨论，决定由召集人Kriz、日本的Fujii 博士以及屈鹏飞进一步研究100kHz 以下的差值问题。日本的Fujii 博士介绍了日本9kHz～30MHz 场地确认试验的研究结果，解释了25MHz 出现零点的问题，同时提出了一种新的“Hz 布置”方案，即发射环天线和接收环天线的馈入点布置时成对角线分布。经过实际测量，优于原来的Near（发射环天线和接收环天线的馈入点布置时互相靠近）和Far（发射环天线和接收环天线的馈入点布置时互相远离）两种方案。后续的NSA 理论值的仿真计算将以此方案为基础进行。

暗室作为开阔场的替代实验场地，目前涉及到30MHz以下辐射发射测试的项目包括：

军品的RE101（25Hz-50KHz）和RE102（10KHz-30MHz）测试,依据标准GJB151B2013
灯具类的三环测试（9KHz-30MHz），依据标准GB17743
民品类的低频磁场发射9KHz-30MHz，依据标准GB4824
电动车辆的低频发射，包括电场和磁场9KHz-30MHz，依据标准GB 18387

其中军品的RE101和RE102分别使用的是环形天线（133mm直径）和拉杆天线，对于环境电平及暗室吸波材料的要求如下：

（参见GJB151B-2013第8页）表1：垂直入射角的吸收损耗

频率MHz	吸收损耗dB
80-250	≥6
>250	≥10

电磁环境电平的要求则都是低于限值6dB即可。
从上面可以看出，最新的GJB151B-2013对于暗室性能的要求暂时没有低于80MHz以下的要求，只是相对于16年前的GJB151A-1997&GJB152A-1997来说对于吸波材料距离EUT的尺寸有了更加明确的要求而已（参见具体章节），这个和性能没有任何关系，只是尺寸问题，从美军标的发展趋势来看，目前也没有看到类似的趋势。

相对来说，其他几个产品的低频辐射发射测试，都归类到CISPR要求，从趋势来看，30MHz以下暗室性能的计量是必然趋势，至于产品标准的更改肯定是建立在暗室性能计量要求的基础上才能开展进一步研究的，这必然是一个长期的过程。
灯具的三环目前主流的测试都是放置在屏蔽室内的，由于三环天线的尺寸巨大，因此对屏蔽室的尺寸提出了更高要求，CNAS评审专家目前对于不放入屏蔽室内的三环天线低频磁场测试结论为需要整改，但普通的3m高度的三环天线显然无法满足要求，因此在规划有三环天线测试的屏蔽室推荐高度至少为3.5m（三环天线本身带支架高度约2.6米，地板及装修预估0.4m，距离正常推荐间距0.5m）。
电动车辆中的低频电场测试完全类似于RE102，针对此类测试的研究来看，和暗室本身的性能并无太大关系，因为波长的问题导致的阻抗极为不稳定，因此最新的军标也都主要从布置上来进行规范确保测试的可重复性，主流的天线制造厂家德国Schwarzbeck拉杆天线VAMP9243推出了最新的选件Opt. MIL 461F Bonding Kit，产品图片如下：

测试布置如下：

考虑到类似影响因素的FORD在最新的FMC1278在RE310的测试中也增加了类似的布置要求（30MHz以上，FMC1278第18页）：

从长期来看，针对这些测试电缆的布置要求是很有必要的，因为影响测试结果的来源包括：

暗室的性能（NSA/VSRW等）
测试天线的性能
测试电缆的性能
接收机的性能
测试布置

从以上几个方面综合考虑，暗室/测试天线/测试电缆/接收机的性能在CISPR16对应的要求里面都已经有了非常明确和详细的要求，而测试布置目前来看并没有特别规范的要求，大多数实验室对于EUT的布置已经非常清晰和了解，而对于测试链路上的布置及要求并不是特别了解，甚至现在部分实验室对于高频测试需要使用低介电系数的测试桌都没有充分的重视。
一个典型的辐射发射不确定度计算公式:
Em=[Er*Af*Cl]*Rx*Ad*Ah*Ap*Ai*Dv*Si*Mm
其中Er为测量接收机读数，Af为天线校准因子，Cl*为电缆衰减校准，Rx为接收机性能指标，Ad为天线方向性，Ah为天线因子，Ap为天线相位中心变化，Ai为天线因子频率内插，Dv为测量距离的变化，Si为场地不完善因子，Mm为接收机与天线失配。
一个典型的不确定度计算结果：

其中暗室性能的不确定度计算公式Si=暗室性能/√6，暗室性能为±4.0dB的时候不确定度为1.633，暗室性能为±3.0dB的时候不确定度为1.225，暗室性能为±2.0dB的时候不确定度为0.816，可以看到暗室性能从±4.0dB提升到±2.0dB的时候对于不确定度的贡献仅为0.816dB，事实上目前主流的暗室性能（NSA）基本可以确保在3.5dB以内，一个±3.5dB和一个±3.0dB暗室对于不确定度的贡献差值为0.203dB。
因此从不确定度本身的计算来看，暗室本身并没有必要去定义太高的性能，从实际不确定度来看，天线校准因子、接收机性能、天线和接收机失配因子在其中的影响更为重要，相对来说接收机的性能在正常条件下随时间推移变化的概率不大，但天线（随之而来的接收机和天线失配）随着时间的推移材料的老化是不可避免的，因此建议实验室在条件允许的情况下定期计量天线，如果出现天线性能下降比较大的情况，建议更换天线。
以上的分析得出，唯一可能影响低频辐射发射测试和暗室相关的项目是低频磁场辐射发射测试，通常低频磁场发射采用的是环形天线，一般常规的尺寸是60cm直径以内的环形天线，这也是GB4824和GB 18387定义的天线类型。
参照此次的CISPR讨论，存在一个很大的争议是产品标准是否会引入此标准，因为根据性能研究的前提“发射环天线和接收环天线的馈入点布置时成对角线分布”，而目前暗室（矩形暗室）的转台是中轴线分布的，即使暗室的30MHz以下NSA能够满足性能研究的要求，在实际测试时候无法使用转台，这和民品测试要求旋转转台的时候是互相矛盾的。
对于NSA理论计算来说，考虑的也不仅仅是吸波材料本身的吸收特性，和30MHz以上的NSA一样，电磁波入射到物体上的能量损耗可以分为发射损耗、吸收损耗和多次反射损耗，这样总的衰减就包括这三部分之和，即公式如下：

其中SER为反射损失，SEA为吸收损失，SEM为多次反射损失，分别的计算公式如下：

从此次研究的议题上来看，对于一个特定的暗室来看，吸收损失显然是一个相对来说比较固定的值，事实上对于低频（尤其是10MHz以下），无论是铁氧体还是长尖劈的性能都极差（通常10MHz吸收性能已经<6dB，目前10MHz以下材料本身特性仍然在考虑之中，而30MHz以上高频特性通常至少>20dB），显然从增加吸收损失上来看不是一个可行的方法，因为如果增加低频特性必然会导致高频特性的下降，事实上没有一种材料可以做到覆盖低频到高频完美的特性，尤其对于已建的暗室更是不可能实现的方法。
因此增加反射损失包括多次反射损失才是研究的方向，因为这2种损失只是通过改变布置即可实现，对角线分布的时候减小了入射角，事实上即使对于同样一种材料，不同的入射角带来的性能也是完全不一样的，参加下图：

因此这也是国外厂家推荐在计量NSA的时候不采用中轴线布置的原因所在，对于低频NSA的研究来说也是一样。
从以上分析可以看出，低频NSA的性能研究是一个长期的过程，目前只是确定了仿真的理论方法而已，对于不同材料、不同暗室的尺寸以及随着时间推移这些材料性能下降曲线的研究都是一个漫长的过程，也是一个极为复杂的过程，而仿真之后的实测及标准的制定更是一个长期过程，最核心的是产品标准是否有必要引入该性能测试则是一个另外值得讨论的关键问题。