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射频抗扰度标准选择天线/功率放大器

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发表于 2019-10-21 13:37:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 yumeii 于 2019-10-21 13:38 编辑

需要测试1GHz以上电磁辐射敏感度的产品即将出现,目前新的医学标准规定测试频率达到了2.5GHz,这一频率将被新的火灾探测产品标准所采用。

虽然还不是非常的确定,但是看起来6GHz的频率上限将很可能被用到消费者的产品上。对于用来测试采用新的RF抗扰度标准产品的设备来讲,什么样的天线与放大器的组合才能保证最有效地产生新频段上所需的电场强度呢?哪里是最好的费用平衡点呢?本文介绍了使用现有技术可实现的实用配置,并着重阐明了在选择组合配置过程中不可避免的权衡问题。


    目前的EMC市场上很容易获得各种频段和功率等级的天线与功率放大器。理想的情况下,你可以简单的选择一个1GHz-6GHz的天线,再配上一个1GHz-6GHz的功率放大器,然后,问题解决了。众所周知,生活没有这么简单。

覆盖这个频段(甚至更宽)并能承受必要输入功率的天线确实能够由很多不错的厂家生产。实际上,频率范围为25MHz-7GHz的天线也已存在,而且可能允许旧频率到新频率的不间断扫描。可不幸的是,目前并没有一个功率放大器既能覆盖1GHz-6GHz同时又能提供所需功率等级。由于这一频段需要至少两个功率放大器,因此在抗扰度测试中需要一个开关将天线连接到合适的功率放大器。或者更好的是使用两个天线与两个功率放大器。很明显,本文着眼于混合-匹配的排列选方式的建立。

首要问题

    RF抗扰度测试是在自动测试系统(ATE)的控制下进行的。按一个键,被测设备就将在一个固定的时间内处于一个特定的RF电磁场中,该电磁场为一系列的预先设定的频点组成。ATE软件控制系统频率进行测试,同时监测RF电磁场中的设备。图1为用于产生所需RF场的天线与功放组合。在图中距离天线一固定距离的为一虚拟测试平面。这一平面的一个截面上各点的场强值会作为系统校准的一部分。天线与功放组合的选择将被作为ATE设计的一部分,设计步骤如下:

    1. 了解该部分ATE系统的设计要求
    2. 寻找可能的解决方案
    3. 评估和比较解决方案
    4. 找到最佳解决方案

要求
    最基本的要求是天线与功放的组合能够在特定的频率范围内产生所需的RF场强。在本文中使用10V/m这一场强值(本例可以被套用到实际所需的各种场强值)。足够的功率余量必须考虑以解决:

● 系统损耗

    系统损耗包括天线馈线热损耗,天线自身的热损耗,以及被天线发射回的功率。这些损耗直接影响到产生RF场强的天线静功率。

● RF信号调制

    测试信号为调制频率为1KHz,调制度为80%的调幅信号。这种调制将导致达到信号峰值时所需功率是非调制时的3.3倍。而且,波形完整*必须被保持,因为波形峰值被功放的压缩可能影响测试的准确*。在频域中,被平整的峰值会出现谐波。注:将来的标准很可能要求“调制”状态下校准。

● 场波动

    由于暗室的各种特*(例如不连续的反射信号阻尼特*,或者天线位置靠近暗室墙壁)会影响校准测试平面的各点场强值,所以需要设置一个补偿功率值。

    如果被测设备需要被放置在一个与天线规定距离的地方,由于天线必须放置在暗室中规定的地方,所以天线的尺寸有一个**。幸运的是,在1GHz以上频段的天线的尺寸相对于1GHz以下频段的宽带天线尺寸较小,所以基本上不会有问题。

可能的解决方案——天线

    在1G-6GHz频段,主要可以采用喇叭天线和对数周期天线,因为它们*能出色而且尺寸较小。所需要的参数有输入VSWR,辐射方向图,功率承受能力,以及在1米处产生10V/m电场所需的输入功率。所需输入功率提供了关于评估合适*的最有价值的信息,所以这些数据可以被经常的使用,其他数据可以用于确认选择。

  表1与表2是各天线的功率预算表。“所需瓦特”列是天线在1米距离处产生10V/m电磁波所需功率的实测值。天线反射功率与天线热损耗已经被考虑,9英尺长的电缆损耗值是从制造商的网站上获得的。注意电缆损耗随频率升高而增加。“峰值调制功率”为乘以3.3后(加5.2dB)的计算值。“所需总功率”加上3dB(功率加倍)来补偿场强波动。喇叭天线可以承受300瓦输入功率,对数周期天线可以承受1000瓦。所以所示功率等级处于天线能力范围内。两种天线的尺寸都很小,所以与暗室的相互作用可以忽略。

可能的解决方案——放大器

    放大器可选择的有固态(砷化硅场效应管)和行波管(TWT)。如今,固态放大是 4GHz以下的首选技术,但是在4G以上,它要超越高功率倍频行波管放大器的*价比还有很长的路要走。一个倍频程是指频率的加倍。在这个实验中,双频段固态放大器中的4GHz到6GHz的功率模块是指一个倍频的一半。

    由功率预算表可以看出,喇叭天线和周期对数天线所必需的线*功率分别是5.8W和12.8W。线*功率是用来防止调制波形的失真。出于本次实验的目的,选项A(全部为固态放大器)将与喇叭天线配合使用,选项B(采用固态和行波管技术的放大器)将与对数周期天线配合使用。经验告诉我们:从饱和功率到线*功率,对于砷化硅场效应管放大器,应该回退1dB;对行波管放大器应该回退3dB。这种调整对选项A相当于7.3W的饱和功率,对固态/行波管组合的选项B来说相当于16.2W/25.6W的饱和功率。

    不管采用哪个选项,频段转换都是需要的。下一节将讨论它是如何实现的。

频段切换

    从馈源到天线的切换有两种基本方法。第一种是通过如图4所示的外部频段切换箱来实现。外部的电缆被用来连接放大器和频段切换箱。当两个继电器都在图示的位置上(常态),频段1为天线提供馈源;当两个开关同时改变方向时,频段2将为天线提供馈源。

    第二种方法是放大器的生产商将两个放大器安放在同一个底盘上,在内部实现频段切换。图5为该方法的示意图。虽然它基本的*作原理与方法是一样的,但是因为其中许多关键部件是共享的,从而节省了很多空间和费用。这些共享部件包括电源,冷却系统,控制电路,当然还有底盘本身。

    因为任一时刻只有一个放大器在工作使元件共享成为可能。因此,电源只需要一个,冷却装置也只需同时对一个放大器进行散热。而且,内部所需的射频传输电缆跟外部传输电缆相比要短很多,降低了电缆损耗。从功率预算表可以看出,电缆损耗对功率预算影响很大,尤其当频率在6GHz时。一旦一个双频带产品的主要底盘设计完成,用它代替不同频带或功率电平的射频模块就相对容易了。不幸的是,这种共享元件的方法不能用于固态和行波管的组合上,其原因是两种放大器的电源和冷却设备是完全不同的。

    在测试运行时,ATE软件在合适的地方提供一个切换信号。开关切换的时间大约是1/10秒,因此其对整个测试时间的影响是可以忽略不计的。事实上,对射频抗扰度测试来说,一个不需要转换的单频带方案的特点是没什么好处,只能恶化系统的谐波噪声*能。

两种频带切换方案都应该采用冷转换,即切换顺序应该是:

    1.关闭射频输入信号
    2.切换频带
    3.打开射频输入信号

    另外,对于内部切换的放大器来讲,用来在继电器切换期间关闭电源的冷却切换电路很容易实现。本文所描述的双频带放大器就具有这个特点。适用于频带转换的射频开关可以在市场上买到,它在6GHz的损耗小于0.1dB,所以其插入损耗在计算中不用考虑。

解决反射功率

    功率计算中的系统损耗降低了功率放大器对发射功率的承受要求。降低馈入到放大器的反射功率的因素有:

1.由于电缆损耗,功率放大器输出的功率分别在前向和反向被衰减,反向功率被两次衰减。1GHz时,仅在电缆中的总损耗至少为2dB。6GHz时,回路损耗为5dB。
2.天线发出的并不是笔形波束(不像激光),相反,波束会发散开来充满整个测试平面及其周围的标准区域。在测试中,即使暗室的吸波材料吸收了大部分的前向功率,还有大量由被测设备棱角反射的功率。即使在被测设备反射高功率的最坏状况下,也只有非常少部分的前向功率会经过天线返回。

    行波管工作在一种不反射的条件下并释放一部分前向功率容量。加上先前讨论的系统损耗,意味着反射功率与前向功率的比值是很小的。同样,砷化硅场效应管功率放大器使用内部功率合成方法可以使反射功率与输出晶体管隔离。总而言之,这些因素说明天线反射功率的影响不是大问题。

合适的功放型号

    选项A中可以使用一个双频带可内部切换的0.8–6 GHz功率放大器来满足其功率要求,例如BBS3Q9ACD。它包括一个0.8-4.2 GHz 的15瓦特功率放大器与一个4-6 GHz的10瓦特功率放大器,可以分别提供12瓦特与8瓦特的线*功率。BBS3Q9ACD 如图2(a)所示。

    选项B功率要求可以使用BBS3Q7EEL,它是一个0.8-4.2 GHz的25瓦特砷化硅场效应管功率放大器,在加上一个TWTA-7A8GFE,它是一个4.0-8.0GHz的30瓦特行波管功率放大器。它们可以分别提供20瓦特与15瓦特(4.2-6.0GHz)的线*功率。由于行波管放大器会在频带外产生多余的功率,所以6GHz处的15瓦特线*功率是保守估计的值。这种情况下外部频段切换应使用频段切换装置来实现。

    到目前为止,以上两种天线/功率放大器的组合看起来都非常适合产生新标准所需要的场强,而且选项A看起来最合适。可是,选择标准中还有一个主要因素必须予以考虑——与现有测试配置的集成。

与现有测试配置的集成

    如果1GHz以下与1GHz以上的测试过程是分开进行的,那么问题仅仅是手工切换一下彼此的测试配置。在这些情况下,微波喇叭天线/双频段放大器的组合就非常恰当,如果我们想要将两个测试合成在一起,可能的话还要共用测试元件,那就需要考虑其他的解决方案。

包括:
● 使用单一天线扫描整个频段
● 并排的安装天线
● 在扫描过程中人工替换天线,更有效的利用现有天线特*优化系统*能。

注:将暗室改造到适于进行1GHz以上的测试不在本文讨论范围之内。

单一天线覆盖现有与将来的频带

    1994年,约克大学与Chase EMC合作在宽频发射测试中使用一个双锥/对数周期混合天线。天线在100MHz以下*能较差,但使用低功率放大器推动信号可以相对简便的解决这一问题。同样,低频时的50欧姆阻抗匹配不好的问题也可以通过加入内嵌衰减器解决。由于不是针对RF抗扰度测试,天线需要一个非常昂贵的高功率放大器以产生100MHz以下的射频干扰场。至于抗扰度测试,双锥天线在100MHz以下非常有优势,因为它要产生在1米距离处10V/m的场强仅需要大约70瓦特的输入功率。而混合天线大约需要900瓦特功率来产生同样的电场。

    最近人们在尝试发明一种天线以监测低至80MHz以下又可高达数GHz频率的射频发射,但是这些天线的尺寸却非常的笨拙(10英尺宽6英尺长)而且在低频处与50欧姆匹配很差。这样的尺寸意味着它与暗室和被测设备之间的相互影响会比较大(除非用更大的暗室)。另外,80MHz以下频率的驻波比仅为10:1,这意味着需要更高的功率以产生要求的场强。而且,使用这些天线要比使用20MHz to 300MHz双锥天线(型号SAS-543)与290MHz to 7GHz的对数周期天线(型号SAS-510-7)昂贵的多。另外,现在1GHz以上的天线尺寸相对较小,我们不应该抛弃这个优点。大尺寸的超宽带天线应该用在开阔场,那才是它们应被使用的地方。

并排地摆放天线

    覆盖不同频段的天线可以共存且不会相互干扰。因此,可以将双锥天线与对数周期天线相邻摆放,然后在扫描测试中在合适的时间切换功率放大器到合适的天线。天线摆放以及*控垂直和水平极化是一个挑战;但是只要每个天线都能充分照射校准平面,没有理由认为这是无法实现的。在本文提到的所有方法中,高频率天线的馈线都应该尽可能的短。大多数的功率放大器都可以远程控制和管理,并没有规定高频放大器不能靠近暗室安装以缩短电缆长度。图6为切换模式的示意图。

扫描过程中的人工替换

    在本方法中,双锥天线用于20MHz到300MHz,然后手动替换到对数周期天线以完成余下的300MHz-6GHz频段测试。20-1000MHz的放大器在1000MHz以下频段馈给两个天线,然后1-6GHz的双频段放大器馈给对数周期天线直至6GHz的信号。这个方法的缺点就是在测试过程中会中断一次。中断情况应该保留在报告中。只要在测试配置中的一个部件发生了改变,这一调整就必须占用一部分时间以中断与重建一个新的测试配置。功率放大器与天线的自动切换始终保持。

采用新标准的结果
    今后有很大可能新的标准将要求在校准时使用调制信号。对于旧的测试标准,很多实验室都购买了含一个30瓦特的功率放大器与一个对数周期天线的组合配置。30瓦特的功率放大器可以产生最小大约为20瓦特的线*功率。在80MHz频率,对数周期天线要求大约5瓦特功率输入以在1m处产生10V/m的场强。将这个功率乘以调制因子3.3,在加上系统损耗补偿和暗室特*补偿,这种功率放大器/天线组合可以认为是这种场强与距离的最佳选择。如上所述,确定场强和留有恰当余量的设计并不需要很高深的理论,盲目接受和购买产品是非常不明智的,“以一概全”没有确保的余量就是最突出的一个例子。

结论

    预期的射频抗扰度标准带来了新的挑战与机遇。虽然有些依赖于现有的测试配置,但是仍然可以找到很多途径升级测试设备以适应新的标准。本文列举了一些可自己决定适应新标准的方案的指导方法。本文可帮助测试单位不去理会那些商家的策略,他们总是试图使顾客确信只有一种解决问题的办法。

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