採用光纖連接型接收機,將輻射干擾測量的不確定度最佳化


採用光纖連接型接收機,將輻射干擾測量的不確定度最佳化

 

作者:
Renzo Azaro, EMC S.r.l., Genova, Italy
Alessandro Gandolfo, PMM - NARDA SAFETY TEST SOLUTIONS S.r.l., Cisano sul Neva (SV), Italy

摘要:

依國際標準EN 17025,電磁相容性測試實驗室必須評估各個測試設置的測量不確定度,每個測試的測量不確定度預估概算,是由不同的不確定度來源構成,在一些測試設置中,導線扮演著不容忽視的角色,尤其是在輻射干擾的測量設置中,同軸導線的存在,會改變與它連接的天線的電磁性能,在此種架構中,採取技術上的解決方案,以避免或使它對不確定度的影響減至最小,是最重要的。

關於輻射干擾測量的設置,本文將概述及分析以光纖連接方式取代同軸導線連接的測量接收機所提供的優點。

關鍵詞:測量不確定度、輻射干擾、測量接收機、測量天線。

前言

想要符合既定測試合格要求的實驗室,必須計算及定義相關的測量不確定度。特別聚焦在電磁相容性測量不確定度的CISPR標準[1],定義了決定符合CISPR限值時考量測量不確定度的方式。朝此目標,標準定義了每個輻射測試在「擴展的不確定度UCISPR」方面的預估概算,並建立其最大值。每個實驗室都必須計算它自己的測量設置的「擴展不確定度數值ULAB」,然後,假如ULAB < UCISPR,而沒有測量的干擾超過限值,就可聲稱待測設備符合標準要求,否則,假如ULAB > UCISPR,而沒有測量的干擾因ULAB - UCISPR超過限值而增加,也可以說待測設備符合標準要求。在此種架構中,很顯然的,將測量不確定度縮減至最小是最重要的,以便評估設備是否符合標準 - 有最大的輻射位準在限值下,但有一個減少的幅度。從客戶的觀點來看,這意味(或不意味)著尋找及採取技術上的解決方案以將輻射干擾衰減的必要性,一般而言,會有增加的成本及拖延上市時間。

最簡單及總是出現在輻射干擾測試設置中的裝置,是同軸導線與連接器,一般說來,其功能具有安全性及易於取得,然而,它們的實際作用與實務上的使用,都會增加一些不確定度,這與其已知的連接器的衰減作用、配錯[2][3]、再現性[4][5]都有關係,特別是與其不明的與測量設置中其它元件的不需要的電磁耦合所導致的作用有關[6]。

近來,在測量接收機的結構中,已採用以光纖連接技術為基礎的解決方案。特別的是,此測量系統是由2個實際分開的裝置組成:第一個裝置(主機),是一台測量接收機,工作頻率範圍10Hz~30MHz,能控制連接到主機的第二個裝置(射頻頭),以便在輻射干擾頻率範圍30MHz~3GHz、30MHz~6GHz、6~18GHz執行測量。適用於所有實務用途的射頻頭,是一個使用電池電源的測量接收機,可避免與熱漂移及非線性現象有關的所有問題(出現在類比光電轉換器型式的典型測量光纖連接中)。在射頻頭與主機之間的測量資料及控制信號,是透過一條光纖連接及射頻裝置交換 - 體積適合直接安裝在測量傳感器的輸出埠,依特定的測量活動而定(用於輻射干擾測量的天線)。那麼,此特殊結構,可避免在測量天線與接收機之間使用同軸導線,這在輻射干擾測量的設置中是須要特別注意的 - 由許多標準要求的天線高度掃瞄,基於它可能與天線耦合(從電氣觀點)及由於與連續重新定位有關的應力(從機械觀點)使然,使得同軸導線變成最關鍵的元件之一。

藉由將注意力放在輻射干擾測量的測量設置上,本文將探討及以數字分析採用不使用同軸導線連接的測量接收機,在測量不確定度方面帶來的優點。特別是思考以一支放在距離待測設備3m處的垂直雙錐形天線(30~200MHz)所組成的測量設置,此種安排,可清楚凸顯與同軸導線有關的問題及同時強調不使用同軸導線所帶來的優點。

CISPR輻射干擾測量不確定度指導方針

輻射干擾測試設置是最關鍵的重點之一,因為須要考量幾個幾何與電氣參數,有一些特殊的不理想的作用,會是錯誤和不確定度的來源。因此,CISPR標準[1]規範,在開放區測試地點及半電波暗室中執行的電場場強測量,最大值UCISPR數值等於6.3dB。特別是,評估以垂直極化而不傾斜的雙錐形天線及在3m距離執行測量的不確定度,是以附錄D的不確定度概算表1[1]作為指導方針。

表1:使用垂直極化的雙錐形天線[1]進行輻射干擾測量的不確定度概算表

(請點擊圖片檢視放大圖表)

 

藉著比較同樣測量設置中採用傳統接收機與須要考量的參數及不使用同軸導線連接天線的接收機與參數,可以作一些有趣的觀察。依據[1]的指導方針,由於導線連接的再現性對不確定度的影響與其它不確定來源的影響相比,可視為微不足道,而加以忽略,因此,未將它們納入不確定度概算中作為有關的輸入量而考量。同樣的假設,還有連接器的再現性[4][5]及導線與連接器的電氣參數的熱效應。因此,在[1]中的同軸導線對不確定度的影響,只緣於它們的衰減及它們在天線與接收機之間的匹配狀態中所扮演的角色。因此,移除同軸導線,不確定度概算的ac可設為零。然而,藉著分析在電磁測量情況下由同軸導線的外部金屬結構的存在所導致的效應,可以發現最大的優點,如下節中的探討。

與同軸導線有關的問題

假設同軸導線有理想的作用,其金屬結構的存在,在測量情形下,會對待測電磁場增加一些不可控制的改變,此種現象,已經在例如[6]"傳導干擾測量的結構"中探討過,及已在[7]"導線作用為輻射干擾測量中的誤差來源"中分析過。一般而言,更多遇到的問題是一種電磁散射現象,在CISPR標準[1]的結構中,實務上,這些類型現象,是以2個天線修正名詞納入不確定度概算中 - 不平衡與指向性差異。

(一)、由於不平衡導致的同軸導線影響

與同軸導線有關的討厭現象,是由於在天線的平衡不平衡轉換器中的不平衡導致,尤其是,在雙錐形天線操作頻帶的較低部份。不平衡的結果[8],主要是由於流在天線導線護套上的共模射頻電流導致,它們可以耦合到垂直天線元件及在場型與天線因素都造成明顯的改變,此問題,可以藉著將天線導線放在遠離天線之處或應用鐵氧體護套而減輕,一個比較好的解決方案,是使用理想平衡的天線,但是,顯然的,最佳的解決方案是完全移除同軸導線(那麼,流在天線導線護套上的共模電流也會移除),然後,使用採取光纖連接的測量接收機,而天線可排除因表1的不平衡導致的對不確定度的影響(或減至最小,因為射頻頭的外殼仍然存在)。

(二)、同軸導線對指向性差異的影響

CISPR 16-1-4[9]要求在輻射干擾測試地點,須考量測量天線在直接路徑方向及在地面反射路徑方向中的響應,假如誤差超過1dB,應將天線向下傾斜至直接與反射輻射線都落在3dB波束寬度以內,假如不採取傾斜,接收的信號位準的下降,可能須作修正,尤其是在測量距離小於10m時。假如一個在垂直平面具有不均勻場型的天線,具有指向性效應-xi dB,那麼,可使用xi計算修正因數與不確定度。依據[1]的指導方針,一個在垂直平面具有均勻場型的天線,其指向性效應的修正因素δFadir為0dB,而在垂直平面具有不均勻場型的天線,則介於0 dB與+xi dB之間。因此,假設一個水平極化的雙錐形天線在垂直平面具有一個均勻場型,那麼,修正是不必要的,而垂直極化的雙錐形天線,則假定需在分開3m與10m時有個修正因數δFadir達+xi/2 dB。[1]的修正範例,請參考表1說明。那麼,為了符合UCISPR最大限值,很重要的一點,是防止測量天線的電氣性能改變,特別是在[1]中要求的輻射場均勻性。

圖1:一個垂直極化的雙錐形天線在自由輻射測量情況下的簡化模型。

此處,我們假設,由同軸導線外部金屬結構的存在所引起的散射現象,可從測量天線的指向性變動觀察到;此外,我們還假設,輻射測量過程,可藉著使用測量天線的遠場場型,如平常所做的,依指向的與反射的貢獻而分析(實際上,此種假設在較低的頻率,不應該有效)。

為了強調由於導線的討厭作用所致的指向性差異問題,已開發出此種測量情況的簡化模型,並用於依據NEC軟體的指導方針[10]進行模擬。如圖1所示,測量天線已作成具有軸長1.2m的簡單、典型的雙錐線結構,並以2件模擬同軸導線外部結構的導線,完成此自由空間的測量安排。

依據[11],由一個電流平衡不平衡轉換器驅動的平衡天線,是此種輻射干擾測量安排的最適當選擇,並且,在此種假設下,平衡不平衡轉換器的阻斷(choke)動作,能有效的斷開饋線外部與天線本身的連接,因此,考慮到了在導線水平部與天線輸入埠之間的間隔。

圖2:在30MHz無同軸導線的垂直場型與設有4個不同長度的同軸導線的垂直場型的比較。

圖3:在100MHz無同軸導線的垂直場型與設有4個不同長度同軸導線的垂直場型的比較。

結果,在數字模型中,假如是個理想平衡的天線,在天線輸入埠與饋線之間的接合點,可以假設有一個開路[11]。此模型已用於計算及比較在自由空間的天線的垂直場型與設有4個不同垂直長度的導線的垂直場型(相當於在要求的天線垂直掃描範圍內擷取4個高度)。以導線進行的模擬,已在假設有水平長度為1.5m的情形下,在30-200MHz頻帶內的一些頻率執行。如我們在圖2-5所觀察到的,在與假設的自由空間所得到的相應結果相比,有導線的天線的垂直場型,有一些不可忽視的改變。圖6,詳細比較了在角度範圍90°-135°內,增益在30MHz的變化(考慮的角度範圍相當於在假設測量距離3m及待測設備在地面上的高度等於1m的情形下,在高度掃描1-4m中,直接角度路徑的變動)。如所觀察到的,導線的存在,改變了垂直場幾dB,依導線垂直部的長度而定。

圖4:在150MHz無同軸導線的垂直場型與設有4個不同長度同軸導線的垂直場型的比較。

圖5:在200MHz無同軸導線的垂直場型與設有4個不同長度同軸導線的垂直場型的比較。

重點是要觀察到,為了修正此種誤差,需要詳細的分析,因為在一個實際的測量設置中,在天線的垂直掃描過程中,導線是連續重新定位的。藉由分析模擬的資料,可在考量天線在接地平面上的4個不同高度之下,評估其在直接與反射路徑中的不同響應。圖7提供4個頻率值中,沿著直接與反射的角度的指向性差異。藉著比較在測量設置中有導線及無導線時計算的差異數值,可以觀察到模擬導線的金屬結構的存在,可以明顯改變測量天線的電氣性能,尤其是在較高的頻率。為了符合CISPR不確定度的要求,這些不樂見的改變,實際上,對於測量天線的正確使用,是一個問題。因此,採用一個不需要使用同軸導線的測量接收機,可避免使測量天線的性能惡化,在理想的條件下使用,可滿足符合UCISPR最大限值的要求

圖6:詳細分析在30MHz無同軸導線及在直接路徑角度範圍內有4個不同長度同軸導線的垂直場變化。

圖7:直接的與反射路徑的不同響應。

結論

我們已經分析在輻射干擾測量中,採取不使用同軸導線的測量接收機的優點,有些明顯的優點可消除對不確定度的影響,此外,藉著以數字分析測量天線的電氣性能的改變,可驗證不使用同軸導線也可避免因指向性差異所導致的誤差及因此須檢查有關的不確定度的必要性。

參考資料

[1] "Specification for radio disturbances and immunity measuring apparatus and methods - Part 4-2: Uncertainties, statistics and limit modelling – Measurement instrumentation uncertainty”, CISPR 16-4-2: Ed. 2.0(2011).
[2] F. L. Warner, Microwave Attenuation Measurement, IEE Monograph Series 19. Stevenage: Peter Peregrinus, 1977.
[3] I. A. Harris, F.L. Warner, “Re-examination of mismatch uncertainty when measuring microwave power and attenuation,” IEE Proc., vol. 128, Pt. H, no. 1, pp. 35-41, February 1981.
[4] D. Bergfried, H. Fisher, “Insertion-loss repeatability versus life of some coaxial connectors,” IEEE Trans. Intrum. Measur, vol. IM-19, no. 4, pp. 349-353, November 1970.
[5] P. Pakai, A. Torok, “Analysis of insertion loss repeatability of coaxial connectors,” Radio and Electronic Engineer, vol.47, no.7, pp.315-319, July 1977.
[6] L. Van Wershoven, "The effect of cable geometry on the reproducibility of EMC measurements," Proc. IEEE Int. Symp. on Electromagnetic Compatibility, vol.2, pp.780-785 vol.2, 1999.
[7] J. DeMarinis, "The antenna cable as a source of error in EMI measurements,", Proc IEEE Int. Symp. Electrom. Compat., pp.9-14, 2-4 Aug 1988.
[8] M. J. Alexander, M. H. Lopez, M. J. Salter, "Getting the best out of biconical antennas for emission measurements and test site evaluation," 1997. Proc. IEEE 1997 International Symposium on Electrom. Compat., pp.84-89, 18-22 Aug 1997.
[9] "Specification for radio disturbances and immunity measuring apparatus and methods - Part 1-4: Radio disturbances and immunity measuring apparatus”, CISPR 16-1-4: Ed. 2.1 (2008).
[10] NEC G. J. Burke and A. J. Poggio, “Numerical Electromagnetics Code - Method of Moments,” Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, Rep. UCID-18 834, Jan. 1981.
[11] J. S. McLean, "Balancing networks for symmetric antennas: part II – Practical implementation and modeling," IEEE Trans. Electrom. Compat., vol. 46, no. 1, pp. 24-32, February 2004.


2016-04-11