如何提高電場探頭測量精度

【前文回顧】：

虹科方案|如何使用虹科RadiSense電場探頭提高場強(qiáng)測量的準(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 抗擾度測試期間電場探頭測量精度仍然是一個(gè)重要的討論主題。畢竟，探頭是完整測試的基礎(chǔ)，也是唯一且絕對的參考儀器，這一點(diǎn)就足夠讓 Raditeq的工程師開始研究這個(gè)主題。研究測試的初步結(jié)果是令人驚訝的。

圍繞測量精度的討論

許多年來，關(guān)于電場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較大，且由電池供電。1999 年第一款激光驅(qū)動探頭 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測量結(jié)果有巨大的影響，而且探頭越小，測量結(jié)果就越精確，此外也發(fā)現(xiàn)了球形探頭的測量更準(zhǔn)確。另一個(gè)重要因素是探頭相對于生成場的位置。柏林聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的測量結(jié)果表明，取決于探頭在生成場中的不同位置，測量元件（天線）與電子設(shè)備分離的棒狀探頭甚至可能會導(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 測量使用探頭的方式不同。法國認(rèn)證委員會 (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)場景內(nèi)使用相同的設(shè)置，不同型號的探頭之間也會存在明顯的測量差異。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

作為對測量準(zhǔn)確性討論的回應(yīng)，Raditeq 啟動了一個(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)場景可以精確有效地測量電場探頭的特性。同時(shí)使用特殊的 3D 打印部件，構(gòu)建一個(gè)全自動系統(tǒng)來準(zhǔn)確測量現(xiàn)場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)場探頭。

在開始研究之前，對相關(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)

電場探頭能夠顯示正確場級的水平，與探頭相對于生成場的方向無關(guān)。

旋轉(zhuǎn)對稱性

電場探頭能夠顯示正確場級的水平，與探頭相對生成場圍繞正交軸的旋轉(zhuǎn)無關(guān)。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對稱校準(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。

場均勻性

是衡量消聲室質(zhì)量的指標(biāo)。在高質(zhì)量的腔室中，場強(qiáng)在大面積上是均勻的。場均勻性是通過進(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)場探頭有關(guān)，第三個(gè)定義則用于消聲室。

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

結(jié)果

測量得出了顯著的結(jié)果。下圖表明了不同類型的電場探頭在完全相同的消聲室中使用相同的測量系統(tǒng)（場強(qiáng)為 50 V/m）的結(jié)果。由圖可知，在高于 3 GHz 的頻率上會出現(xiàn)巨大的差異。比如說在 4 GHz 時(shí)，測量差異最高達(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)，真正生成的場是什么？

錯誤原因

在理想情況下，電場探頭僅測量天線朝向探頭直接路徑的場強(qiáng)，然而在消聲室中總是存在影響測試的反射。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一樣強(qiáng)。對于 16 個(gè)點(diǎn)中剩余的 25%，場強(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更強(qiáng)。

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

一個(gè)錯誤的認(rèn)知是，如果探頭放置時(shí)其軸之一垂直于（極化）生成的場，則不會出現(xiàn)測量誤差。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。

總不確定度的測量

以下公式顯示了如何計(jì)算現(xiàn)場水平測量的總不確定度：

大多數(shù)這些對測量誤差的貢獻(xiàn)是眾所周知的并且相對較小。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)室的溫度相對恒定，所以對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值的參數(shù)對測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，人們可能會認(rèn)為場強(qiáng)測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?？箶_度測試期間探頭的不良或非各向同性也可能導(dǎo)致對EUT的錯誤評估。

結(jié)論

我們的研究表明，由于電場探頭的非各向同性表現(xiàn)尚未得到充分認(rèn)識或理解，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消聲室和模式攪拌室中 EMC 抗擾度測試的準(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”場景或混響室中進(jìn)行。這些場景生成的場很可能低于特定測試所需的場，因?yàn)樵谶@些類型的場景中，反射在測量技術(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。然而由于非各向同性的探頭，這無法正確測量。需要進(jìn)一步的研究來精確地測量這些偏差和誤差。通過這些研究，這個(gè)假設(shè)最終會被證明或被推翻。

虹科測試測量團(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。在測試測量行業(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平臺的多種功能模塊，以及自動化測試軟件平臺和測試系統(tǒng)，通用臺式信號源設(shè)備，高速數(shù)字化儀，EMC和射頻測試方案等。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、汽車測試等行業(yè)協(xié)會的工作，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