用共模阻抗稳定网络减低辐射骚扰测试的变异

王绎维

（广家院威凯（上海）检测技术有限公司 上海 201802）

引言

电子产品的辐射骚扰电平需要依据对应的产品标准进行符合性测试，测试的方法主要参照CISPR 16-2-3:2016[1]。虽然每个检测实验室都援引相同的标准进行测试，并且宣称测量仪器与设施的不确定度符合CISPR 16-4-2:2011[2]提出的UCISPR的要求，但是不同实验室的测试差异经常出现远超过不确定度的现象。过去对实验室间比对的研究发现[3,4]，用实际产品或是模拟的实际产品进行实验室间比对测试时，测试差异都远高于UCISPR的评定结果。

对这样的差异，CISPR/TR 16-4-1:2009[5]说明了可能存在的各种类型因素引入的差异。这些变异有的来自于抽样过程，有些是产品本身的变异，有些来自于布置的差异。但是实务上的经验表明，即使很小心的选择产品、设定工作条件、排除抽样因素、控制布置条件，仍有可能在30～230 MHz的频段，在不同的实验室出现超过10 dB以上的测试差异。对实验室的各项要素进行检查，也都符合相关标准的要求，表示仍有其他重要的不确定源并未在标准中加以识别与控制。

参照CISPR的技术报告CISPR/TR 16-4-1:2009表5所列的各种不确定源与影响量，我们通过实测与比对确认共模阻抗的影响显著，且在不同实验室间测得的共模阻抗差异很大，可能造成AC电缆中骚扰电流的不同。依据线缆辐射的发射机制，辐射场强与线缆中的共模电流成正比[6]。前人透过插入CDN、注入钳等改变共模阻抗观察到辐射电平的变化[7]，也表明了共模阻抗对辐射测试的影响。

文中比对了一个实际样品在不同实验室间的测试差异。并设计一个共模阻抗稳定网络，在给定稳定的共模阻抗值下，观察发射电平随阻抗值的变化关系。施加此共模阻抗稳定网络在不同实验室间测试该样品，并比较使用与未使用共模阻抗稳定网络的测试结果。

1 实验室间样品比对测试

实验时选用一个用于笔记本计算机的典型的电源适配器，以下称为样品一；以及美国Compower公司的CG-515梳状信号发射器，以下称为样品二，进行实验室间比对。样品一是一般典型做符合性测试的多媒体设备待测物，用于观察实际样品测试时会出现的测试差异。样品二则是一般做为实验室的稳定信号源，通常用于监测实验室的变动或比对实验室间场地设施的量值差异。

试验依据CISPR 32:2015+AMD1:2019[8]对多媒体设备的测试布置与测试方法，同时在四个不同的测试场地进行测试与比较。对此样品在4个实验室分别进行了测试：

- 中达电子电磁兼容实验室

- 快特电波电磁兼容实验室(苏州)

- 程智电子科技电磁兼容实验室(昆山)

- 信华电子科技电磁兼容实验室(吴江)

这四个实验室都具备标准十米法半电波暗室，并取得CNAS或NVLAP的实验室认可证书。进行比对的试验都在标准十米法半电波暗室中进行，同时试验时很仔细的比对与监控相关的测试条件，以避免可能引入的人为误差。

为了降低搜寻发射方位引入的变异，测试时只在一米高度的垂直极化进行最大发射值测量。这个程序符合CISPR16-2-3表六中的建议值，在30～230 MHz频段的垂直极化只需要在一米高度做预测试。样品一测试时记录三个发射尖峰的发射电平，样品二则比对样品一的发射频率，记录附近较相邻的梳状信号谱的发射电平。结果列示于表1。样品一在不同实验室测得的电平分布绘制于图1。其中场地1到场地4为随机命名排列，与前述参与比对的实验室列表并无特定的顺序关系。

测试的结果，样品一垂直极化时在45 MHz附近测得的发射尖峰分布从18.3 dBμV/m到30.2 dBμV/m，差异最大为11.9 dB；在86 MHz频点测得12.8 dBμV/m到24.1 dBμV/m，差异为11.3 dB；在199 MHz差异为3.47 dB。在45 MHz与86 MHz这两个频段产生的测试差异都超过10 dB，显然远大于CISPR 16-4-2:2011所评定辐射骚扰测量的量测仪器与设施的不确定度。在同一个实验室重复测试样品一自身的稳定性，可以观察到约2 dB的差异，这个差异并不能解释在不同实验室间出现11.9 dB差异的现象。

表1 对垂直极化，两个样品在实验室间比对测试结果

图1 对垂直极化，样品一在四个实验室测试的骚扰电平的分布

再比较使用代表比对用信号源的样品二，在40 MHz时实验室间的测试值分布从35.3 dBμV/m到39.7 dB μV/m，最大差异为4.4 dB；在80 MHz时测试值从37.6 dBμV/m到44.5 dBμV/m，最大差异为6.9 dB；在200 MHz时最大差异为2.5 dB。这个结果显示，使用实验室用的标准信号源相对结果较一致。两个样品间最大的不同是样品一带有AC电源线，工作时由测试场地电源插座供电，而样品二不带电源线，由电池供电工作。由于在30～230 MHz区间，垂直极化的辐射发射主要是透过线缆发出的共模辐射，而样品一使用的线缆连接到实验室插座中，所以插座端口的共模阻抗就成为一个重要的变异被引入到测试系统中。

2 实验室插座端口共模阻抗的分析

为了了解各实验室间插座端口共模阻抗的实际状况，我们使用ROHDE & SCHWARZ 的ZVL矢量网络分析仪测量四个实验室的插座端口共模阻抗。测试的结果发现，每一个插座端口的共模阻抗特性都不同，同一个实验室即使相邻的两个插座也可能出现差异很大的共模阻抗。图2显示样品一在实际测试时使用的四个插座端口的共模阻抗。图中可看出各实验室插座端口的共模阻抗有极大的差异。平均而言，在我们关切的30～230 MHz频段中，场地1和场地2的阻抗较低，在某些频点甚至不到10 Ω的共模阻抗。场地3与场地4的阻抗则较高，在某些频点甚至出现400 Ω和800 Ω以上的阻抗。这样的共模阻抗差异直接造成测试时辐射骚扰电平的差异。

详细的比对辐射场强测量值与场地的共模阻抗测量值，可以发现两者有极强的关联。在45 MHz的测试点，场地3的共模阻抗约略为250 Ω，场地1,2,4的阻抗则都在50 Ω附近。场地3在相对高阻抗下，测得的骚扰电平低到18 dBμV/m；场地1,2,4为相对低阻抗，测得的骚扰电平则较高，在28～30 dBμV/m。再比较86 MHz的测试点，场地3，4为相对高阻抗，约为150～200 Ω，测得的骚扰电平在12～13 dBμV/m；场地1,2为相对低阻抗，在50 Ω以下，测得的骚扰电平在18～24 dBμV/m，相对较高。在200 MHz附近，共模阻抗的分布相对较接近，测得的骚扰电平也相对较接近。

从上述比较可得到，高共模阻抗的电源测得的辐射骚扰电平低，而低共模阻抗的电源测得的辐射骚扰电平高。在样品一中观察到超过10 dB的测试差异，基本上与电源共模阻抗变化的趋势相一致，所以从理论与实际测试上都显示，在实际样品测试中，电源插座端口的共模阻抗是影响线缆共模辐射的重要因素。这一项不确定源在CISPR的测试标准中并未明确加以控制，然而每个认证实验室由于使用的插座引入的实际的电源共模阻抗变化又非常复杂，导致每个实验室依据CISPR标准进行符合性测试的结果可能出现极大的差异。

3 共模阻抗稳定网络

为了定量研究共模阻抗对辐射骚扰测试值的影响，我们在AC电源插座上加装了共模阻抗调整装置，在此称之为共模阻抗稳定网络。该网络的构造如图3所示。此共模阻抗稳定网络一端连接实验室的电源作为电源的输入，另一端连接受试设备，作为受试设备的供电端口。两个端口间用一个宽频的共模扼流圈连接，用于隔离原电源系统的射频共模阻抗，并用RC网络提供射频旁路路径，提供指定的射频共模阻抗。

图2 在四个实验室插座端口上量得的共模阻抗，横座标为频率(MHz)，纵座标为共模阻抗(Ω)

图3 共模阻抗稳定网络原理图

为了确保共模扼流圈有足够的高频隔离效果，绕制时需要同时测试阻抗并调整绕制方式，实际制作时共使用了三个不同的铁心材料来实现阻抗的隔离。共模扼流圈和金属接地面的距离也会影响高频阻抗的可调范围，距离太近会引入额外的分布电容破坏共模阻抗稳定网络的高频特性。由于我们使用的是外接式的设计，距离太远会在辐射测试场地造成较高的隆起，引入更多的绕射效应。经过折中后实做时扼流圈下缘距离接地平板5 cm。

在共模扼流圈的右侧L、N分别通过一颗10 nF电容和一颗电阻R与参考地相接。电容用以提供线缆上射频共模与差模骚扰信号的旁路路径，选用10 nF以确保在我们使用的频段上引入的插入阻抗＜1 Ω。电阻的选用依据需要的共模阻抗值决定。我们选用100 Ω的电阻用于提供50 Ω的共模阻抗。

将共模阻抗稳定网络插入电源插座中，使用网络分析仪实测插座端口的共模阻抗，结果如图4。使用共模阻抗稳定网络后，在30～400 MHz范围内，能够隔离插座原有的共模阻抗并提供受试设备50±10 Ω的稳定的共模阻抗。透过共模阻抗稳定网络的使用，可以使实验室测试时提供一致的共模阻抗，并降低共模阻抗差异引起的测量不确定度。

4 使用共模阻抗稳定网络的测试结果

使用前述的共模阻抗稳定网络，重新将样品一在四个标准测试场地进行辐射骚扰测试。重新测试的结果如图5与表2所示。原本在45 MHz看到的11.9 dB的差异，在使用共模阻抗稳定网络后，测试差异缩小为2.65 dB，比样品二所看到的测试差异还略小，代表原先场地中存在的共模阻抗差异引入的测试误差已经被消除。原本在85 MHz看到11.3 dB的差异，在加装共模阻抗稳定网络后差异缩小为6.03 dB，和样品二所看到的差异相一致，同样代表插座端口共模阻抗已不再影响测试结果。在200 MHz附近的频点则因为原先差异就不明显，所以施加前后并无明显的变化。

从测试结果显示，使用阻抗稳定网络后，可以消除原本实验室因共模阻抗差异引入的测量误差，并使实验室进行符合性判定时结果更趋一致。

表2 在加装共模阻抗稳定网络后，样品一垂直极化在四个实验室测试比对结果

图5 加装共模阻抗稳定网络后，样品一的垂直极化骚扰电平在四个实验室测试结果的分布

5 结论

本文比对了实际样品在不同的实验室，使用标准十米法半电波暗室进行辐射骚扰测试，结果发现同一个样品的测试差异最高在45 MHz达到11.9 dB。经过研究比较后，测试值的高低与实验室电源插座端口的共模阻抗的大小相关联。我们设计了一个共模阻抗稳定网络，提供电源端口50 Ω的共模阻抗后，在前述45 MHz频点差异降到2.65 dB，明显的降低了不同实验室对辐射骚扰测试的差异。

根据此次研究，在不确定的电源共模阻抗下测试，所得到的辐射骚扰电平用于符合性判定具有相当大的争议。可能在不同实验室得到截然不同的判定结果。我们建议在测试标准中指定一个固定的插座端口共模阻抗值，才能使不同实验室间的测试结果具有可比较性。