资料介绍
中华人民共和国国家计量技术规范
JJF 1155—2006
30MHz~1.0GHz吸收式
功率钳校准规范
theRangeof30MHz to1.0GHz
2006-05-23发布 2006-08-23实施
国家 质量 监督 检验 检疫 总局 发布
30MHz~1.0GHz吸收式功率钳校准规范
Calibration Specification forAbsorbing Clampin theRangeof30MHz to1.0GHz
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本规 范经 国家 质量 监督 检验 检疫 总局 2006年 5 月 23 日批 准 , 并自2006年 8月 23 日起施行。
归口 单位 : 全国无线电计量技术委员会
起草 单位 : 中国计量科学研究院
本规范由全国无线电计量技术委员会负责解释
本规范主要起草人 :
谢鸣 (中国计量科学研究院)
王维龙 (中国计量科学研究院)
吴钒 (中国计量科学研究院)参加起草人 :
洪力 (中国计量科学研究院)
黄攀 (中国计量科学研究院)
郭瑞民 (中国计量科学研究院)
沈庆飞 (中国计量科学研究院)
目录
1 范围
本校准规范适用于对新制造、购进、使用中和修理调整后的 , 频率范围在 (30~ 1000) MHz满足 GB/T 6113.1—1995和 GB/T 6113.2—1998标准要求的吸收式功率钳(吸收钳) 校准。
2 引用文献
GB/T 6113.1—1995 无线电骚扰和抗扰度测量设备规范
GB/T 6113.2—1998 无线电骚扰和抗扰度测量方法
GB/T 4365—2003 电工述语电磁兼容
CISPR 16-4-2: 2003Specification forradio disturbance and immunity measuring appa- ratus and methods Part4-2 Uncertainties, Statistics and limit modelling Measurement instrumentation Uncertainty
Tim Williams, Geoff Orford the UK’s National Measurement Laboratory Elec- tromagetics Publications “Calibration and use of artificialmains networksand absorbing clamps”
使用本规范时 , 应注意使用上述引用文献的现行有效版本。
3 术语和计量单位
3.1 吸收钳 absorbing clamp
带有电源线的设备 , 其干扰能力可以用起辐射天线作用的电源线 (仅指在设备外面那一部分) 所提供的能量来衡量。该功率近似等于吸收装置环绕引线放置时能吸收到的最大功率。此吸收装置被称作吸收钳或铁氧体钳。
3.2 吸收钳插入损耗 insertion loss
吸收钳的插入损耗是本规范图 7.1 中同轴连接器 C1 和 C2 之间吸收钳与校准引线装置的损耗 , 单位用分贝 , 符号 dB表示。
3.3 吸收钳修正因子 correction factor
吸收钳的修正因子是吸收钳的插入损耗与 17之差 , 单位用分贝 , 符号 dB表示。 17是 10log50的近似值 , 它是在 50Ω测量系统中 dB (μV) 和 dB (pW) 之间的换算因子。
4 概述
4.1 吸收钳的用途
吸收钳可以用来测量 (30~ 1000) MHz频率范围内来自引线的辐射 , 不只是设备的电源线 (诸如屏蔽或不屏蔽的引线) 也以与电源线同样的方式辐射能量 , 吸收钳也能对这些引线进行测量。
吸收钳只适用于某些类型设备的干扰测量 , 这取决于那些设备的构造和尺寸。对每一类设备应规定严格的测量方法及适用范围。 如果受试设备 (以下简称 EUT, 不包括连接引线) 自身的尺寸接近测量频率的 1/4波长 , 那么直接的机壳辐射就有可能发生。因此吸收钳方法不适合评价 EUT 的全辐射能力。 这种方法通常对于小型 EUT 和 (30 ~300) MHz频率范围内很适用。
4.2 吸收钳的结构
吸收钳由三部分构成 :
a) 宽带射频电流变换器 : 一个同轴电缆的线圈缠绕在两个或三个铁氧体环的周围 ,它起电流变换器的作用 , 由流过与铁氧体环相结合的受试电缆的所有射频电流感应一个信号进入到线圈内 ;
b) 宽带射频功率吸收体和受试设备引线的阻抗稳定器 : 一个吸收部分由更多的铁氧体环的层叠构成 , 位于受试电缆的更下方远离发射源 , 目的是稳定受试电缆的射频共模阻抗 , 减小它对远端终端负载的依赖 ;
c) 吸收套筒 : 吸收体覆盖在电流变换器的电缆外皮的那一部分 , 即铁氧体环附件。它增加这根电缆的共模阻抗 , 从而减少在该阻抗上的任何变化的影响 , 它可以经由穿过变换器到受试电缆的寄生电容耦合 , 用来减小自电流变换器到测量接收机的同轴电缆表面上的射频电流。
A—受试设备 ; B、B′—受试引线 ; C—电流变换器 ; D—功率吸收体和阻抗稳定部分 ; E—吸收套筒 ; H—电流变换器与输出连接器之间的同轴电缆
5 计量特性
吸收衰减 (插入损耗)
按照本规范要求的校准方法 , 插入损耗值 : (14~22) dB。
注 : 本规范暂不对输出功率响应特性和阻抗特性做校准。
图 4.2 性能改进后的吸收钳结构示意图
B—受试引线 ; C—电流变换器 ; D—功率吸收体和阻抗稳定部分 ;
E—吸收套筒 ; 1—对金属半圆筒 ; 2—绝缘管 ; 3—同轴连接器
6 校准条件
6.1 环境条件
6.1.1 温度 : (23±5)℃
6.1.2 相对湿度 : ≤80%
6.1.3 交流供电电源 : (220±22) V, (50±2) Hz
6.1.4 周围无影响正常校准工作的电磁干扰和机械震动
6.2 校准用的主要设备
6.2.1 频谱分析仪或 EMI接收机
6.2.1.1 频谱分析仪 (内置跟踪源)
a) 频率范围 : (30~1000) MHz;
b) 跟踪源输出功率 : ≥0dBm;
c) 测量模式 : 最大值保持。
6.2.1.2 EMT接收机 (内置跟踪源)
6.2.2 电动滑轨
滑轨长度、高度和最长移动距离应分别大于 6m、0.8m 和 5m, 载有吸收钳的滑车走行速度在一定范围内分级可调 , 传动部分需采用低辐射电机和橡胶齿带。导轨两端均装有限位保护开关 , 必须满足校准时对电磁环境、移动定位精度和安全要求。
6.2.3 校准用绝缘铜导线
市售的电工用带有绝缘外皮的单股铜导线 , 铜线的横截面积 4mm2。
6.2.4 同轴固定衰减器
a) 频率范围 : (30~ 1000) MHz;
b) 阻抗 : 50Ω;
c) 端口电压驻波比 (最大) : 1.15 ∶ 1;
d) 衰减器 : 6dB和 10dB各一个。
7 校准项目和校准方法
7.1 外观及工作正常性检查
7.1.1 被校准吸收钳应带有必要的附件 (6dB衰减器和接收电缆)。
7.1.2 被校准吸收钳各部件应完好无损 , 无影响正常工作的机械损伤。
7.1.3 被校准吸收钳连入校准装置后能正常工作 , 沿校准引线移动时接收机读数应有明显变化。
7.1.4 校准系统按规定预热后进行校准。
7.2 校准方法
7.2.1 校准布置图
GB/T 6113—1995给出吸收钳校准布置如图 7.1所示。
7.2.2 两种不同校准方法的特点和适用条件
7.2.2.1 离散频率法
当对校准结果的准确度有较高要求 (例如实验室间比对或仲裁检测) 且频点较少时选用离散频率法。使用射频信号发生器、频谱分析仪或 EMI接收机组合。 在不具备电动滑轨时 , 可以使用绳索手动牵引吸收钳沿滑轨缓慢移动 , 人员必须尽可能远离吸收钳和校准引线。校准方法见本规范第 7.2条的规定。
7.2.2.2 扫描频率法
使用含内置跟踪源的频谱分析仪或测试接收机 , 吸收钳往返移动一次即可获得众多频点的插入损耗值 , 测试精度较离散频率法稍低 , 适用于吸收钳的日常校准。
7.2.3 校准步骤
7.2.3.1 吸收钳校准装置由有效截面为 (1~ 2) mm2 , 长 6m 的绝缘铜引线、不大于2.5m×2.5m 的接地金属板 (或屏蔽室的墙壁) 和带有导轨的非金属工作台等构成。 引线的一端连接在 50Ω 的连接器芯上 , 该连接器安装在接地金属板上 , 使其只有中心接头伸出。 引线的另一端穿过吸收钳的电流变换器 , 末端开路。
7.2.3.2 如图 7.1所示 , 在 (30~ 1000) MHz范围内 , 按实线用两根同轴电缆 a和 b连接 , 在每一个频率处 (参见附录 A 中的表 A.1 和表 A.2) , 吸收钳沿着引线移动 , 从
图 7.1 吸收钳的校准布置图
W—校准线 ; C—电流变换器 ; D—功率吸收体和阻抗稳定器部分 ; E—吸收套筒 ; F—附加的吸收钳 ,
频率小于 50MHz; C1—用于连接校准线 W 和衰减器的贯通连接器 ; C2—连接到吸收钳内部同轴电缆的同
轴连接器 ; C3—连接接收机电缆且与 C2 配套使用的同轴连接器 ; a—连接吸收钳和测量接收机的同轴电缆 ;
b—连接信号发生器和衰减器的同轴电缆 ; Att—10dB同轴衰减器 ; C′1、C′3 , a′、b′、Att′—分别代表放在
虚线位置上的 C1、C3、a、b 和 Att。此时信号发生器和测量接收机直接连接、测量接收机的读数只包括衰
减器和同轴电缆上的衰减 ; L—此位置上仪表指示最大、吸收钳连同被测导线在内的插入损耗 ; P0—信号发
生器携带 50Ω负载时的恒定输出 ; a—连接吸收钳后 , 测量接收机的最大指示 ; a′—仅通过衰减器
和同轴电缆 (按虚线) 连接信号发生器时 , 测量接收机的指示 ; Fb—多个铁氧体吸收环 , 即套管
屏蔽壁开始到半波长的距离为止 (由于实际校准时跟踪源输出的是正弦波 , 正负半周对称 , 因此 , 通常情况下移动 距离 超过 1/4波长 即可 在接 收机 上得 到最 大读 数) , 记下EMI接收机的最大指示 α并将其填入附录 A 中的表 A.1 和表 A.2 的对应栏内。
7.2.3.3 保持信号发生器或跟踪源的电平恒定 , 再将上述两根同轴电缆按虚线连接 ,如图 7.1 中 a′和 b′所示 , 记下接收机指示 a′并将其填入表 A.1 和表 A.2 的对应栏内。最小插入损耗 L (dB) 公式 (7.1) 计算 :
L=a′- a (7.1)
7.2.3.4 在吸收钳校准所需的频率范围内重复步骤 7.2.2.2, 图 7.2 给出了校准曲线的实例 , 正常情况下 , 测得的插入损耗值应符合第 5条的规定。校准期间人员应该距离电缆 1.25m 以外。
7.2.3.5 电磁兼容标准中骚扰功率的限值是以 dB (pW) 为单位 , 需将 EMI接收机电压读数 dB (μV) 换算为以 dB (pW) 表示的功率。标准规定 EMI接收机输入阻抗是 50Ω,
根据功率 (W)、 电压 (V) 和阻抗 (Ω) 之间的关系 , 可得到以对数形式表示的功率 :
P[dB(pW)] =Ur[dB(μV)] +K[dB(pW/μV)] +Lc(dB) (7.2)
式 (7.2) 中的 K 是吸收钳的修正因子 , 可用下面的公式表示为 :
K[dB(pW/μV)] =L(dB) -17[dB(pW/μV)] (7.3)
在 50Ω 系统中 dB (μV) 和 dB (pW) 之间换算因子是 17dB, 严格来说 , 修正因子仅适用于吸收钳 , 当通过一个 6dB衰减器和这个装置中使用的输出电缆与吸收钳连接时 , 如果没有衰减器 , 或者使用不同的电缆 , 修正因子可能出现差异。
7.3 校准设备的参数设定
7.3.1 离散频率法
7.3.1.1 信号源和频谱分析仪参数设定
a) 起始频率 : 30MHz或 300MHz
b) 终止频率 : 300MHz或 1000MHz
c) 参考电平 : 97dB (μV)
d) 输入衰减器 : 10dB
e) 垂直分度 : 10dB/Div
f) 分辨率带宽 : 5MHz
g) 视频带宽 : 1MHz
h) 信号源频率 : 根据客户的要求在 (30~1000) MHz范围内设定
i) 信号源输出电平 : 97dB (μV)
j) 扫频模式 : 最大值保持
7.3.1.2 滑轨控制器参数设定
a) 最小位置 : 0cm
b) 最大位置 : 400cm
c) 走行速度 : 滑轨控制器可设定的最低速度
7.3.1.3 吸收钳的移动
在每个频率点以距参考平面 0.15m 处为参考点 , 移动吸收钳超过最低频率波长的1/4距离且不大于 400cm, 往返一次。
7.3.2 扫描频率法
7.3.2.1 频谱分析仪和滑轨控制器的参数设定
参数设定中除用跟踪源替代信号发生器外 , 其余与离散频率法校准时基本相同。
7.3.2.2 吸收钳的移动
在整个频率范围内以据参考平面 0.15m 处为参考点 , 移动吸收钳超过最低频率波长的 1/4距离且不大于 400cm, 往返一次。
图 7.2 吸收钳校准曲线举例
通常用吸收钳测出的波峰点不止一个 , 而以离 50Ω 连接器校准引线端最近的波峰点给出的接收机指示为最大。实践证明与第一个波峰相比 , 第二个波峰给出的插入损耗
大 1dB左右。
对于某些实际情况 , 测量第二个波峰很方便 , 这种情况也适合于吸收钳校准 , 图7.3 中的曲线 A和曲线 B 分别为测量第一个峰和第二个峰时校准吸收钳的曲线实例。
图 7.3 吸收钳校准曲线
7.4 校准方法的改进
图 7.4给出了经过改进后的校准布置 , 与图 7.1有 3个不同之处 : 首先是在吸收钳的输出连接器处增加一个 6dB 同轴衰减器 ; 其次是要求接收电缆尽可能保持与校准引线垂直 , 并且在该电缆上附加若干个卡钳式铁氧体环 ; 最后是在吸收钳的两端各增加一个与校准引线相匹配的非金属中央导引器。 这 3 条改进措施的原因在附录 D 不确定度评定实例中给出详细解释 , 此处不再赘述。
图 7.4 改进后的吸收钳校准布置
图 7.5 垂直参考平面示意图
8 校准结果表达
经校准后的吸收钳应出具校准证书。校准证书应包括足够的信息 , 如校准实验室的名称和地址、校准证书的编号 , 送校 单位 的名 称和 地址 , 被校 准的 吸收 钳的 名称、 型号、制造商、系列号、校准的日期、地点、校准依据的技术规范的名称 , 本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明 , 校准结果及其测量不确定度说明等。
校准证书内页的内容见附录 B。
9 复校时间间隔
送校单位可根据吸收钳的实际使用情况自行决定送校时间间隔。建议复校时间间隔为 1年。经修理或调整后的吸收钳应校准后使用。
附录 A
校准记录内容
表 A.1 (30~300) MHz校准记录
表 A.2 (300~1000) MHz校准记录
. A.1 修正因子频响曲线的处理方法
使用电子表格软件将测量得到的吸收式功率钳修正因子随频率的变化以曲线的形式
给出 , 用长坐标轴表示频率 , 单位 MHz; 用短坐标轴表示修正因子 , 单位 dB。
附录 B
校准 证书 内页 内容
证书编号 : × × × × × × × ×— × × × ×
校准 结果
功率吸收钳修正因子频率响应
标准员 : 核验员 :
附录 C
吸收钳的工作原理和发射等效电路
C.1 吸收钳的工作原理
铁氧体材料在电缆上呈现复杂 (换句话说 , 既有电阻又有电抗性分量) 且随频率改变的阻抗。CISPR 16-1要求吸收钳总体上应该呈现 (100~ 250) Ω 之间的阻抗 , 电抗性分量不超过 20% , 当测出的量值是用一台阻抗测量仪器取代在标准校准装置中使用的信号发生器和 10dB衰减 器时。 图 C.1 给出 了吸 收钳 的阻 抗随 频率 变化 的曲 线 , 通常 , 电阻分量可 保持 在要 求的 范围 之内 , 而在 300MHz 以上 电抗 性分 量中 的大 部分 >20% , 即使允许对位置进行调整。
注 : 在 CISPR 16-1 中的措词没有解释电抗性要求是一个什么的百分比 : 这里应当将它看作是在每一个频率处电阻值的百分比的意思。
图 C.1 吸收钳阻抗随频率的变化
铁氧体环被分成两半 , 用合页将钳的两部分连在一起 , 因而受试电缆能够置于其中穿过整个装置 , 铁氧体环的另一半扣下后使之完全封于其中。铁氧体环的两半必须紧密对接 , 组装铁氧体的盒具有弹性以确保这一点。一般来说 , 铁氧体被安装在由绝缘材料制成的钳体中 , 与受试电缆或变换器输出电缆没有产生电流的通路。 图 4.1 和图 4.2是GB/T 6113.1—1995提供的两种可供选择吸收钳的典型结构。
图 C.2 传输线上的驻波
使用中 , 吸收钳围绕着受试电缆放置 , 电流探头朝着发射源。 电缆的远端被连接到电源或辅助设备 , 或在校准时维持开路 ; 可以把第二个吸收体放在引线的另一边。 吸收钳的输出被连到测量接收机或频谱分析仪。 为了确定骚扰源能够发送给一根不确定长度引线的最大功率 , 在所有给定的频率处沿着受试引线移动吸收钳以找出最大值。输出电平随距离周期性地改变 , 在峰值之间的距离大约是被测频率的半波长。一根与地面平行的电缆作为传输线 , 在这根传输线上产生电流驻波 , 吸收钳测量这些驻波 (图 C.2)。为了形成驻波 , 沿传输线必须有失配 , 这样的失配将会由两个原因中的任一个引起 :
在线的末端的终端负载 (或者缺少终端负载) , 或者吸收钳本身。
如果吸收钳的吸收部分是完全有效的 , 对于吸收钳和骚扰源之间的线 , 线的末端终端负载应该是看不见的 , 所以不应该贡献由电流变换器实测的驻波。然而 , 吸收体本身对于传输线阻抗将是失配的并且会因此产生反射 , 依次产生驻波。 电流变换器相对于吸收体来说是固定的 , 因此 , 在驻波上维持在相同的点 , 但是在输出仍然感觉到周期性的变化 ; 这是因为当移动吸收钳时 , 由于改变了呈现到骚扰源的阻抗 , 馈给电缆的信号幅度发生变化。所以 , 移动吸收钳将呈现一个负载阻抗的包络 , 对于源来说这将是允许的 , 在限值内获得最大功率传输。
C.2 发射等效电路
骚扰功率测量方法的基本假设是把 EUT 内产生的干扰与连接电缆耦合的信号作为
高频发射的主要发射源。然后通过测量以共模方式馈入以及通过辐射方式耦合到远处电
缆上的电流得到 EUT骚扰能力的一种表示。假设对许多类型的只有一根电缆 (一般来说是电源线) 的设备是有效的且它的尺寸与波长相比是小的。 当设备有几根与其相连的电缆 , 或者它的尺寸大于 1/4波长 (换句话说 , 它的物理尺寸大 , 和/或关心的频率高)时 , 较难证明该假设是合理的 , 这时作为首选的是辐射测试方法。然而这种测量方法作为一种评估多种类型设备干扰电压的手段有一个良好的记录 , 它通常较辐射方法容易实现。
在标准吸收钳测试装置中适合于高频发射的等效电路被示于图 C.5 中。受试电缆的长度 (通常大于 5m) 在地面上恒定的高度处被拉直 , 因而 , 形成一根特性阻抗为 Z0的传输线 , 其值由装置的几何尺寸决定。这根电缆的远端以阻抗 Zt 终结 , 通常它是未知的 , 由电源或可以被连接的辅助设备的高频阻抗确定。在末端放置第二个吸收体稳定Zt , 对 EUT呈现的阻抗是 Zc , 它是被 Zt 和所有其他呈现在线上的失配改变后的传输线阻抗 Z0。
在所有 EUT 中的骚扰源可以用一个电压源 Vs 与一个阻抗 Zs 串联表示 , 谈到屏蔽
(无论是设备具有 Ⅱ类绝缘或 Ⅰ 类接地金属屏蔽 , 这个简化电路都是有效的)。 当然 Vs
和 Zs 都是随频率而定的。更确切地说 Zs 以共模方式耦合到受试电缆 , 产生电流 ICM 在
电缆的所有导体中相等且以相同的方向流动 , 耦合机制取决于设计细节并且可能是复杂
的 , 但不需要涉及这里的讨论。EUT与地是绝缘的而是通过寄生电容 Cs 对它耦合 , 它
是设备几何形状和与地板以及其他周围物体距离的函数。 匹配考虑要求当 Re (ZC) =
量装置确定 , 因而通过改变 Zc 能够获得功率匹配。 这就是将吸收钳应用于电缆且移动
它穿过一个半波长的目的。
图 C.3 用于台式 EUT 的吸收钳测量装置侧视图
图 C.4 吸收钳测量方法的原理图
图 C.5 发射等效电路
附录 D
不确定度评定实例
D.1 吸收钳校准的等效电路和数学模型
校准吸收钳时首先需要在校准引线上产生一个已知电流分布特性的正弦信号 ; 其次校准装置的校准引线为有限长 , 校准引线距地面很近 , 近场效应会很强 , 如何克服近场影响 , 是建立校准模型的关键点 ; 在一个已知特性阻抗的无耗传输线上 , 当终端端接固定负载时 , 其上的电流分布是已知的。 为建立吸收钳校准的数学模型 , 除了在校准源端面加一金属反射面外 , 还应在地面加一金属平面 (CISPR 16-1-3: 2004规定的吸收钳校准装置要求在滑轨下面的地面上铺设金属板) , 根据镜像原理 , 就会形成一个等效传输线系统。但校准装置远端反射对校准引线射频电流的分布有很大影响。对此在校准引线上利用吸收钳中铁氧体环的吸收作用 , 并在开路的校准引线末端增加吸收体 , 实现终端端接固定负载。最终地面和校准引线形成一段终端端接固定负载的无耗传输线等效模型。结合校准装置的布局和吸收钳的结构 , 可以将校准系统等效为三段传输线级联的模型 , 其等效模型如图 1。
图 D.1 吸收钳校准系统分布参数模型等效电路图
X—吸收钳测量端面到源端的距离 ; D—吸收钳有效长度 ; Us , R0—等效干扰源的干扰电压和内阻 ;
Ls—加吸收钳时有耗传输线的等效分布电感 ; Cp—加吸收钳时有耗传输线的等效分布电容 ;
Rs—加吸收钳时有耗传输线的等效分布电阻 ; L—无耗传输线的等效分布电感 ; C—无耗传输线的等效分布电容
吸收钳校准等效电路为一段无耗平行传输线级联上一段有耗平行传输线后再级联上一个无限长无耗平行传输线。
图 D.2 中 a、b、c、d 的数值由校准系统的实际结构确定。
经过一系列推导可得 :
图 D.2 加载吸收钳后传输线横界面结构示意图
根据铁氧体材料的磁导率 , 在 (30~600) MHz频率范围内选取若干频点 , 求得对应频率下 , 在信号馈入端最接近共轭匹配的阻抗值 Rin , Xin , 及吸收钳的位置。计算可得到最大功率传输时信号馈入端的等效输出阻抗值 , 根据计算结果 , Rin远远大于 Xin , Xin可以忽略 , 假设 PS 和 PL 分别 是源 所能 输出 和负 载 (吸收 钳) 所能 吸收 的最 大功率 , 设 m=Rin/R0 , 其中 R0 = 50Ω 校准 信号 源最 大功 率输 出时 的等 效负 载 ; 并且 Rin上的能量全被接收机接收 , 则在共轭匹配的前提下 , 根据基本的电路分析可得吸收钳的固有损耗 LI 应为 :
根据吸收钳的结构 , 吸收钳前部的电流探头又引入一个插入损耗 LT , 当 PS 为源所能输出 的最 大功 率、 PL 吸收 钳吸 收功 率、 PM 为接 收机 实测 功率 时 , 在 GB/T 6113.1—1995 中所定义的吸收钳插入损耗 Lac应为 :
Lac =LI +LT (D.5)
式中 : LT=10lg (D.6)
设电流探头的转移阻抗为 ZCT , 传输线在此位置的等效谐振负载电阻为 RL , 则有 :
式中 : ZCT (D.8)
M— 电流探头与校准线之间的互感 ;
LS— 电流探头线圈电感 ;
RL— 电流探头负载阻抗 (这里为 50Ω) ;
CS— 电流探头分布电容 ;
ω— 角频率。
D.2 不确定度评定实例
D.2.1 不确定度评定的表达式
本实例给出的校准结果不确定度仅限于 (30~ 300) MHz频段 , 与 (300~ 1000) MHz的评定方法相同。标准不确定度和扩展不确定度分别用英文字母 u 和 U表示 , 与其相关的上、下角标作为区分各个量的简要说明。
根据吸收钳插入损耗的定义以及直接 (电缆直通) 与间接 (经过吸收钳) 测量的系统原理框图 (见图 D.3a、 图 D.3b) 可建立评估校准结果不确定度的数学表达式。
V=VTG -LCable1 -LAtt1 -LAtt2 -LCable2 (D.10)
V=VG - Lable1 - Ltt1 - (LWire +LClamp) - Ltt2 - Lable2 (D.11)
V-V= ΔVTG +ΔLCable1 +ΔLAtt1 - (LWire +LClamp) +ΔLAtt2 +ΔLCable2 (D.12)
将式 (D.12) 稍加变化得到与标准定义相符的吸收钳插入损耗 :
LWire +LClamp =V-V+ ΔVTG + ΔLCable1 + ΔLAtt1 + ΔLAtt2 + ΔLCable2 (D.13)
以下各式中变量符号的具体含义如下 :
Pd、Pi— 直接、 间接测量时频谱仪输入端口功率 ;
Vd、Vi— 直接、 间接测量时频谱仪输入端口电压 , μV;
V、V— 用对数表示的直接、 间接测量时频谱仪输入端口电压 , dB(μV) ; VTG , VG — 直接、 间接测量时频谱仪跟踪源输出电压 , dB(μV) ;
LCable1 , Lable1— 直接、 间接测量时跟踪源输出端电缆的衰减值 , dB; LAtt1 , Ltt1— 直接、 间接测量时 10dB衰减器的衰减值 , dB;
LAtt2 , Ltt2— 直接、 间接测量时 6dB衰减器的衰减值 , dB;
LCable2 , Lable2— 直接、 间接测量时频谱仪输入端电缆的衰减值 , dB;
LWire— 校准用绝缘导线装置的损耗值 , dB;
LClamp— 吸收钳自电流变换器至射频输出端的损耗值 , dB; L— 吸收钳的插入损耗 (L=LWire+LClamp) ;
Δ— 变量的前缀 , 不同测量方法所得某个量的差值。
除式 (D.13) 中与不确定度相关的量之外 , 根据此前建立的吸收钳校准装置数学模型的公式推导以及对校准方法的分析 , 可以找出与 LWire+LClamp 的校准结果不确定度相关的另几个量 , 把它 们并 入公 式 (D.13) 建立 完整 的不 确定 度评 估数 学模 型 (式D.14) , 不确定度来源的表示方法与 CISPR 16-4-2: 2004的例子相似 :
L=LWire +LClamp =L0 +δL (D.14)
L0 =V-V (D.15)
δL= +δSR +δWC +δSO +δWD +δWL +δER +δRP +δCC +δMS
+δSA +δSF +δTA +δSN +δWM +δCM +δCL (D.16)
上面三式中各项的含义为 :
L0—L的真值 ;
δL—L 的误差 , 它由多个影响量组成 ;
δSR — 测量系统重复性 ;
δWC— 校准引线在吸收钳中位置的影响 ;
δSO — 周围物体的影响 ;
δWD— 校准引线横截面的影响 ;
δWL— 校准引线长度的影响 ;
δER — 第二个吸收体的影响 (远端反射) ;
δRP— 参考平面的尺寸影响 ;
δCC—耦合对输出电缆的影响 ;
δMS— 扫频速率、吸收钳行走速度不匹配 ;
δSA — 频谱仪相对幅度精度 ;
δSF— 频谱仪频率跨度误差 ;
δTA — 跟踪源幅度稳定性 ;
δSN — 测量系统噪声 ;
δWM — 校准引线输入端的失配 ;
δCM — 吸收钳输出端的失配 ;
δCL— 电缆损耗随温度的变化。
D.2.2 不确定度分项评定
a) 频谱分析仪读数的影响 VR
频谱分析仪读数变化的原因包括测量系统的不稳定、频谱分析仪的噪声和刻度内插误差。对被校准的吸收钳连续做 10次独立等精度测量 , 运用 Bessel (式 D.17) 得到以
实验标准差表示的单次测量结果的标准不确定度 ut=0.1dB, 服从正态分布 , ν= 9,
k= 1。
b) 校准引线在吸收钳中位置的影响 δWC
在进行传导骚扰功率检测时 , 受试电缆应该尽量保持在吸收钳内的中心 , 然而 , 当使用一根非常细的引线校准吸收钳时 , 引线的位置相对于吸收钳内铁氧体中心能够有非常明显的变化。甚至有一种型号的吸收钳有高达 ±10mm 的引线偏移 (这是吸收钳的结构所允许的) , 试验表明其差别可能高达 5dB, 在更高的频率端影响更大。
有几种型号的吸收钳本身具有限制引线在中心位置的 ±5mm 之内移动的非金属引导器 , 也可以专门加工一个附加的引导器 , 将校准引线控制在中心位置的 ±1mm 之内 ,将此项不确定度限制在一个恰当的范围内。
校准期间 , 通过在吸收钳内的两端使用附加的引导器 , 它将保持引线位于偏离中心±1mm 之内 (见图 D.4) , 能够将它的影响降低到最小。 为此 , 应该顺着它的延长方向
拉紧引线。此时 Uer=0.2dB, 服从均匀分布 , 包含因子 k= 3。
图 D.4 将校准引线定位在吸收钳内的中心位置
c) 周围物体的影响 δSO
在此处讨论的不确定度适合于存在大金属物体的实验室环境 , 例如不能避免要使用的建筑物结构的 Ⅰ型钢。然而 , 所做的测量均应确保金属物体和操作者离吸收钳和校准引线至少 1m远。如果在 2m距离内没有大金属物体的区域进行测量 , 则这个不确定度在低
于 300MHz时能够被减小到 0.7dB, Unding=0.7dB, 服从均匀分布 , 包含因子 k= 3。
d) 校准引线横截面的影响 δWD
GB/T 6113.1—1995对校准引线的截面积给出了一个范围 , 不同的校准实验室可以使用不同横截面大小的校准引线。不确定度是通过比较 2mm2 和 1mm2 校准引线的对校准结果的影响得到的。测量表明被校准吸收钳插入损耗的差别在 1mm2 和 2mm2 之间大约是0.5dB, 在 1mm2 和 4mm2 之间大约是 1dB, 不随频率变化 , 较大的校准引线直径得到较小的吸收钳插入损耗。
由于大部分传导骚扰功率检测时的受试电缆是比较粗的 , 国外校准机构已将校准引线的横截面积改为 4mm2 , 并且在校准报告中做了明确说明。最新颁布实施的对 CISPR 16-1的修改也建议使用 4mm2 截面积的引线。为了与国外校准机构的校准结果具有可比性 , 推荐使用 4mm2 截面积的校准引线。
Uieter=0.5dB, 服从均匀分布 , 包含因子 k= 3。
当 CISPR 16-1-4转换为我国国家标准后 , 由于横截面规定为 4mm2 , 此项不确定度分量可以忽略。
e) 校准引线长度的影响 δWL
GB/T 6113.1—1995没有明确的规定校准引线的长度 , 但是它必须足够长以包含放
置在 4m 处的第二个吸收体 , 所以校准引线将需要 4.5m 或者更长 , 相应的不确定度可以由使用不同长度的校准引线所做的测量获得。具体做法是在实验室外面对其中一个吸收钳的测量使用逐渐延长的校准引线从 5.5m 到 9.5m 产生小于 0.3dB 的变化 , 如果不校准引线的末端使用第二个的吸收体 , 其影响将会显著增加。
f) 第二个吸收体的影响 (远端反射) δER
GB/T 6113.1—1995推荐第二个吸收钳作为吸收体放置在引线的远端附近 , 如图7.1 中列举的 F, 试验证明它应该被固定在距参考平面大约 4m 处 , 尽管这与移动吸收钳通过半波长的要求冲突。所做的插入损耗测量在远端没有使用吸收钳 , 使用一个吸收钳和两个吸收钳且结果表明在频率低于 100MHz时 , 通过放置一个吸收钳与没有吸收钳相比其差别可以是 3dB, 高于 100MHz其影响可以被忽略。然而 , 增加另一个吸收钳使得两个以串联方式放置产生非常小的进一步改变 , 作用不大 , 不必使用。对于 4m 长度值 , 10cm 的放置误差得到近似 0.25dB插入损耗的差别。
吸收钳的用户或者校准机构通常没有第二个吸收钳作为远端吸收体 , 但可使用带有外套的钳式铁氧体组件或铁氧体环替代并且非常便宜。 给出的不确定度体现使用一个吸收钳和使用作为替代的钳式铁氧体组件之间的差异。 在一串 12个钳式铁氧体组件和一个吸收钳作为远端吸收负载之间所作的比较 , 这些比较表明其差别不大于 0.5dB。更进一步是以增加铁氧体环的数量进行一系列的测量。这表明在引线上一旦有六个钳式铁氧体组件后继续增加更多的组件其作用可以忽略。
Ulect = 0.4dB,均匀分布 ,包含因子 k= 3。
g) 参考平面的尺寸影响 δRP
GB/T 6113.1—1995中建议的参考平面是屏蔽室的墙或者是一块 2.5m×2.5m 的金属板 , 但没有谈到执行校准的区域。方便的做法是由两张 2m×1m 尺寸的金属板得到一个 2m×2m 的参考平面。 当金属板尺寸增加时出现的差别可作为不确定度 , 在一个开阔区域将参考平 面的 尺寸 从 2m × 2m 增加 到 4m × 4m, 即使 在低 频其 差异 也不 超过0.3dB。这个尺寸看来不严格。
试验表明使用铜板的效果要比使用铁板要好。
Ue = 0.2dB,均匀分布 ,包含因子 k= 3。
h) 耦合对输出电缆的影响 δCC
从吸收钳 到测 量接 收机 的电 缆有 电压 与校 准引 线耦 合引 起错 误的 结果 , GB/T 6113.1—1995说明这根电缆在它的每一端都有铁氧体套 , 当它从吸收钳出来时直接落到地面。 电缆长度和铁氧体套的阻抗都将影响校准引线的传输线阻抗 , 尽管发生在吸收钳的后部其影响被减弱 , 被耦合的输出电缆越靠近校准引线 , 影响就越显著。 当电缆与
校准引线成直角且立即远离校准引线时将产生最小耦合 , 在校准中 (见图 7.4) 将总是保持这个角度。 由于输出电缆和它的铁氧体对结果可能有影响 , 吸收钳和它的电缆集合将总是被共同作为一个单元处理一起校准和使用。
这项不确定度 uling=0.2dB是通过改变输出电缆与校准引线之间的距离和角度得到的。服从均匀分布 , 包含因子 k= 3。
i) 扫频速度、吸收钳行走速度不匹配 δMS
使用含跟踪源的频谱仪扫频速率受分辨率带宽、频率跨度等因素的制约 , 不可能很快。 吸收钳的行走速度由行走装置决定 , 最慢是 1m/25s, 与离散频率法相比 , 很多频点不能保证测出的是最大辐射电流。 尽管可以靠增加往返次数来弥补 , 但测量时间过长 , 得不偿失。 因此 , 必须在扫描速率、行走速度和往返次数之间做出取舍 , 由此引入的不确定度可通过与离散频率法校准结果的对比分析来确定。
将扫描频率法与离散频率法得到的数据之差作为最大误差 , 服从均匀分布 , 包含因
子 k= 3。其标准不确定度 Ud=0.5dB。
j) 频谱仪的幅度精度 δSA
频谱仪的幅度精度要作为不确定度考虑 , 相关信息来源于频谱仪的技术规范。
Up = 频谱仪作为参考电平函数的相对幅度精度(dB) (D.18)
频谱仪 HP 8593E在 3kHz~3MHz的分辨率带宽时 , 显示刻度的逼真度自参考电平起 0~70dB范围内的对数最大累积为 : ± (0.3dB+0.01×偏离参考电平的 dB数)。
为避免参考电平变化引起误差 , 将参考电平固定为 97dBμV, 直接与间接测量时相
对于参考电平的最大偏离为 40dB, 代入公式 (D.18) 后得到 Up= 0.7dB, 服从矩形
分布 , 包含因子 k= 3。
k) 频谱仪的频率精度 δSF
频谱仪的频率精度也要作为不确定度考虑 , 相关信息来源于频谱仪的技术规范。
Uan = 频谱仪频率跨度精度(MHz) × 吸收钳插入损耗的斜率(dB/MHz) (D.19)
Uan=0.2dB, 矩形分布 , 包含因子 k= 3。
l) 频谱仪内置跟踪源 δTA
跟踪源引入的不确定度与输出幅度和频率相关 , 它们被作为直接和间接测量之间的相对差。跟踪源输出幅度稳定性通常是环境温度和输出功率的函数 , 在测试时的环境温度应保持基本恒定且输出功率不超过制造厂的额定值。
Up = 跟踪源幅度稳定性(dB) (D.20)
频谱仪 HP 8593E 内置 跟踪 源 , 输出幅度 不确 定度 Up = 0.1dB, 矩形 分布 , k= 3。
跟踪源频率的不确定度 Uq忽略不计。
m) 测量系统噪声 δSN
假如频谱分析仪用在最大值保持模式 , 那么测量将偏移噪声包络的一半 , 它不同于吸收钳电 路的 输入 和输 出 , 应该 执行 检查 , 测量 这个 偏移 的影 响 , 如果 相对 小(<0.2dB)则能够将它作为一项不确定度看待。 同时能够对噪声偏置进行修正 , 但不推荐这种做法 , 应该采取某些措施使信号噪声的影响最小化。
校准时的峰值信号是测量系统的信号与频谱仪内部噪声之和 , 若被测信号远大于频谱仪的内部噪声 , 便不会引入显著误差。 然而 , 当外部信号电平接近于内部噪声电平时 , 测量便引入一个误差项 , 它可用公式 (D.21) 表示为 :
式中 :
信噪比 SNR (D.22)
N 表示折算到频谱仪射频输入端口的本机噪声。
对频谱仪 HP8593E 的本 机噪 声进 行实 测 , 在分 辨率 带宽 30kHz 时 , N= 4.88dB
(μV) , 校准时的信号高于 55 dB (μV) , 则 SNR= 52dB。代入式 (D.19) 得到 UR =
2.7×10-5dB, 远低于其他的不确定度分量 , 故 δSN可忽略不计。
n) 校准引线输入端的失配 δWM
给出的不确定度 utch是由校准引线输入和 10dB衰减器之间的阻抗失配引起的典
型值 , 服从 U形分布 , k= 2。假如使用的衰减器具有较低的电压反射系数 VRC将减小失配不确定度。
失配不确定度由下式计算 :
Uatch = 20.log(1±|Γ10dB衰减器输出 |·|Γ校准引线连接器 |) (D.23)
实际测量信号 源经 10dB 衰减 器衰 减后 的 VRC= 0.02, 校准 引线 同轴 连接 器的VRC=0.9, 代入上式后得到 Uatch=0.21dB, 反正弦分布 , 包含因子 k= 2。
o) 吸收钳输出端的失配 δCM
把吸收钳直接与校准电缆相连 , 测量所有吸收钳的输出电压反射系数 (VRC)。反射系数可以在 0.3~0.8之间改变 , 显著的波动出现在 200MHz 以上。通过这个变化可以得知 , 在插入损耗特性中主要的波动也是出现在高频处。
如果不采取措施 , 对于全部的测量不确定度来说 VRC将是一个显著的贡献者 , 而通过在吸收钳输出连接器处增加一个 6dB衰减器 , 在损失灵敏度的情况下能够将它的影响充分减小。这应该作为全部被校准组件的一部分处理。
这项不确定度 ul是由吸收钳输出与被衰减 6dB 的测量系统输入之间阻抗失配
的典型值。实际测量吸收钳输出连接器端的 VRC= 0.6, 6dB衰减器输入端的 VRC=
0.03, 代入上式后得到 Uatch=0.16dB, 反正弦分布 , 包含因子 k= 2。 服从 U 形分
布 , k= 2。
Ultch = 20 ·log(1±|Γ吸收钳输出 |·|Γ6dB衰减器输入 |) (D.24)
p) 电缆损耗随温度的变化 δCL
根据电缆生产厂提供的电缆衰减随温度变化的特性可知 :
Ues= 电缆衰减的变化 (dB/℃) ×直接或间接测量时环境温度变化 ( ℃)
(D.25)
在室内校准 , 时间约 1h, 环境温度变化小 , 电缆损耗随环境温度变化的不确定度
忽略不计 , 标准不确定度 uls=0。
D.2.3 合成标准不确定度 uc
uc (D.26)
式中 : ci 为第 i个不 确定 度分 量的 灵敏 系数 , ui 表示 第 i个不 确定 度分 量 , i是1~n 之间的整数 , 这里 n= 14。
将表 D.1 中所列各不确定度分量和灵敏系数代入式 (D.26) 计算得到 uc= 0.8dB,合成中所用的数据均列于表 D.1。
D.2.4 合成扩展不确定度 U
U =k× uc (D.27)
根据表 D.1, 在置信概率 p=95%的情况下 , k=2, 得到 U95 = 1.7dB。
D.2.5 检测实验室的影响
CISPR文件没有指定吸收钳应该是用在开阔区域还是屏蔽室内。 在屏蔽室内使用将消除测量的环境信号 , 但是却产生了由受试电缆与房间谐振耦合的误差 , 与辐射场测量的情况一样。
某研究机构的实验表明了在标准 3m 法半电波屏蔽暗室内做的测量与在一间有钢筋混凝土地板未屏蔽的典型实验室环境所做的测量之间的差别。实验室房间四周的墙壁和天花板贴有尖劈吸收体但是在地面没有铺尖劈吸收体。在实验室和屏蔽室内都分别使用0.8m 和 0.4m 高的滑轨 , 对几个不同型号的吸收钳进行插入损耗测量 , 结果如下 :
a) 受试电缆高度为 0.8m 时 , 所有被测吸收钳的插入损耗频率响应非常相似 , 插入损耗之间差异的最大值 5dB出现在 40MHz, 在 70MHz有 3dB的最大差别。
b) 受试电缆高度为 0.4m 时 , 最大差别明显较小 , 在 40MHz是 1.5dB、在 70MHz是 2.5dB。这可能是由于在较高的滑轨高度测试集合与屏蔽室谐振 (计算表明在这些频率之上存在) 耦合更强的原因。
试验结果对这个特定的实验室和屏蔽室或许是典型的 , 而较小的屏蔽室有充分的理由可以显示较大的差别。通常 , 当环境信号太大而必须在屏蔽室内测量时 , 那么不确定度需要在 100MHz以下频率至少增加 5dB, 而高于 100MHz则至少增加 1dB。如果在屏蔽室内得到的结果在 100MHz 以下频率位于限值的 ±5dB之内 , 假如环境信号电平是可接受的 , 则这次测量应该在屏蔽室外重复进行。
D.2.6 不确定度汇总表
表 D.1 (30~300) MHz校准结果不确定度评定汇总表
根据表 D.1得到 (30~ 300) MHz频率范围内的合成扩展不确定度 : U95 =k·uc = 2 × 0.82≈ 1.7dB
