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简谈暗室9KHz-30MHz的NSA计量及产品低频测试

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简谈暗室9KHz-30MHz的NSA计量及产品低频测试

  • 分类:新闻资讯
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  • 来源:
  • 发布时间:2020-11-04 20:05

  依据最新的2020年9月18号的CIS/A/1323/CDV文件,即CISPR 16-1-4/AMD2 ED4,经过几年的研究及验证,9KHz-30MHz低频NSA的暗室计量标准已即将颁布。标准出台的目的是为了规范此频率范围内的测试场地的性能要求。

  目前涉及到的9KHz-30MHz频率范围内的测试主要是CISPR11中规定的相关类产品。虽然汽车行业依据GB/T 18387也需要进行对应的测试,但汽车的测试对于静区没有明确的要求。

  标准定义的静区如下:

  

 

  从目前标准讨论及实际测试结果来看,10m距离都存在无法满足±4dB的情况,标准本身也给出了明确的解决方法,即重新计算不确定度,参见附录L。

  依据附录L的要求,此时的不确定度计算结果如下:

  

 

  比如当出现如下计量结果时(标准原文The assumed site validation result is fictive but typical):

  

 

  此时计算后的不确定度如下:

  

 

  差值如下:

  

 

  CISPR11和GB/T 18387采用的测试距离都是3m,设计的最大理论静区为1.5m,所以无论是从标准本身还是产品来说,汽车的测试显然不适用于1.5m的静区概念。

  针对半电波暗室的设计来说,需要考虑的因素主要包括:

  1、 场地尺寸满足标准定义的规范要求

  

 

  从标准定义的规范来看,容易让人误解的是之前暗室的定义通常尺寸是吸波材料尖到尖的距离,而此文件明确的是距离是屏蔽墙,所以通常的暗室屏蔽体尺寸不小于9.0*6.0(L*W)即可满足标准定义的要求,高度通常的三米法暗室都能够满足,十米法暗室则完全不存在类似的顾虑。

  2、 场地材质要求

  电磁波存在一定的趋肤效应,为了避免磁场泄漏,标准中定义了最小的材质厚度要求,标准规定如下:

  

 

  通常情况下暗室都不可能采用铜/铝等作为材质,常规的半电波暗室屏蔽体都是采用镀锌钢板,地面则可能采用镀锌钢板/不锈钢板等各种材质。因此对于担心地面采用不锈钢板是否满足标准要求的质疑其实是误解了暗室的本质结构。通常电波暗室的设计屏蔽体可以视作一个完整连续的镀锌钢板封闭壳体,不锈钢板只是基于屏蔽壳体之内的一个地面,即使由于趋肤效应穿透了反射地面(地面厚度不可能大于2倍趋肤深度即9.0mm),高架地板之下的镀锌钢板也能够保证磁场不泄漏,并且目前标准也只要1倍即可。

  3、 谐振频率的影响

  对于任何一个矩形屏蔽壳体来说,谐振频率都是客观存在的,理论计算公式如下:

  

 

  此处:

  L=半电波暗室长度

  W=半电波暗室宽度

  H=半电波暗室高度

  其中l、m、n三者中任意两者不能同时为0即可。

  根据理论的计算,只有当长、宽、高任意一边都不大于7m时,才不存在30MHz以下的谐振频率,其最低谐振频率为30.30MHz。

  其实在之前30MHz以上NSA测试的时候,闻映红/张林昌老师就曾就暗室谐振频率对于场地归一化衰减测量结果的影响写过专题文章,下载链接如下:

  http://www.jinyueya.com/magazine/18954534.htm

  在文章中提到当改变发射天线及接收天线的位置且在谐振频率点附近,35MHz附近的NSA有可能高达7.5dB,远远高于标准要求的±4dB。

  常规的三米法半电波暗室尺寸约为9.0*6.0*6.0m,所以通常情况下其谐振频率都高于30MHz,随着暗室尺寸的加大比如十米法暗室,则必然存在30MHz以内的谐振频率,这是理论上无法避免的。

  在标准中对于30MHz以内的谐振有非常明确的说明,原文如下:

  For example, if the largest dimension of a rectangular shielded chamber is less than 7 m, then no resonance will occur below 30 MHz。

  Large chambers designed for a test distance of 10 m, will show resonance between 10 MHz and 30 MHz. If the return loss of the absorbing material including ferrites is too low, sharp resonances can be observed during site validation.

  大家通常都认为铁氧体对于低频NSA有一定的影响,甚至业内盛传如果半电波暗室不采用铁氧体工艺进行设计,低频NSA必然存在问题,很显然这是误解了电磁波的本质。

  在9KHz-30MHz的频率范围内,标准要求的发射天线和接收天线都是环形天线,其测量的本质是磁场而非电场,而目前设计的半电波暗室无论是否采用铁氧体主要看重的还是吸波材料对于电场的衰减,一个典型的铁氧体对于电场的衰减特性如下:

  

 

  为了覆盖更高的频率范围,通常情况下会采用铁氧体+吸波材料的复合尖劈,如果吸波材料的长度<1/4波长,则低频的性能主要取决于铁氧体,而这些性能主要针对电场特性所设计的,众所周知的是磁场是一个封闭的环,即不存在零磁场,而电场则可以衰减为0。在电波暗室中电场能量可以转换为热能而衰减,因此在做辐射抗扰度的时候需要考虑到吸波材料的阻燃特性。因为随着温度的升高,当达到燃烧点的时候暗室就存在着火的可能性,由于此情况导致的暗室自燃现象在国内外都有案例存在,其原理等同于一个巨大的微波炉。

  正是由于磁场是一个封闭的环,因此对于磁场的屏蔽主要是采用高磁导率的材料形成一个密封的壳体,将磁场“困”在其中防止泄漏。从之前的介质材料厚度也可以非常明显的看到,正是由于铜的磁导率远远高于不锈钢板,其厚度才远远小于不锈钢板,由于真正的电波暗室是分块施工且存在需要进入的通道门,因此无法达到理论上的“完全密封”,所以低频的屏蔽性能越好,意味着该暗室对于磁场的屏蔽效果越好。同理,暗室的尺寸越大,其低频的特性越好,当暗室尺寸无限接近于开阔场,其计量结果也必然无线趋近于开阔场结果。

  德国Frankonia针对标准做了大量研究,也进行了实际测试,结果如下:

  一个尺寸为25580*17180*9000mm的设计静区为6m且没有采用铁氧体仅使用2400mm吸波材料的十米法暗室,3m距离的计量结果为合格,计量结果如下:

  中轴测试

 

  X方向

 

  Y方向

 

  Z方向

 

  一个尺寸为21680*13730*8550mm的设计静区为3m且没有采用铁氧体仅使用2400mm吸波材料的十米法暗室,3m距离的计量结果为合格,计量结果如下:

  偏轴测试

 

  X方向

 

  Y方向

 

  Z方向

 

  一个尺寸为22800*15980*9000mm的设计静区为5m且没有采用铁氧体仅使用2400mm吸波材料的十米法暗室,3m距离的计量结果为合格,计量结果如下:

  中轴测试

 

  X方向

 

  Y方向

 

  Z方向

 

  一个尺寸为23030*16540*9000mm的设计静区为6m且没有采用铁氧体仅使用2400mm吸波材料的十米法暗室,3m距离的计量结果为合格,计量结果如下:

  偏轴测试

 

  X方向

 

  Y方向

 

  Z方向

 

  然而一个设计为尺寸为14480*10430*6450mm的设计静区为3m,采用铁氧体的非十米法暗室,3m距离的Z方向计量结果为不合格,计量结果如下:

  Z方向曲线

 

  Z方向超标数据

 

  所以无论是从材料本身来看还是谐振频率来看,是否采用铁氧体工艺,对于9KHz-30MHz的NSA计量不会存在本质的影响,其根本性的影响只取决于暗室的尺寸/转台区域的设计/测试区域的选择而非其他。

  当然,在进行计量的时候,天线的校准非常关键的因素。在之前的研究文件“ CISPR/A/AHG1_(Jun-Gyu Yang, S.W. Lee, N.Kim, J.H. Kim, H.S. Keum, T.H. Jang)”中已经非常清楚的表明天线对于计量结果的影响是客观存在的,后期对于环形天线的校准是计量机构需要重点注意的事项之一。

  目前常规的暗室主要是三米法半电波暗室和十米法半电波暗室,测试的距离也主要是三米和十米,基于9KHz-30MHz的测试目前采用的距离都是3米。

  对于十米法半电波暗室来说,30MHz以下的谐振频率是客观存在的,跟是否采用铁氧体无关。这意味着所有的十米法暗室理论上来讲都无法满足标准定义的±4dB要求的可能性,实际测试来看也是这个结论,那些即使使用了铁氧体的暗室,也存在30MHz以下NSA依然无法通过的案例。

  正是因为十米法暗室客观上存在30MHz以下的谐振频率,且3m距离时理论静区只有1.5m,所以从实际测试角度来看采用三米法暗室是更为合理的测试手段,针对实际的产品如何进行测试是一个比较让人头疼的事情,因为针对磁场的测试属于近场测试,电磁波的理论分布如下:

  

 

  即磁场是随着距离变化急剧衰减的,这从使用近场探头的时候就可以非常明显看到, 磁场的近场探头和环形天线从本质来看都测量的是磁场。

  所以,当产品体积很小比如直径小于1.5m的时候,3m的距离天线有可能一次性覆盖在天线的有效波瓣角度之内,而随着产品体积的增大,产品本身已经不在静区范围之内,是否有必要采用多个位置分步测试?

  综上所述,9KHz-30MHz范围内的NSA计量已经是一个趋势所在,而十米法暗室则从理论上都存在无法满足±4dB的要求,即:理论上只有三米法暗室才可以完全满足±4dB的要求且静区又能够大于1.5m,适合产品测试。十米法暗室无论是从计量结果还是投资回报率来看,用于9KHz-30MHz的测试都不是一个最佳的选择。

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