耦合衰减：近场和远场测量之间的关系

耦合衰减：近场和远场测量之间的关系为了评估电缆和电缆组件的电磁兼容性，现有一种新的试验标准颁布。利用称为耦合衰减的测试方法，我们对平衡电缆和不平衡电缆作了研究，并且把研究结果与在“半无回声”室内的抗辐射干扰试验的结果进行了比较。利用简单的天线理论说明这两种试验方法是一致的。故得出有关耦合衰减正确性的结论。引言长期以来，工业部门一直在寻求一种简单的试验方法，以评估对称电缆、连接器和电缆组件的电磁兼容性(EMC)。多年来，人们在有关标准中引入了许多参数，例如平衡、转移阻抗、屏蔽衰减等等。然而，这些参数仅部分地描述了辐射性能和灵敏度性能。“平衡”用来描述在对称线对上的差模电流与共模电流之间的转换。“转移阻抗”用来描述在屏蔽外侧共模电压与电流之间的关系。但是系统工程师仅对平衡和屏蔽的综合效果感兴趣，因为它决定了电缆上感生出的噪音大小以及比特误码率。由于电缆和连接器是无源器件，电缆产生的辐射和它对外界电磁场的灵敏性是相互作用的。因此，无源器件的电磁性能可以只用一个参数来表征，它就是电缆入射功率与辐射功率之间的关系。这个参数表示一个线对与其周围电磁环境之间的电磁隔离度。如今，欧洲电工标准化委员会(CENELEC)中有人推荐一种称之为“耦合衰减”的新测试方法。它测量入射功率与近端或远端辐射电流的最大功率之间的关系。辐射电流的功率用绕在被测装置上的电流互感器来测量。这使耦合衰减成为近场测试法，而它不会给出电磁兼容性的正确指标。因为装置附近的电场或磁场不一定会辐射到远场区，为此，我们进行了远场试验，以验证与耦合衰减的相关性。为了使这一相关性尽可能精确，实验应尽可能简化。首先，这个相关性的焦点在于电缆。采用了连接器或接线板之后，使测量增添了不确定性。其次，按照IEC61000-4-3，远场试验受到“半无回声”室内抗辐射干扰的局限。用这种方法可避免由于被测装置的转动或天线高度的变化引起的不确定性。耦合衰减试验方法在prEN50289-6标准草案中有大量说明。关于半无回声室内的布线结构在ISO/IEC JTC1 SC25WG3中亦有介绍。因此，这两种试验方法在本文中就不详细解释了。我们用这两种试验方法研究了平衡和屏蔽对同样的平衡电缆和不平衡电缆的影响。这样就可以用一些简单的天线理论来检验这两种试验方法之间的相互关系。耦 合 衰 减试验程序不对称电缆的电磁性能受其屏蔽的影响。对称电缆的电磁性能是平衡和屏蔽共同影响的结 果。每根电缆的耦合衰减可用下式表示：ac=10log10 P1/max(p2n;p2f)式中， P1为内电路的输入功率P2n为外电路近端峰值功率P2f为外电路远端峰值功率为了测定这一参数，要向电缆内输入功率P1。由于在电缆与其周环境之间存在电磁耦合现象，所以有表面波存在，并且沿屏蔽表面在两个方向上传播。我们用一只表面电流互感器来接收表面波的功率，同时用一只吸收装置来抑制不希望有的共模电流。根据测得的表面电流P2n或p2f，就可以计算出由电缆屏蔽(或电缆本身)与周围环境构成的第二系统中的最大峰值功率。被测电缆放置于一只非金属的台子上，通过一个阻抗匹配变换器与发生器相连。固定式吸收夹尽可能靠近近端测试用的反射极。远端测试时，吸收夹和吸收装置的位置互换。在从30MHz至1000MHz的线性频率扫描(间隔2.425MHz)时，测量吸收夹的输出功率。由于注入功率是已知的，耦合衰减可以在考虑到装置的衰减之后计算出来。在对称电缆的场合，每一个线对反复用该测试方法测量。试验结果 我们测试了3种不同类型电缆的耦合衰减：同轴电缆以观测屏蔽效果；UTP电缆以观测平衡性的影响；FTP电缆(双金属箔屏蔽)以观测平衡和屏蔽的综合影响。 由双金属箔提供的电磁屏蔽效果优于其它两种被测电缆。FTP电缆的耦合衰减比UTP电缆好32dB，比同轴电缆好34dB。对于对称电缆而言，每一线对测得的曲线都非常接近极限曲线，在100MHz之内时，该曲线为恒定值(直线)，但当频率超过100MHz之后，频率每升高10倍，耦合衰减值就下降20dB。这是由于屏蔽层提供的电磁屏蔽效果随着频率升高而降低；频率每升高10倍，屏蔽效果下降20dB。极限曲线值是用来表征在整个频率范围内的耦合衰减的一个参数。在刚起草的有关耦合衰减的标准草案中也推荐了这种方法。对于不对称电缆而言，当平衡性等于零时，电磁屏蔽效果保持恒定。相同的极限曲线用来表征在整个频率范围内的耦合衰减，尽管测得的曲线几乎是平的。与平衡电缆相比，不平衡电缆的电磁屏蔽效果随频率上升10倍而增加20dB。抗辐射干扰性按照抗辐射干扰标准ISO/IEC61000-4-3的规定，在半无回声室内安排了一个布缆结构，发射天线放置在距布缆结构3m远的地方，产生一个场强为3V/m的未调制场。由双锥形天线产生的辐射波的频率范围为30200MHz，由长周期天线及两只放大器产生的辐射波的频率范围为200500MHz及5001000MHz。布缆结构所有抗辐射干扰试验必须尽可能以接近安装实际的结构进行。然而，对于布缆结构来说，目前还没有任何标准化的布缆结构可保证获得可重复再现的试验结果。而且，为了有利于电磁兼容性试验，该结构不应抑制或增强某些频段，并且对接收天线与试验装置的方向以及接收天线的极化不应当要求太苛刻。因此，在1996年6月的伦敦会议期间，ISO/IEC JTC1 SC25 WG3推荐了一种布缆结构给CISPRG。它是由一个10cm厚的木质柜架组成，在其正面及背面绕上70m长的电缆。这些电缆由弯曲半径为5cm的圆形不导电支柱卷绕。我们对作为辐射元件的布缆结构的性能进行了研究，并且把它与偶极天线的发射进行了比较。研究的结论是：当布缆结构与天线的方向垂直时，可获得最小衰减。而且在此频率范围内相对增益非常恒定，并且布缆结构没有明显的极化和方向性。这些结果使我们决定建造一个同样的布缆结构。入射场强 为了测定设备的抗辐射干扰性，入射的场强应为被调制幅值的80%。然而，对于像电缆之类的线性无源装置来说，这是没有用的，而且只会引起更复杂的计算。为了在半无回声室内获得恒定的场强，必须在每一频率下连续调节馈送到天线上的功率。这就使得抗辐射干扰试验极其费时。此外，为了表征无源器件的特性，没有理由要保持入射场强恒定。在电缆内感应出的噪音电平的大小，与入射场的功率密度直接相关。因为电缆是线性装置，上述比例是与场强完全无关的。因此，馈送到天线上的功率在每个放大器的频率范围内保持恒定。其结果是入射场强不是恒定的而是频率的函数(由于天线的因素以及半无回声室的特性)。尽管如此，为了确保尤其是在低频时产生的场强的均匀性，我们还是特别小心。因为在靠近参考地平面时即靠近半无回声室的墙壁时，不可能建立均匀的场强，因此校准区域建立在离墙壁0.8m以上。为此，半无回声室要足够大方能布缆。当该室的尺寸达到13.4m4.7m3.0m时，才不会影响测试结果。“均匀区”被定义为假想的场强的变化极小的垂直平面。其大小视被测装置的尺寸而定。对于布缆装置来说，规定的区域是地面上方80cm的木质框架区。因此，靠近地面的2根电缆支柱不能参与测量。我们在规定的区域内5个不同位置上用便携式各向同性场强测试仪检查了场强的均匀性，即在规定区域的中央及4个角落进行检查。在上述每个位置上测量场强，无论是在水平极化状态还是在垂直极化状态，频率间距为50MHz至500MHz以及100MHz至1000MHz。按照抗辐射干扰标准，如果在规定区域内75%以上的表面上场强的幅值为标称值-0dB至+6dB，则可以认为这个场是均匀的。在实际测试中，6dB的误差被认为是可达到的最小误差。若在水平极化时将实测值扣去17%，在垂直极化时扣去11%，则在规定的区域内所有剩余值均在06dB的极限内。因此，放置在离被测装置3m的天线产生的场强是均匀的，对于一个被测装置来说，测定最小场强是至关重要的，它相当于0dB值。这是合乎逻辑的，因为具有更大幅值的入射场一定会干扰被测装置。然而在表征无源装置的特性时，人们感兴趣的是所有实测值的平均入射场强。平均场强变化很大，从1.8V/m至9V/m。当在整个频率范围内平均时，场强的变化为3V/m左右。请注意观察：水平极化与垂直极化的实测曲线是非常接近的。这说明这种布缆结构对于极化是不敏感的。当放大器被更换时，例如在200MHz和500MHz，在半无回声室内的场强会发生很大变化，这是因为馈送到天线内的功率电平不同了。 对噪音电平的监控 在电缆中感生的噪音信号用频谱分析仪(带宽100kHz)在半无回声室外进行测量。为了测定平衡电缆上的噪音，我们插进一只阻抗匹配主换器，它在30至1000MHz范围内的平衡补偿量为40dB。这是一只与耦合衰减试验期间所用相同的变换器，它被放置于半无回声室墙壁上的小金属盒内。像耦合衰减测试一样，在该变换器的正前方若放置一些铁氧体棒，可以进一步改善共模抑制比。实验结果所有电缆在水平极化与垂直极化时的实测结果都非常接近。这一点再一次说明了我们的布缆结构对极化是不敏感的。此外，对于不平衡电缆来说，感生的噪音似乎与频率无关，正如我们将要在下一节说明的，这与耦合衰减并无矛盾。双金属箔屏蔽电缆上感生的噪音电平大约比UTP电缆的噪音电平低30dB。用先前的测试方法也可以观测到这一差异，这一点也适用于同轴电缆。然而，对于不平衡电缆来说，每当频率上升10倍时，在电缆上感生的噪音电平就会下降20dB(相对于对称电缆而言)，用先前的试验方法，也可以证实这一点。远场与近场之间的关系理论计算用简单的天线理论就可以计算出当场强为3V/m时在电缆上感生出的噪音电平。一根天线从入射场接收到的能量多少取决于天线的孔径。后者可用下式表示：G(，)= 4Af(，)/式中， G(，)为天线的增益Af(，)为天线的孔径为波长通过比较布缆装置与谐振偶极天线的辐射，我们研究了布缆装置的增益。我们的结论是：在有关的频率范围内，布缆装置相对于偶极天线的增益是一个常数，非常接近谐振偶极天线的增益(=1.64)。利用这个值并且把入射场强乘以有效孔径就可算出布缆装置接收到的电平。由于波长与天线孔无关，所以从电磁场接收到的功率电平随着频率升高而下降，频率每升高10倍，电平下降20dB。布缆装置接收到的功率电平有一部分转换成干扰数据传输的信号，这是由于平衡的有限性以及转移阻抗不为零的缘故。由电缆设计结构提供的电磁屏蔽性可用它的耦合衰减来表示。耦合衰减与频率之间的关系可以用极限曲线来近似地描绘，该曲线非常接近对称电缆的实测值。在100MHz之前，这个极值曲线为常数，在100MHz之后，它以20dB/decade的速率下降。为了寻求在电缆内感生的功率，由电缆设计结构提供的衰减必须从电缆装置接收到的功率中减去。正如在对称电缆抗辐射干扰性试验中观测到的那样，当频率超过100MHz之后，在电缆内感生的噪音电平始终保持常数。这是由于下述原因：接收到的共模噪音电平以及耦合衰减的极限曲线都随着频率上升10倍而下降20dB。两种试验方法之间的相互关系前面我们已经发现，均匀的入射场的场强并非恒定。不过，当对整个频谱范围内的场强进行平均时，获得的平均场强值非常接近3V/m。因此，在第一节我们计算了当场强为3V/m时在电缆内感生的噪音电平以及耦合衰减值。我们可以看到，实际测得的感生噪音电平比其计算要高或低6dB左右。这是可以接受的，因为耦合衰减和入射场强的精确度为6dB。在平均场强很高的那些频率下，感生噪音电平尤其容易出现峰值或谷值。例如，当在200MHz时更换放大器时，在第一放大器的频率上端，平均场强为1.8V/m，而在第二放大器的频率下端，平均场强为9.0V/m。上述测试发现，200MHz下方出现谷值，在200MHz上方出现峰值。另外，在低频时，还可以发现耦合衰减与频率之间的关系非常接近极限曲线与频率的关系。当观察耦合衰减的实测数据时，只有同轴电缆的耦合衰减曲线(在100MHz下)与极限曲线相交叉。在平衡电缆的场合，情况不是这样，因此，它们比计算的噪音电平值低。有关这两种试验方法更精确的比较，已超出本文的范围。这就意味着要考虑布缆结构内的电磁场分布、耦合衰减与频率之间的关系(不是用极限值曲线来近似)以及天线增益与频率之间的关系等等。尽管如此，我们还是发现这两种试验方法之间一致性甚佳。结束语通过测量平衡电缆与不平衡电缆的电磁兼容性，我们比较了称为耦合衰减的近场测试法和抗辐射干扰测试法。这两种测试方法在最近颁布的标准草案prEN50289-6以及IEC61000-4-3中已有规定并已获得认可。由加屏蔽的电缆结构提供的电磁屏蔽效果比采取其它措施时要好。各种电缆耦合衰减的差异等于抗辐射干扰测试方法中感生的噪音电平之间的差异。对称电缆的耦合衰减随频率上升10倍而降低20dB，而同轴电缆的耦