用共模阻抗穩定網絡減低輻射騷擾測試的變異

王繹維

（廣家院威凱（上海）檢測技術有限公司 上海 201802）

引言

電子產品的輻射騷擾電平需要依據對應的產品標準進行符合性測試，測試的方法主要參照CISPR 16-2-3:2016[1]。雖然每個檢測實驗室都援引相同的標準進行測試，并且宣稱測量儀器與設施的不確定度符合CISPR 16-4-2:2011[2]提出的UCISPR的要求，但是不同實驗室的測試差異經常出現遠超過不確定度的現象。過去對實驗室間比對的研究發現[3,4]，用實際產品或是模擬的實際產品進行實驗室間比對測試時，測試差異都遠高于UCISPR的評定結果。

對這樣的差異，CISPR/TR 16-4-1:2009[5]說明了可能存在的各種類型因素引入的差異。這些變異有的來自于抽樣過程，有些是產品本身的變異，有些來自于布置的差異。但是實務上的經驗表明，即使很小心的選擇產品、設定工作條件、排除抽樣因素、控制布置條件，仍有可能在30～230 MHz的頻段，在不同的實驗室出現超過10 dB以上的測試差異。對實驗室的各項要素進行檢查，也都符合相關標準的要求，表示仍有其他重要的不確定源并未在標準中加以識別與控制。

參照CISPR的技術報告CISPR/TR 16-4-1:2009表5所列的各種不確定源與影響量，我們通過實測與比對確認共模阻抗的影響顯著，且在不同實驗室間測得的共模阻抗差異很大，可能造成AC電纜中騷擾電流的不同。依據線纜輻射的發射機制，輻射場強與線纜中的共模電流成正比[6]。前人透過插入CDN、注入鉗等改變共模阻抗觀察到輻射電平的變化[7]，也表明了共模阻抗對輻射測試的影響。

文中比對了一個實際樣品在不同實驗室間的測試差異。并設計一個共模阻抗穩定網絡，在給定穩定的共模阻抗值下，觀察發射電平隨阻抗值的變化關系。施加此共模阻抗穩定網絡在不同實驗室間測試該樣品，并比較使用與未使用共模阻抗穩定網絡的測試結果。

1 實驗室間樣品比對測試

實驗時選用一個用于筆記本計算機的典型的電源適配器，以下稱為樣品一；以及美國Compower公司的CG-515梳狀信號發射器，以下稱為樣品二，進行實驗室間比對。樣品一是一般典型做符合性測試的多媒體設備待測物，用于觀察實際樣品測試時會出現的測試差異。樣品二則是一般做為實驗室的穩定信號源，通常用于監測實驗室的變動或比對實驗室間場地設施的量值差異。

試驗依據CISPR 32:2015+AMD1:2019[8]對多媒體設備的測試布置與測試方法，同時在四個不同的測試場地進行測試與比較。對此樣品在4個實驗室分別進行了測試：

- 中達電子電磁兼容實驗室

- 快特電波電磁兼容實驗室(蘇州)

- 程智電子科技電磁兼容實驗室(昆山)

- 信華電子科技電磁兼容實驗室(吳江)

這四個實驗室都具備標準十米法半電波暗室，并取得CNAS或NVLAP的實驗室認可證書。進行比對的試驗都在標準十米法半電波暗室中進行，同時試驗時很仔細的比對與監控相關的測試條件，以避免可能引入的人為誤差。

為了降低搜尋發射方位引入的變異，測試時只在一米高度的垂直極化進行最大發射值測量。這個程序符合CISPR16-2-3表六中的建議值，在30～230 MHz頻段的垂直極化只需要在一米高度做預測試。樣品一測試時記錄三個發射尖峰的發射電平，樣品二則比對樣品一的發射頻率，記錄附近較相鄰的梳狀信號譜的發射電平。結果列示于表1。樣品一在不同實驗室測得的電平分布繪制于圖1。其中場地1到場地4為隨機命名排列，與前述參與比對的實驗室列表并無特定的順序關系。

測試的結果，樣品一垂直極化時在45 MHz附近測得的發射尖峰分布從18.3 dBμV/m到30.2 dBμV/m，差異最大為11.9 dB；在86 MHz頻點測得12.8 dBμV/m到24.1 dBμV/m，差異為11.3 dB；在199 MHz差異為3.47 dB。在45 MHz與86 MHz這兩個頻段產生的測試差異都超過10 dB，顯然遠大于CISPR 16-4-2:2011所評定輻射騷擾測量的量測儀器與設施的不確定度。在同一個實驗室重復測試樣品一自身的穩定性，可以觀察到約2 dB的差異，這個差異并不能解釋在不同實驗室間出現11.9 dB差異的現象。

表1 對垂直極化，兩個樣品在實驗室間比對測試結果

圖1 對垂直極化，樣品一在四個實驗室測試的騷擾電平的分布

再比較使用代表比對用信號源的樣品二，在40 MHz時實驗室間的測試值分布從35.3 dBμV/m到39.7 dB μV/m，最大差異為4.4 dB；在80 MHz時測試值從37.6 dBμV/m到44.5 dBμV/m，最大差異為6.9 dB；在200 MHz時最大差異為2.5 dB。這個結果顯示，使用實驗室用的標準信號源相對結果較一致。兩個樣品間最大的不同是樣品一帶有AC電源線，工作時由測試場地電源插座供電，而樣品二不帶電源線，由電池供電工作。由于在30～230 MHz區間，垂直極化的輻射發射主要是透過線纜發出的共模輻射，而樣品一使用的線纜連接到實驗室插座中，所以插座端口的共模阻抗就成為一個重要的變異被引入到測試系統中。

2 實驗室插座端口共模阻抗的分析

為了了解各實驗室間插座端口共模阻抗的實際狀況，我們使用ROHDE & SCHWARZ 的ZVL矢量網絡分析儀測量四個實驗室的插座端口共模阻抗。測試的結果發現，每一個插座端口的共模阻抗特性都不同，同一個實驗室即使相鄰的兩個插座也可能出現差異很大的共模阻抗。圖2顯示樣品一在實際測試時使用的四個插座端口的共模阻抗。圖中可看出各實驗室插座端口的共模阻抗有極大的差異。平均而言，在我們關切的30～230 MHz頻段中，場地1和場地2的阻抗較低，在某些頻點甚至不到10 Ω的共模阻抗。場地3與場地4的阻抗則較高，在某些頻點甚至出現400 Ω和800 Ω以上的阻抗。這樣的共模阻抗差異直接造成測試時輻射騷擾電平的差異。

詳細的比對輻射場強測量值與場地的共模阻抗測量值，可以發現兩者有極強的關聯。在45 MHz的測試點，場地3的共模阻抗約略為250 Ω，場地1,2,4的阻抗則都在50 Ω附近。場地3在相對高阻抗下，測得的騷擾電平低到18 dBμV/m；場地1,2,4為相對低阻抗，測得的騷擾電平則較高，在28～30 dBμV/m。再比較86 MHz的測試點，場地3，4為相對高阻抗，約為150～200 Ω，測得的騷擾電平在12～13 dBμV/m；場地1,2為相對低阻抗，在50 Ω以下，測得的騷擾電平在18～24 dBμV/m，相對較高。在200 MHz附近，共模阻抗的分布相對較接近，測得的騷擾電平也相對較接近。

從上述比較可得到，高共模阻抗的電源測得的輻射騷擾電平低，而低共模阻抗的電源測得的輻射騷擾電平高。在樣品一中觀察到超過10 dB的測試差異，基本上與電源共模阻抗變化的趨勢相一致，所以從理論與實際測試上都顯示，在實際樣品測試中，電源插座端口的共模阻抗是影響線纜共模輻射的重要因素。這一項不確定源在CISPR的測試標準中并未明確加以控制，然而每個認證實驗室由于使用的插座引入的實際的電源共模阻抗變化又非常復雜，導致每個實驗室依據CISPR標準進行符合性測試的結果可能出現極大的差異。

3 共模阻抗穩定網絡

為了定量研究共模阻抗對輻射騷擾測試值的影響，我們在AC電源插座上加裝了共模阻抗調整裝置，在此稱之為共模阻抗穩定網絡。該網絡的構造如圖3所示。此共模阻抗穩定網絡一端連接實驗室的電源作為電源的輸入，另一端連接受試設備，作為受試設備的供電端口。兩個端口間用一個寬頻的共模扼流圈連接，用于隔離原電源系統的射頻共模阻抗，并用RC網絡提供射頻旁路路徑，提供指定的射頻共模阻抗。

圖2 在四個實驗室插座端口上量得的共模阻抗，橫座標為頻率(MHz)，縱座標為共模阻抗(Ω)

圖3 共模阻抗穩定網絡原理圖

為了確保共模扼流圈有足夠的高頻隔離效果，繞制時需要同時測試阻抗并調整繞制方式，實際制作時共使用了三個不同的鐵心材料來實現阻抗的隔離。共模扼流圈和金屬接地面的距離也會影響高頻阻抗的可調范圍，距離太近會引入額外的分布電容破壞共模阻抗穩定網絡的高頻特性。由于我們使用的是外接式的設計，距離太遠會在輻射測試場地造成較高的隆起，引入更多的繞射效應。經過折中后實做時扼流圈下緣距離接地平板5 cm。

在共模扼流圈的右側L、N分別通過一顆10 nF電容和一顆電阻R與參考地相接。電容用以提供線纜上射頻共模與差模騷擾信號的旁路路徑，選用10 nF以確保在我們使用的頻段上引入的插入阻抗＜1 Ω。電阻的選用依據需要的共模阻抗值決定。我們選用100 Ω的電阻用于提供50 Ω的共模阻抗。

將共模阻抗穩定網絡插入電源插座中，使用網絡分析儀實測插座端口的共模阻抗，結果如圖4。使用共模阻抗穩定網絡后，在30～400 MHz范圍內，能夠隔離插座原有的共模阻抗并提供受試設備50±10 Ω的穩定的共模阻抗。透過共模阻抗穩定網絡的使用，可以使實驗室測試時提供一致的共模阻抗，并降低共模阻抗差異引起的測量不確定度。

4 使用共模阻抗穩定網絡的測試結果

使用前述的共模阻抗穩定網絡，重新將樣品一在四個標準測試場地進行輻射騷擾測試。重新測試的結果如圖5與表2所示。原本在45 MHz看到的11.9 dB的差異，在使用共模阻抗穩定網絡后，測試差異縮小為2.65 dB，比樣品二所看到的測試差異還略小，代表原先場地中存在的共模阻抗差異引入的測試誤差已經被消除。原本在85 MHz看到11.3 dB的差異，在加裝共模阻抗穩定網絡后差異縮小為6.03 dB，和樣品二所看到的差異相一致，同樣代表插座端口共模阻抗已不再影響測試結果。在200 MHz附近的頻點則因為原先差異就不明顯，所以施加前后并無明顯的變化。

從測試結果顯示，使用阻抗穩定網絡后，可以消除原本實驗室因共模阻抗差異引入的測量誤差，并使實驗室進行符合性判定時結果更趨一致。

表2 在加裝共模阻抗穩定網絡后，樣品一垂直極化在四個實驗室測試比對結果

圖5 加裝共模阻抗穩定網絡后，樣品一的垂直極化騷擾電平在四個實驗室測試結果的分布

5 結論

本文比對了實際樣品在不同的實驗室，使用標準十米法半電波暗室進行輻射騷擾測試，結果發現同一個樣品的測試差異最高在45 MHz達到11.9 dB。經過研究比較后，測試值的高低與實驗室電源插座端口的共模阻抗的大小相關聯。我們設計了一個共模阻抗穩定網絡，提供電源端口50 Ω的共模阻抗后，在前述45 MHz頻點差異降到2.65 dB，明顯的降低了不同實驗室對輻射騷擾測試的差異。

根據此次研究，在不確定的電源共模阻抗下測試，所得到的輻射騷擾電平用于符合性判定具有相當大的爭議。可能在不同實驗室得到截然不同的判定結果。我們建議在測試標準中指定一個固定的插座端口共模阻抗值，才能使不同實驗室間的測試結果具有可比較性。