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IEC61000-4-3测试系统的谐波场强分量测量方法

2019-07-19 11:30
嘉兆科技
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通常我们都着急完成辐射抗扰度测试的校准,但往往忽略了测试系统谐波的测量。虽然功率放大器有标注谐波指标,但天线、定向耦合器、功率计和各向同性场探头的宽带特性在大多数应用中都是可变因素,当在辐射抗扰度测试系统中与谐波失真严重的功率放大器一起使用时,这些器件的宽带特性可能导致测量不确定性和不可接受的误差。

一个典型的例子是无处不在的宽带各向同性场探头,它提供了一个电场读值代表其工作频带内所有频率的总能量。考虑到理想情况下的纯正弦信号,电场探头提供了一个非常准确的读数,但如果存在额外的频率成分,就会引入误差,并取决于额外信号的数量和强度,这样就会产生一种现象,即电场读数不能完全代表所测频率下的电场值,最麻烦的是不必要的频率是由射频测试系统非线性产生的谐波,功率放大器特别是那些驱动到饱和状态下的功率放大器,通常是谐波的主要来源。因此,IEC 61000-4-3制定了系统谐波要求,旨在限制测试现场允许的谐波水平。

虽然功率放大器的生产商都会标注谐波指标,但测试工程师依然必须要通过测试来确认整个测试系统的谐波数据。本文特别讨论了如何测量IEC 61000-4-3规定的系统谐波水平,且该程序也可以很容易地应用在其他RF抗扰度标准。

谐波

谐波是由系统非线性产生的不需要的频率。它们是基本测试频率的倍数,通常倍数越大,谐波的振幅越小。所有的实际测试系统都有一定数量的非线性设备,因此会表现出一定程度的谐波失真。测试工程师必须根据他的测试任务和标准要求来确定可接受的谐波水平。在电磁兼容测试中,功率放大器产生了大部分不必要的谐波。

如何理解功率放大器中的谐波

所有的功率放大器都有一定程度的谐波失真,虽然工业射频加热和等离子体发电等应用不受谐波的影响,但在电磁兼容性领域,高电平的信号失真会带来不可接受的错误。因此,谐波失真是一个关键的功率放大器规格。实践证明,设计合理的A类放大器在线性范围内工作时具有可接受的谐波水平,是电磁兼容测试应用的理想选择。即便如此再好的A类射频功率放大器设计,也不能保证一个无失真的测试场,而且必须注意即使要牺牲一定的输出功率,也要保证功率放大器在线性范围内工作,因为信号失真造成的峰值谐波水平将会升高很多。在另外一篇文章中,会详细地讨论与信号失真有关的各种级别的功率压缩。从那篇文章可以看出,在低于1dB的线性区域工作将极大地降低谐波。另一个不太理想的选择是在放大器的输出端使用谐波滤波。由于这种方法增加了系统的成本、插入损失和复杂性,因此只有在没有其他选择时才应该考虑这种方法。例如,一些行波管放大器最好使用谐波滤波器。

想要预测所有RF抗扰度系统内所有设备对电子场纯度的累积影响是很困难的,虽然在选择功率放大器时我们都会看功率放大器的谐波指标有多高,但在验证系统谐波有多高时,没有什么可以替代实际的系统测量数据。

多重信号如何影响功率测量?

大多数电场探头和功率探头使用具有宽带特性的二极管传感器。这些设备没有频率选择性,只能测量其工作范围内的所有信号,结果读数是基波和所有谐波的平方和的平方根。显然,谐波会给现场测量增加不确定性和误差。谐波是不可避免的,完全消除谐波也不现实。IEC 61000-4-3在这方面给出了规定:对于放大器输出产生的谐波,至少要低于基波频率6dB。也就是说,目前在测试领域有一个-6dBc谐波的要求,意思就是谐波的振幅比基波振幅小6dB。旧版本的IEC 61000-4-3标准只规定功率放大器的输出谐波电平,新版本则要求考虑整个测试系统-6dBc。新版本标准考虑到发射天线在三次谐波下比在基频下工作效率更高这一情况(5dB的增益差异并不罕见)。IEC 61000-4-3附录D中有提到,将测试场中的所有谐波限制在-6dBc,那么场强误差将不超过10%的。图1以图形方式绘制了这种关系,对于- 6dBc谐波电平,电场探头读数为10V/m实际上约为9V/m基波电平。如果测试要求更高的准确度,则必须进一步降低谐波。例如,要求5%的电场误差则需要至少不高于-10 dBc谐波。

IEC61000-4-3测试系统的谐波场强分量测量方法

测量方法

有两种普遍接受的方法用于确定一个测试场的谐波占比。在这两种情况下,都需要一个频率选择设备来测量基频和谐波的电平,最常用的仪器是频谱分析仪。频谱分析仪所需的频率范围由EMC标准规定的频率范围决定。例如,由于IEC 61000-4-3覆盖80MHz到6GHz,所以频谱分析仪的最小带宽应为80MHz到18GHz,这样才能测量到至少3次谐波。当谐波含量超过3次谐波时,频率分析仪的频率范围需要更高。

接收天线法

由于此方法是实际测试的一种替代法,谐波是直接测量的,不需要计算,因此它是提供最准确数据的首选方法

需要的设备

1)80MHz-18GHz频谱分析仪

2)接收天线

3)同轴线

4)选件:控制软件

IEC61000-4-3测试系统的谐波场强分量测量方法

设备选择

如上所述,所使用的频谱分析仪主要由EMC测试标准的测试频率范围决定。IEC 61000-4-3覆盖80MHz到6GHz。为了测量出第三次谐波,频谱分析仪必须覆盖80MHz到18GHz。接收天线的理想解决方案是覆盖80MHz到18GHz的整个频率范围。由于通常这是不可能的,最好的方法是打破整个波段,以符合发射天线的波段中断。推荐的频率分配如下所示。这是一个理想的解决方案。

IEC61000-4-3测试系统的谐波场强分量测量方法

如果单个接收天线无法响应每个发射天线的3次谐波,可以选择一种不太理想的方法,如下所示。这种方法是通过将双锥对数周期天线与双脊喇叭天线相结合而实现的。可以看出,低频发射天线要求两个接收天线都充分覆盖所有的谐波。这是一个麻烦的方法,无论是手动实现或通过软件控制

IEC61000-4-3测试系统的谐波场强分量测量方法

步骤:

1.如图2一样进行连接布置

2.从最低频率点开始测试,调整功放输出,产生所需的测试电平。用于测量谐波的测试电平必须与用于EMC测试的实际电平相同。由于IEC 61000-4-3要求80%调幅,请将电平调整到18V/m CW或10V/m,调幅为80%。这样做是保证提供调制所需的额外功率被考虑在内,从而产生对谐波电平的影响

3.用接收天线测量基频电平和2、3次谐波,高电平谐波通常不是问题,不需要测量

4.通过应用接收天线的校准因子来校正读数,并补偿所有电缆损耗来调整读数

5.计算每个谐波的相对电平(dBc),其中dBc =谐波电平/基波电平

6.按照测试标准进入下一个测试频率,重复1 - 5次

A:如果谐波测量的频率足够高,需要使用更高频率的接收天线,时间关系,暂时不要更换接收天线,继续测试,测试完成后,切换到更高频率的接收天线,再次运行测试,来填补缺失的谐波测量

B:如果在较高的测试频率下测量放大器的谐波,并且放大器没有接近饱和,那么测试可以停止,且可以假设其余的谐波均在要求的水平内

7.设置下一个放大器波段,重复上述步骤

定向耦合器法

定向耦合器法也可用于测量系统级谐波。这种方法比接收天线方法更为复杂,并且考虑到以下固有的不确定性,是最不可取的选择,在这里不做详细介绍。

1)发射天线通常不校准。由于制造商的测试数据并不针对实际使用的发射天线,依赖供应商提供的天线增益典型数据会导致误差

2)存在谐波的发射天线的带外性能通常是未知的

3)谐波测试可能需要额外的定向耦合器比实际EMC测试期间使用造成小的变化和干扰校准的测试设置

4)可能需要校准定向耦合器的耦合端口

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