如何提高電場(chǎng)探頭測(cè)量精度

【前文回顧】：

虹科方案|如何使用虹科RadiSense電場(chǎng)探頭提高場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的準(zhǔn)確性

【虹科方案】各向同性的重要性——第一部分

各向同性的重要性

在 EMC 抗擾度測(cè)試期間電場(chǎng)探頭測(cè)量精度仍然是一個(gè)重要的討論主題。畢竟，探頭是完整測(cè)試的基礎(chǔ)，也是唯一且絕對(duì)的參考儀器，這一點(diǎn)就足夠讓 Raditeq的工程師開始研究這個(gè)主題。研究測(cè)試的初步結(jié)果是令人驚訝的。

圍繞測(cè)量精度的討論

許多年來，關(guān)于電場(chǎng)探頭值得注意的新聞并不多。過去，探頭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是工作頻率高達(dá)1G的立方探頭和工作頻率高達(dá)40G的棒狀探頭。兩種類型的探頭都相對(duì)較大，且由電池供電。1999 年第一款激光驅(qū)動(dòng)探頭 RadiSense 正式推出，問題也隨之出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)探頭的尺寸和形狀對(duì)測(cè)量結(jié)果有巨大的影響，而且探頭越小，測(cè)量結(jié)果就越精確，此外也發(fā)現(xiàn)了球形探頭的測(cè)量更準(zhǔn)確。另一個(gè)重要因素是探頭相對(duì)于生成場(chǎng)的位置。柏林聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的測(cè)量結(jié)果表明，取決于探頭在生成場(chǎng)中的不同位置，測(cè)量元件（天線）與電子設(shè)備分離的棒狀探頭甚至可能會(huì)導(dǎo)致高達(dá)100% 的偏差。結(jié)果許多校準(zhǔn)中心校準(zhǔn)棒式探頭時(shí)將電子設(shè)備置于校準(zhǔn)設(shè)置之外，這當(dāng)然與正規(guī)的 EMC 測(cè)量使用探頭的方式不同。法國(guó)認(rèn)證委員會(huì) (COFRAC) 則關(guān)注到元件（天線）的數(shù)量以及如何校準(zhǔn)傳感器，同時(shí)一些用戶也注意到，在同一個(gè)場(chǎng)景內(nèi)使用相同的設(shè)置，不同型號(hào)的探頭之間也會(huì)存在明顯的測(cè)量差異。包括 Raditeq在內(nèi)的一些供應(yīng)商已將探頭的設(shè)計(jì)更改為六個(gè)彼此對(duì)稱放置的天線元件。盡管與舊版探頭相比，這種變化帶來了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，但它也提醒了人們傳感器各向同性會(huì)產(chǎn)生的影響，及研究此問題的重要性。

定制研究設(shè)施

作為對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性討論的回應(yīng)，Raditeq 啟動(dòng)了一個(gè)關(guān)于傳感器各向同性的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)研究旨在更深入地了解導(dǎo)致這些測(cè)量誤差的原因。研究的第一步是建造一個(gè)定制的特殊消聲校準(zhǔn)室。這個(gè)場(chǎng)景可以精確有效地測(cè)量電場(chǎng)探頭的特性。同時(shí)使用特殊的 3D 打印部件，構(gòu)建一個(gè)全自動(dòng)系統(tǒng)來準(zhǔn)確測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)探頭的各向同性表現(xiàn)，該系統(tǒng)可以達(dá)到半度的精度來定位現(xiàn)場(chǎng)探頭。

在開始研究之前，對(duì)相關(guān)術(shù)語的定義很重要。本項(xiàng)目三個(gè)參數(shù)的定義如下：

參數(shù)的定義

各向同性響應(yīng)

電場(chǎng)探頭能夠顯示正確場(chǎng)級(jí)的水平，與探頭相對(duì)于生成場(chǎng)的方向無關(guān)。

旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性

電場(chǎng)探頭能夠顯示正確場(chǎng)級(jí)的水平，與探頭相對(duì)生成場(chǎng)圍繞正交軸的旋轉(zhuǎn)無關(guān)。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱校準(zhǔn)時(shí)，探頭被放置在 54.7 度角下并旋轉(zhuǎn) 360 度。這意味著每旋轉(zhuǎn)120 度，其中的一個(gè)軸垂直于生成場(chǎng)。

場(chǎng)均勻性

是衡量消聲室質(zhì)量的指標(biāo)。在高質(zhì)量的腔室中，場(chǎng)強(qiáng)在大面積上是均勻的。場(chǎng)均勻性是通過進(jìn)行符合EN61000-4-3 的 16 點(diǎn)校準(zhǔn)來確定的。前兩個(gè)定義都與現(xiàn)場(chǎng)探頭有關(guān)，第三個(gè)定義則用于消聲室。

在自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和 RadiMation 軟件的幫助下，校準(zhǔn)室中進(jìn)行了大量的精確測(cè)量。此外，研究項(xiàng)目里還包含了各方的測(cè)量結(jié)果。

結(jié)果

測(cè)量得出了顯著的結(jié)果。下圖表明了不同類型的電場(chǎng)探頭在完全相同的消聲室中使用相同的測(cè)量系統(tǒng)（場(chǎng)強(qiáng)為 50 V/m）的結(jié)果。由圖可知，在高于 3 GHz 的頻率上會(huì)出現(xiàn)巨大的差異。比如說在 4 GHz 時(shí)，測(cè)量差異最高達(dá)到72 V/m ，最低達(dá)到 25 V/m，相差 47 V/m (5.5 dB)。這是一個(gè)值得研究的問題，當(dāng)差異超過 12dB 時(shí)，真正生成的場(chǎng)是什么？

錯(cuò)誤原因

在理想情況下，電場(chǎng)探頭僅測(cè)量天線朝向探頭直接路徑的場(chǎng)強(qiáng)，然而在消聲室中總是存在影響測(cè)試的反射。這些反射通過墻壁到達(dá)探頭，并且也可能來自場(chǎng)景中的其他物體，例如 EUT。反射到達(dá)探頭時(shí)的幅度和角度取決于許多參數(shù)，例如；腔室的大小、天線的位置和生成信號(hào)的頻率。因此，反射的幅度和角度應(yīng)被視為未知數(shù)。EN61000-4-3規(guī)定了可接受的誤差標(biāo)準(zhǔn)，如果 16 個(gè)點(diǎn)中的 75%（例如 12 個(gè)點(diǎn)）在 1.5m x 1.5m 的正方形中落在 0 – +6 dB 的范圍內(nèi)，則場(chǎng)均勻性是合規(guī)的。6 dB 的誤差意味著反射可能與直接信號(hào)一樣強(qiáng)。對(duì)于 16 個(gè)點(diǎn)中剩余的 25%，場(chǎng)強(qiáng)以及因此產(chǎn)生的誤差可能更高。因此，這些反射甚至可能比直接信號(hào)更強(qiáng)。

其他測(cè)量表明，具有較大各向同性偏差的電場(chǎng)探頭會(huì)顯示超過 10 dB 的測(cè)量誤差。由于這些大的各向同性偏差，強(qiáng)反射信號(hào)將被記錄成大的測(cè)量誤差。因此，這個(gè)測(cè)量誤差是不可忽略的！

一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)知是，如果探頭放置時(shí)其軸之一垂直于（極化）生成的場(chǎng)，則不會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。這忽略了一個(gè)事實(shí)，反射是以完全隨機(jī)且未知的角度到達(dá)探頭的。

總不確定度的測(cè)量

以下公式顯示了如何計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)水平測(cè)量的總不確定度：

大多數(shù)這些對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)是眾所周知的并且相對(duì)較小。此外，可以通過軟件和硬件糾正這些系統(tǒng)誤差。例如，因?yàn)轭l率響應(yīng)經(jīng)常被校正且實(shí)驗(yàn)室的溫度相對(duì)恒定，所以對(duì)總不確定度影響最大的是探頭的非各向同性表現(xiàn)。通過計(jì)算總不確定度的公式即平方根的和，也表明了具有最大相對(duì)值的參數(shù)對(duì)測(cè)量的總不確定度影響最大。

各項(xiàng)同性主導(dǎo)參數(shù)

在 16 點(diǎn)校準(zhǔn)期間，人們可能會(huì)認(rèn)為場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量值偏差是由消聲室造成的（實(shí)際上是由于不良的各向同性），因此又要花費(fèi)不必要的高成本去改進(jìn)這些消聲室。抗擾度測(cè)試期間探頭的不良或非各向同性也可能導(dǎo)致對(duì)EUT的錯(cuò)誤評(píng)估。

結(jié)論

我們的研究表明，由于電場(chǎng)探頭的非各向同性表現(xiàn)尚未得到充分認(rèn)識(shí)或理解，它引起的誤差比以前人們認(rèn)為的要大得多。這些誤差主要出現(xiàn)在 1 GHz 以上的頻率范圍內(nèi)。目前，探頭的各向同性誤差未在1 GHz 的關(guān)鍵點(diǎn)以上的范圍內(nèi)指定。它表明各向同性誤差對(duì)消聲室和模式攪拌室中 EMC 抗擾度測(cè)試的準(zhǔn)確性有相當(dāng)大的影響。因此，必須在整個(gè)頻率范圍內(nèi)指定電場(chǎng)探頭的各向同性表現(xiàn)。

進(jìn)一步的研究

該研究項(xiàng)目尚未在“mode-stir”場(chǎng)景或混響室中進(jìn)行。這些場(chǎng)景生成的場(chǎng)很可能低于特定測(cè)試所需的場(chǎng)，因?yàn)樵谶@些類型的場(chǎng)景中，反射在測(cè)量技術(shù)中起著關(guān)鍵作用，尤其是在“mode-stir”的情況下，它依賴于墻壁的反射，理應(yīng)形成均勻分布的場(chǎng)。然而由于非各向同性的探頭，這無法正確測(cè)量。需要進(jìn)一步的研究來精確地測(cè)量這些偏差和誤差。通過這些研究，這個(gè)假設(shè)最終會(huì)被證明或被推翻。

虹科測(cè)試測(cè)量團(tuán)隊(duì)

虹科是在各細(xì)分專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的資源整合及技術(shù)服務(wù)落地供應(yīng)商。在測(cè)試測(cè)量行業(yè)經(jīng)驗(yàn)超過17年的高科技公司，虹科與世界知名的測(cè)量行業(yè)巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供領(lǐng)域內(nèi)頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺(tái)的多種功能模塊，以及自動(dòng)化測(cè)試軟件平臺(tái)和測(cè)試系統(tǒng)，通用臺(tái)式信號(hào)源設(shè)備，高速數(shù)字化儀，EMC和射頻測(cè)試方案等。事業(yè)部目前已經(jīng)提供覆蓋半導(dǎo)體、3C、汽車行業(yè)的超過25個(gè)大型和超大型自研系統(tǒng)項(xiàng)目。我們的解決方案已在汽車電子、半導(dǎo)體、通信、航空航天、軍工等多個(gè)行業(yè)得到驗(yàn)證。此外，我們積極參與半導(dǎo)體、汽車測(cè)試等行業(yè)協(xié)會(huì)的工作，為推廣先進(jìn)技術(shù)的普及做出了重要貢獻(xiàn)。至今，虹科已經(jīng)先后為全國(guó)用戶提供了100+不同的解決方案和項(xiàng)目，并且獲得了行業(yè)內(nèi)用戶極好口碑。

審核編輯：湯梓紅