崔雅鑫

（中國船舶集團有限公司第七一六研究所，連云港 222006）

引言

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

電磁兼容測試通常是依據(jù)國際或國內制定的相關標準方法完成的，目前我國已經制定了100 多個民用電磁兼容標準GB，其中軍用部門制定了GJB。GJB 151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（以下簡稱“GJB 151B”）作為常用的軍用標準，規(guī)定了軍用電子、電氣及機電等設備和分系統(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 電源線傳導發(fā)射）作為GJB電磁兼容測試中的一個測試項，具有極其重要的作用，該項目也是電磁兼容測試項中出問題較多的一項[5]。為了保證CE 102 測試結果的正確性及準確性，對實驗室實施該測試的能力驗證尤為重要。影響CE 102 測試準確度的因素較多，如測量接收機、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡LISN（Line Impedance Stabili-zation Network）、衰減器、試驗場地、線纜布置、環(huán)境和操作人員等。

本文基于實驗室參與的《10 kHz～10 MHz 電源線傳導發(fā)射（CE 102）》能力驗證計劃項目，發(fā)現(xiàn)了實驗室及試驗人員在測試過程中存在的問題；其次對該問題的出現(xiàn)進行了分析，為提高CE 102 測試結果的準確性提供了思路，從而提升該測試項目的技術水平。

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重影響電子及電氣設備的安全。同時，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 測試適用于所有設備的電源線，包括電源回線，它通過測量電子設備的供電電源線及其回線向外傳導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備是否達到國家規(guī)定使用標準。

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，受試設備電源線接LISN 的EUT 端口，選擇一根電源線進行測試，其所接LISN 射頻端口與接收機之間加20 dB 衰減器，另一個LISN 的射頻端口接50 Ω 負載，以保證整個測試系統(tǒng)的阻抗匹配。測試設備通電并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，進入軟件測試界面進行測試。測試曲線不超過標準規(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 能力驗證

能力驗證是利用實驗室間比對來判定實驗室能力的一個項目，開展此項目需要去具備國家認可的實驗室進行。本次《10 kHz～10 MHz 電源線傳導發(fā)射（CE 102）》能力驗證委托某實驗室計劃和實施，包括本單位實驗室在內共有14 家實驗室參加。試驗依據(jù)為GJB 151B，試驗樣品為電源端子傳導騷擾/發(fā)射能力驗證主機、DC 電源線、接地線，主要測試設備為LISN、衰減器和接收機。如圖2 所示為本實驗室試驗現(xiàn)場布置情況。

圖2 試驗現(xiàn)場布置

試驗樣品的供電電壓為24 V，分別對電源線正線和負線在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 的頻點進行傳導發(fā)射測試，檢測參數(shù)為騷擾電平值。以Z=（x-X）/σ作為能力驗證結果評定準則，其中x 為實驗室實際測量的騷擾電平值（保留小數(shù)點后2 位數(shù)字），X 為指定電平值（見表 1），σ 為能力評定標準差，其中頻率在（10～150）kHz 范圍內σ 為1.9 dB；頻率在150～10 MHz范圍內σ 為1.7 dB。圖3 所示為各實驗室測試結果計算后得到的Z 值折線，其中，002 為本實驗室代碼。對所取的測試頻率點，若：

圖3 參加實驗室Z 值折線圖

|Z|≤2，結果為滿意；

2＜|Z|＜3，結果為可疑；

|Z|≥3，結果為離群。

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

1）接收機、LISN、衰減器、線纜等的校準系數(shù)是否準確；

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）人員操作是否準確規(guī)范。

表1 頻點指定電平值

3 離群結果分析

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

如圖6 所示為CE 102 測試中兩個LISN 組合后的配置圖，其中LISN 的EUT 端分別接電源線正線和負線，當對電源線正線進行CE 102 傳導發(fā)射實驗時，接正線的LISN 的射頻端口作為接收機拾取信號的端口，另一個LISN 的射頻端口接50 Ω 負載。雖然CE 102 測試前都會對測試系統(tǒng)進行校驗，并在校驗合格后進行測試，但實際測試時，LISN 的射頻端口所接的50 Ω 負載也需要定期校準，其負載值的變化會直接引起接收機拾取信號的大小，從而影響測試結果的準確性。為了驗證該負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、反射波關系基礎上的網(wǎng)絡參數(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LISN 組合的電路圖

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

圖7 負載為（0～50）Ω 所對應的S（2，1）仿真曲線圖

圖8 負載為50 Ω～無窮大所對應的S（2，1）仿真曲線圖

綜上所述，造成能力驗證結果出現(xiàn)可疑和離群的原因是負載阻抗50 Ω 的變化，因此，為了保證測試結果的準確性，即不影響接收機拾取的電壓信號值，定期對50 Ω 負載進行校準是非常必要的。

4 總結

通過開展的CE 102 能力驗證項目，對本實驗室測試結果的離群情況進行了分析。首先根據(jù)LISN 的電路圖對其工作原理進行了研究，發(fā)現(xiàn)了當LISN 射頻端口所接負載50 Ω 變化時，會引起傳輸系數(shù)S（2，1）值的變化。當負載阻抗值減小時，在對應測試頻點處，S（2，1）值會先變小后變大，導致測試結果與其他實驗室出現(xiàn)較大偏差，甚至出現(xiàn)離群情況。所以，定期對負載50 Ω 校準極其重要。本文結論為之后提高CE 102 測試結果的準確性提供了技術思路。