信號完整性在電磁兼容測試中的應用

史鎖蘭

（工業和信息化部電信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191）

信號完整性在電磁兼容測試中的應用

史鎖蘭

（工業和信息化部電信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191）

傳輸環境的阻抗不匹配可導致傳輸信號反射，降低信號的傳輸質量，引起信號完整性問題。為此，通過電磁兼容測試實例來分析信號完整性在電磁兼容測試中的重要性，提出新的測試方法。

信號完整性；電磁兼容；時域反射；時域門；阻抗匹配

1 信號完整性簡介

從廣義上講，信號完整性指的是在高速產品中由互連線引起的所有問題。它主要研究互連線與數字信號的電壓電流波形相互作用時其電氣特性參數如何影響產品的性能。我們聽到過的比如振鈴、反射、近端串擾、開關噪聲、衰減、容性負載等都屬于信號完整性的噪聲問題［1］。所有與信號完整性噪聲問題有關的效應都與以下特定噪聲源中的一個有關：

1）單一網絡的信號完整性：在信號路徑或返回路徑上由于阻抗突變而引起的反射與失真；

2）兩個或多個網絡間的串擾：和理想回路與非理想回路耦合的耦合電容、分布電容、互電感；

3）電源和地分配中的軌道塌陷：在電源／地網絡中的阻抗壓降；

4）來自整個系統的電磁干擾和輻射。

隨著數字系統工作頻率和數據速率越來越高，信號完整性變得愈發重要。怎么保證信號最大限度地通過傳輸路徑到達接收設備，使影響信號完整性的諸如阻抗匹配、負載、傳輸線效應甚至電源分配等因素減到最小，是信號完整性設計人員必須考慮的要素。

同樣，在電磁兼容測試中，特別是搭建測試系統時，也必須考慮信號完整性問題。例如，抗擾度測試時，怎么能保證外加干擾信號能夠最大限度地通過天線或者耦合設備施加到待測設備上，而不至于施加信號反射太大，影響信號發生設備的性能。

有文獻提到， “信號完整性”一詞適用于被測設備，而 “信號保真度”適用于測試設備，此解釋可能比較絕對。本文以下實例中，G赫茲橫電磁波傳輸室（GTEM，G Hertz Transverse Electromagnetic Wave Transmission Chamber）的時域反射 （TDR，Time Domain Reflection）測試目的是測試GTEM這一產品的 “信號完整性”；時域門方法測試歸一化場地衰減 （NSA，Normalized Site Attenuation）與測試系統中使用固定衰減器的目的是改善測試方法與測試系統的 “信號完整性”問題，以提高測試系統的 “信號保真度”。

2 信號完整性應用實例

2.1 GTEM的TDR測試

2.1.1 GTEM功能簡介

GTEM小室外形類似于一個倒放的金字塔，其頂端連接一個同軸接頭，同軸接頭的中心導體在小室的內部擴展為一直達底部的扇形金屬板，稱為芯板。芯板的終端采用分布式電阻匹配網絡，形成無反射終端。小室內的底部還貼有吸波材料，用來對高頻電磁波做進一步吸收。GTEM小室本質上是一段擴大的、終端接匹配負載的同軸傳輸線，其芯板和外殼可分別看作同軸線的內外導體。根據傳輸線理論，電磁場在同軸線內傳播時，其主模是TEM（橫電磁）波，因此小室芯板和地板之間傳播的波為球面波，由于小室的張角很小，該球面波近似為平面波。GTEM小室結構圖如圖1所示。

GTEM小室主要用做抗擾度試驗。由于其采用漸變結構，其上限工作頻率可達到幾GHz。GTEM小室也可用做輻射發射測試，測試時小室的芯板和底板代替暗室測試中的接收天線，接收EUT的輻射騷擾，小室的同軸接頭則作為騷擾信號的輸出端。在暗室測試時，通過改變接收天線的極化方向來確定EUT的最大輻射，而GTEM小室芯板和底板的位置在測試中不能改變，因此通過改變EUT的擺放位置來改變其輻射電磁的極化方向，從而確定EUT的最大輻射。一般要求EUT在測試過程中沿三個正交的取向 （x，y，z軸）擺放，GTEM小室內通常帶有一特殊的旋轉系統滿足這一要求。需要注意的是，GTEM小室的測試結果并不能直接等同于開闊場或半電波暗室的測試結果，還需要通過一定的數字模型進行修正［2］。

圖1 GTEM小室結構

圖2 水平極化場地衰減測試布置圖

2.1.2 TDR測試原理

TDR是指傳輸線輸入一個快上升沿的階躍脈沖信號，當傳輸線上出現阻抗不連續的現象時，在阻抗變化的地方階躍信號就會產生反射的現象，根據反射回波的時間和信號幅度，可以判斷阻抗不連續點距接收端的距離及相應點的阻抗變化大小。

當用人手或者其他金屬物質接觸GTEM內部傳導隔板的不同位置，TDR波形就會在相應位置出現大的變化，表現出阻抗不連續的現象。

用網絡分析儀測得的TDR值是歸一化阻值。例如，將50Ω電阻歸一化后為1Ω，轉化成dB值即為0，所以理想情況下，TDR值為0。若GTEM的TDR性能指標為－10 mdBΩ≤TDR≤10 mdBΩ，轉化為實際芯板阻值，即整個芯板的特性阻抗要求為49.94Ω≤Z≤50.06Ω。這說明，為了提高GTEM的測試準確度，保證信號傳輸時的完整性，應使其內部傳導隔板的特性阻抗無限接近于50Ω，達到阻抗匹配，那么測試TDR性能就是評估信號完整性的一種有效方法。

2.2 時域門方法測試歸一化場地衰減

2.2.1 歸一化場地衰減

NSA是衡量電波暗室能否作為合格的測試場地進行EMC測試的關鍵指標，CISPR16－1－4中詳細規定了NSA的測試方法，測試系統布置圖如圖2、圖3所示。

圖3 垂直極化場地衰減測試布置圖

在測試過程中，水平和垂直極化都應按照以下方法測試：①將連接收發天線的同軸電纜與天線分開，直接相連后，在接收電纜末端測得電壓值Vdirect；②將電纜分別與發射天線和接收天線相連以后，發射天線高度固定，接收天線在1～4 m測試高度上尋找最大接收信號，在接收電纜末端測得最大接收電壓值Vsite。歸一化場地衰減由式 （1）得出［3－4］：

式中：AFt與AFr分別是發射、接收天線的天線系數。

2.2.2 時域門測試方法

NSA測試的是發射天線發射的空間直射波和經過接地平面反射的發射波的矢量合成，但由于實驗場地接地平板的大小、接縫、平坦度，四周墻體和天花板的反射，天線桿與接收天線的耦合以及實驗場地的燈光、波導通風口等的影響，測量接收機接收到的并不僅僅是兩者的矢量合成信號。為了更準確地進行測試，有些測試場地對NSA要求比較嚴格，如要求與理論值的最大偏差在±1dB以內，那么在NSA場地驗證及實際測試中，需采用網絡分析儀的時域門的方法，盡量將來自墻體和天花板的反射波隔離在時域門的外面，這樣的測試結果更精確。但是，如果時域門設置太小的話，可能隔離掉經接地平面反射傳輸的信號，這樣的測試是不準確的。所以，時域門測試中，門的大小的選擇非常重要。

三米法測試NSA時，假設發射天線高度為1m，接收天線在1～4m高度上尋找最大接收信號，如圖4所示。

圖4 接收信號傳輸路徑

發射天線到接收天線的空間直射波傳播時間t1為

對于地面反射波，存在無數條反射路徑，取反射波傳輸距離的極限值為

則地面反射波的傳播時間t2滿足如下公式：

式中：s1是直射波傳輸距離；s2是反射波傳輸距離；v是電磁波在真空中的傳播波速。將網絡分析儀的時域門設置為25 ns及以上，即可將直射波和反射波包含在門內，而經墻面和天花板的發射波則被部分隔離在時域門外。

但是，如果設置時域門很大的話，來自所有面的反射信號都包含在時域門內，導致測試結果與不加時域門時非常相近，那么時域門的測試方法將失去意義。值得注意的是，如果采用時域門的測試方法進行NSA場地驗證，測試結果滿足特定測試項目對場地的要求，如±1dB容限，那么在進行該特殊測試時也必須使用時域門的方法，否則測試結果是不正確的。

2.3 固定衰減器的阻抗匹配作用

2.3.1 固定衰減器工作原理

固定衰減器是由電阻元件組成的四端網絡，一般以衰減的分貝數和特性阻抗的歐姆數來標明。它的特性阻抗、衰減都是與頻率無關的常數，相移等于零。

常見的固定衰減器有L型、T型和π型等幾種機構，其電路形式如圖5、圖6所示。

R1，R2，R3分別代表3個不同阻值的電阻。由于輸入阻抗 （Zin）、輸出阻抗 （Zout）以及衰減量 （A）為3個給定的數值，在圖中的兩個結構中分別有3個未知數，因此恰好有唯一解。

圖5 T型結構

圖6 π型結構

一般而言，衰減器的應用是寬頻的，也就是：衰減器的設計及制作并不考慮在特定頻帶使用，因此，這里的阻抗值都僅為電阻值而沒有電抗值。表1列出衰減器的輸入阻抗、輸出阻抗均為50Ω時，不同衰減量對應的組成電阻的大小。

表1 輸入、輸出阻抗均為50Ω時不同衰減量對應的組成電阻

2.3.2 固定衰減器的阻抗匹配作用

固定衰減器除了可以調整電路中的信號大小以外，合理應用固定衰減器還可以在阻抗敏感度比較高的設備 （如放大器、濾波器、天線）之間起到改善阻抗匹配的作用。若某些電路要求有一個比較穩定的負載阻抗時，則可在電路與實際負載阻抗之間插入一個固定衰減器，能夠緩沖阻抗的變化。

盡管大多數射頻器件標配為50Ω或75Ω的特性阻抗，但特性阻抗含有復雜的電抗分量，其在不同的相位條件下會發生大小的改變。理想情況下，當負載與源完好匹配時，源端輸出的信號全部傳輸到負載，沒有產生反射，反射系數為零。但是，在正常的工作條件下，總會有一部分信號會被反射回源端，當負載是開路或短路時，即傳輸信號全部反射回源端。

源與負載的匹配程度可由電壓駐波比 （Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）來表示：

式中：Zload為負載阻抗；Z0為源阻抗。

在電磁兼容測試中，甚至是衰減量很小 （如1dB）的固定衰減器，也可用來減小阻抗失配，提高信號完整性。選擇固定衰減器時，需考慮測試設備的靈敏度、最大允許輸入電平，待測設備的種類等。如果待測設備是一個預放，其額定輸出功率為＋27 dBm，但頻譜儀的最大允許輸入功率為＋25 dBm，則一個衰減量為5 dB或者更大的固定衰減器即可充分保護頻譜儀并起到減小阻抗失配不確定度的作用。當然，還需考慮固定衰減器的衰減平坦度，保證所有測試頻段固定衰減器的衰減量都能夠起到保護頻譜儀的作用。同時，在固定衰減器的選用問題上還應注意固定衰減器對頻譜儀動態范圍的影響。

采用固定衰減器起阻抗匹配作用的電磁兼容測試還包括：①NSA場地驗證測試時，為了使信號源輸出的信號通過發射天線最大發射，在發射天線饋線與天線輸入端之間接一個10 dB的固定衰減器，以使場地測試結果更為精確。同理，在接收天線饋線與天線輸出端也需接一個10 dB的固定衰減器。②傳導和輻射抗擾度測試時，在加擾信號注入口和加擾天線輸入口都需接一個固定衰減器，以使加擾信號最大輸出，抗擾度測試更加準確、嚴酷。

同時，在電磁兼容的不確定度評定中，各設備間的阻抗失配分量是一個不可忽略的影響因素，需單獨考慮并詳細計算［5］。

3 結論

綜上所述，信號完整性問題除在設計通信系統、視頻系統和網絡系統等高速系統過程中需要考慮外，在電磁兼容測試中同樣起著舉足輕重的作用。因此，搭建測試系統時，非常有必要從信號完整性的角度考慮待測信號的傳輸路徑及完整捕獲待測信號的方法，以提高測試結果的準確性。

［1］李玉山，李麗平.信號完整性分析 ［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［2］IEC 61000－4－20.Electromagnetic compatibility（EMC） －Part 4－20：Testing and measurement techniques－Emission and immunity testing in transverse electromagnetic（TEM）waveguides［S］.2010.

［3］王勝利，康有超，余世里，等.屏蔽暗室歸一化場地衰減測試 ［J］.空間電子技術，1996（3）：59－63.

［4］CISPR16－1－4.Specification for radio disturbance and immunitymeasuring apparatus and methods－Part 1－4：Radio disturbance and immunitymeasuring apparatus－Antennas and test sites for radiated disturbancemeasurements［S］.2012.

［5］CISPR16－4－2.Specification for radio disturbance and immunitymeasuring apparatus and methods－Part 4－2：Uncertainties，statistics and limitmodelling－Uncertainty in EMCmeasurements［S］.2011.

TB97

B

1674－5795（2014）05－0062－03

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.05.17

2014－06－16

史鎖蘭 （1987－），女，工程師，碩士，主要研究電磁兼容測量技術。