對大型系統進行現場先期一致性測試

作者 : Kenneth Wyatt,Wyatt Technical Services總裁兼首席顧問

大多數的大型系統在安裝時都進行了一致性測試,即所謂的「原位」測試。有些大型落地式系統在進行正式的一致性測試之前要經過麻煩的打包和運輸工作,因此通常會在那之前進行現場先期一致性測試...

去年,我有幸對幾個大型系統的輻射放射進行了先期一致性(pre-compliance)測試。這些大型落地式系統在進行正式的一致性測試之前要經過麻煩的打包和運輸工作,因此客戶希望在此之前先取得早期測試數據。

大型工業系統需要採用完全不同的技術來評估輻射放射。它們通常使用固定式三相電源,並且由許多不同的子系統組成。事實上,大多數實際的大型系統在安裝時都進行了正式的一致性測試,即所謂的「現場」(in-situ;原位)測試,對於‘ISM’(工業、科學與醫療)產品來說通常就是IEC 61326。

一般來說,即使是大型系統,我也會使用「三步驟」的過程來評估輻射放射。這個過程已在參考文獻中描述。

第一步是使用近場探棒和頻譜分析儀,以表徵主要的放射諧波。將測量設備放在可旋轉的桌子上會很有幫助。我需要測量電路板,確定主要的能量源,然後記錄其諧波分佈並確定4到5個主要諧波。我還將會追蹤這些諧波分佈是窄頻、寬頻還是兩者的組合。

一旦瞭解主要的能量來源及其特徵諧波分佈,第二步便是使用射頻(RF)電流探棒,測量電纜採樣(尤其是I/O線和電源線),因為這些電纜通常是主要的「類天線」結構。諧波分佈也要記錄下來,然後辨識出4到5個主要諧波。

整理了頻譜特性之後,現在應該充份瞭解主導諧波了。對於本文中的特例,一個在250MHz處的乙太網路諧波最高。

這時,就需要確定主要的發射波瓣位於什麼角度。這個客戶確實挺有幫助——他在待測設備(EUT)的表面外劃了一個3m的圓圈,並用藍色膠帶每30度標記了一次(1)。這樣,如果EUT是矩形的話,那麼平均距離就可能足夠了。

1:在地板上離待測系統3m處每30度黏貼一條藍色膠帶。

為了確定主要放射波瓣的位置,可以使用第三步:用一根簡單的天線來辨識在輻射的實際諧波。我將手持式AIM-TTI型PSA6502T頻譜分析儀連接到一根Kent Electronics的400-1000MHz PCB天線上,測量了所有羅盤點上的250MHz主要放射,然後記錄每個點的近似振幅。這樣就能清楚地看到主要的放射波瓣。

圖2:用手握住頻譜分析儀,另一隻手握住天線,與地板上的藍色膠帶對齊,然後測量每個30度羅盤點上的主要250MHz放射。

確定了主要波瓣後,把校準好的Chase CBL6111A EMI天線安裝在其三腳架上,然後在每個主要波瓣處測量從30-1000MHz的整個放射頻譜。採用Tektronix RSA306B頻譜分析儀及其EMCVu前期一致性軟體搭配使用。這款軟體能快速繪出放射相對於測試極限的位置,辨識並「減去」來自環境發射機(FM/TV廣播、蜂巢式等)的任何非EUT放射。事先瞭解主要波瓣可減少所需的測量點數量。

3:在主要放射波瓣處進行校準測量的設置。

手動測量

儘管EMCVu軟體會根據測試極限預先計算裕量,並自動考慮系統增益/損耗,但是如果要執行手動測量——即獲取每個主要諧波並與該頻率下的測試極限進行比較——則也需要在測量設置中手動考慮所有系統增益/損耗(4)。

圖4:手動進行前期一致性測量需要考慮系統的所有增益和損耗,從而計算天線在每個諧波頻率下所擷取的電場。

要根據標準指定的測試極限值手動計算每個主要諧波,必須根據以下等式在諧波頻率上加減每個因數:

E-field(dBμV/m) = SpecAn(dBμV) – PreampGain(dB) + Attn(dB) + CoaxLoss(dB) + AntFactor(dB/m)

測量技巧

有時,可以在天線埠放置一個6dB衰減器來「均衡」埠阻抗,因為它會隨頻率發生很大變化。如果可以在不使用前置放大器的情況下觀察到諧波訊號,則可以忽略這個因素。

同軸電纜的損耗通常不大(長度較短的話約為1-2dB),但也可以根據製造商的dB/100ft值進行估算,或者更好的是使用向量訊號分析儀或使用頻譜分析儀上的追蹤產生器選項進行實際測量。

請注意,如果使用對數週期天線,類似於3所示的前部元件,則在天線吊桿上應有一個標記,指示這裡是天線的電氣「中心」,而且應將這個點與地板上的3米標記對齊。

注意到天線同軸電纜上所有的鐵氧體扼流圈嗎?它們有助於將電纜與測量隔離。理想情況下,應將電纜放置在天線後方,這會有所幫助。測量期間,需要確保沒有人站在天線的前面或附近。

環境發射機

在屏蔽室外進行傳導發射或輻射放射測試時,會立即遇到的一個問題是來自FM和TV廣播發射機、蜂巢式電話和雙向無線電等訊號源的環境訊號數量。尤其是使用外部天線時的問題更明顯。

這通常可以在分析儀上使用「最大保持」模式,執行基線圖繪製,以便建立一個複合環境圖。然後啟動其他跡線,進行實際測量。例如,在螢幕上通常至少可以得到兩個圖或跡線:環境基線和實際的一致性測量結果。所幸有三種方式可以解決這個問題:

  1. 在大多數情況下,可以觀察到一系列呈諧波關係分佈的放射。通常,這些諧波都是由相同的來源所產生的,而如果有一個或多個諧波受到環境訊號遮蓋,那麼對其他更可見的諧波進行工作通常就會使整批諧波下降。
  2. 在某些情況下,環境發射機會遮蓋掉某個關鍵諧波。一個很好的例子是100MHz諧波會隱藏在99.9MHz大型FM廣播電台之下。在這種情況下,可以嘗試將解析度頻率寬(RBW)從100或120kHz降低到1kHz或更小。這通常可以「濾除」FM電台的調變,藉此可觀察到隱藏的諧波。這裡也假定諧波是未調變的連續波(CW)訊號。只要確定降低RBW並不會降低諧波幅度即可。如果諧波經過調變後,則可能無法正常運作,這就必須移至較安靜的測量地點。
  3. 讓先期一致性測試遠離城市發射機(現在說起來容易做起來難)。

在完成所有校準測量之後,就可以針對系統的輻射放射是否通過提供很好的評估了。整個過程耗時約一天。

對於希望走這條路的公司來說,假設最終相對極限值獲得了足夠的裕量,那麼就可以放心地將這些數據用到測試報告中並聲稱進行了一致性自測試。但是,如果有任何疑問,或者環境頻譜太嘈雜,以至於「工程判斷」可能會有些疑問,那麼就只能請第三方EMC測試實驗室來確認報告結果了。

(原文刊登於EDN美國版,參考連結:Pre-compliance testing large systems in-situ,由趙明燦編譯。)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年6月號雜誌

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