如何提高电场探头测量精度

【前文回顾】：

虹科方案|如何使用虹科RadiSense电场探头提高场强测量的准确性

【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 抗扰度测试期间电场探头测量精度仍然是一个重要的讨论主题。毕竟，探头是完整测试的基础，也是唯一且绝对的参考仪器，这一点就足够让 Raditeq的工程师开始研究这个主题。研究测试的初步结果是令人惊讶的。

围绕测量精度的讨论

许多年来，关于电场探头值得注意的新闻并不多。过去，探头行业标准的基础是工作频率高达1G的立方探头和工作频率高达40G的棒状探头。两种类型的探头都相对较大，且由电池供电。1999 年第一款激光驱动探头 RadiSense 正式推出，问题也随之出现，人们发现探头的尺寸和形状对测量结果有巨大的影响，而且探头越小，测量结果就越精确，此外也发现了球形探头的测量更准确。另一个重要因素是探头相对于生成场的位置。柏林联邦物理技术研究院（PTB）的测量结果表明，取决于探头在生成场中的不同位置，测量元件（天线）与电子设备分离的棒状探头甚至可能会导致高达100% 的偏差。结果许多校准中心校准棒式探头时将电子设备置于校准设置之外，这当然与正规的 EMC 测量使用探头的方式不同。法国认证委员会 (COFRAC) 则关注到元件（天线）的数量以及如何校准传感器，同时一些用户也注意到，在同一个场景内使用相同的设置，不同型号的探头之间也会存在明显的测量差异。包括 Raditeq在内的一些供应商已将探头的设计更改为六个彼此对称放置的天线元件。尽管与旧版探头相比，这种变化带来了实质性的改进，但它也提醒了人们传感器各向同性会产生的影响，及研究此问题的重要性。

定制研究设施

作为对测量准确性讨论的回应，Raditeq 启动了一个关于传感器各向同性的研究项目，该项研究旨在更深入地了解导致这些测量误差的原因。研究的第一步是建造一个定制的特殊消声校准室。这个场景可以精确有效地测量电场探头的特性。同时使用特殊的 3D 打印部件，构建一个全自动系统来准确测量现场探头的各向同性表现，该系统可以达到半度的精度来定位现场探头。

在开始研究之前，对相关术语的定义很重要。本项目三个参数的定义如下：

参数的定义

各向同性响应

电场探头能够显示正确场级的水平，与探头相对于生成场的方向无关。

旋转对称性

电场探头能够显示正确场级的水平，与探头相对生成场围绕正交轴的旋转无关。进行旋转对称校准时，探头被放置在 54.7 度角下并旋转 360 度。这意味着每旋转120 度，其中的一个轴垂直于生成场。

场均匀性

是衡量消声室质量的指标。在高质量的腔室中，场强在大面积上是均匀的。场均匀性是通过进行符合EN61000-4-3 的 16 点校准来确定的。前两个定义都与现场探头有关，第三个定义则用于消声室。

在自动测量系统和 RadiMation 软件的帮助下，校准室中进行了大量的精确测量。此外，研究项目里还包含了各方的测量结果。

结果

测量得出了显著的结果。下图表明了不同类型的电场探头在完全相同的消声室中使用相同的测量系统（场强为 50 V/m）的结果。由图可知，在高于 3 GHz 的频率上会出现巨大的差异。比如说在 4 GHz 时，测量差异最高达到72 V/m ，最低达到 25 V/m，相差 47 V/m (5.5 dB)。这是一个值得研究的问题，当差异超过 12dB 时，真正生成的场是什么？

错误原因

在理想情况下，电场探头仅测量天线朝向探头直接路径的场强，然而在消声室中总是存在影响测试的反射。这些反射通过墙壁到达探头，并且也可能来自场景中的其他物体，例如 EUT。反射到达探头时的幅度和角度取决于许多参数，例如；腔室的大小、天线的位置和生成信号的频率。因此，反射的幅度和角度应被视为未知数。EN61000-4-3规定了可接受的误差标准，如果 16 个点中的 75%（例如 12 个点）在 1.5m x 1.5m 的正方形中落在 0 – +6 dB 的范围内，则场均匀性是合规的。6 dB 的误差意味着反射可能与直接信号一样强。对于 16 个点中剩余的 25%，场强以及因此产生的误差可能更高。因此，这些反射甚至可能比直接信号更强。

其他测量表明，具有较大各向同性偏差的电场探头会显示超过 10 dB 的测量误差。由于这些大的各向同性偏差，强反射信号将被记录成大的测量误差。因此，这个测量误差是不可忽略的！

一个错误的认知是，如果探头放置时其轴之一垂直于（极化）生成的场，则不会出现测量误差。这忽略了一个事实，反射是以完全随机且未知的角度到达探头的。

总不确定度的测量

以下公式显示了如何计算现场水平测量的总不确定度：

大多数这些对测量误差的贡献是众所周知的并且相对较小。此外，可以通过软件和硬件纠正这些系统误差。例如，因为频率响应经常被校正且实验室的温度相对恒定，所以对总不确定度影响最大的是探头的非各向同性表现。通过计算总不确定度的公式即平方根的和，也表明了具有最大相对值的参数对测量的总不确定度影响最大。

各项同性主导参数

在 16 点校准期间，人们可能会认为场强测量值偏差是由消声室造成的（实际上是由于不良的各向同性），因此又要花费不必要的高成本去改进这些消声室。抗扰度测试期间探头的不良或非各向同性也可能导致对EUT的错误评估。

结论

我们的研究表明，由于电场探头的非各向同性表现尚未得到充分认识或理解，它引起的误差比以前人们认为的要大得多。这些误差主要出现在 1 GHz 以上的频率范围内。目前，探头的各向同性误差未在1 GHz 的关键点以上的范围内指定。它表明各向同性误差对消声室和模式搅拌室中 EMC 抗扰度测试的准确性有相当大的影响。因此，必须在整个频率范围内指定电场探头的各向同性表现。

进一步的研究

该研究项目尚未在“mode-stir”场景或混响室中进行。这些场景生成的场很可能低于特定测试所需的场，因为在这些类型的场景中，反射在测量技术中起着关键作用，尤其是在“mode-stir”的情况下，它依赖于墙壁的反射，理应形成均匀分布的场。然而由于非各向同性的探头，这无法正确测量。需要进一步的研究来精确地测量这些偏差和误差。通过这些研究，这个假设最终会被证明或被推翻。

虹科测试测量团队

虹科是在各细分专业技术领域内的资源整合及技术服务落地供应商。在测试测量行业经验超过17年的高科技公司，虹科与世界知名的测量行业巨头公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供领域内顶尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平台的多种功能模块，以及自动化测试软件平台和测试系统，通用台式信号源设备，高速数字化仪，EMC和射频测试方案等。事业部目前已经提供覆盖半导体、3C、汽车行业的超过25个大型和超大型自研系统项目。我们的解决方案已在汽车电子、半导体、通信、航空航天、军工等多个行业得到验证。此外，我们积极参与半导体、汽车测试等行业协会的工作，为推广先进技术的普及做出了重要贡献。至今，虹科已经先后为全国用户提供了100+不同的解决方案和项目，并且获得了行业内用户极好口碑。

审核编辑：汤梓红