【虹科方案】各向同性的重要性——第一部分

 

 

【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

 

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各向同性表现，被遗忘的规范

EMC 测试实验室使用电场探头来确定辐射抗扰度测试期间产生的电场强度。
 

 

 

电场探头可用来验证产生电场强度的值，同时也是唯一且绝对的参考。因此，电场探头的精度至关重要。多年来，许多探头制造商以不同的方式探索探头精度。

 

一般来说，用户想要计算电场探头的整体精度，甚至是测量电场强度的精度，必须考虑到几个指定参数的不确定性，如线性度、频率响应、温度漂移和非各向同性表现。因为探头规范通常较为混乱、不完整有时甚至具有误导性，所以这项任务可能会非常繁琐。本文的目的是对正确阅读和理解探头规范提供一个较为清晰的解释。

 

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什么是各向同性响应

具有完美各向同性响应的电场探头会给出完全相同的电场强度读数，而且与探头在场中的旋转方式无关。换句话说，如果探头以随机方式在其所有轴上旋转，探头的读数也根本不会改变。在这种情况下，测得的电场图将是完美的球形即360 度。在实践中，由于许多原因，每个 电场探头都会存在非各向同性表现，例如 x、y 和 z 轴探测器之间的差异、探头外壳的锋利边缘（导致涡流）、探头支架（安装）、光纤连接等。

 

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如何测量各向同性响应？

由于探头的球形表面会针对探头使用的每个频率进行完全的扫描，测量“真实”各向同性响应将是一项极其耗时的任务。您会在实践中发现两种不同的方法：

  轴间平衡

在电场探头的校准过程中，一个场方向（如垂直）会产生一个电场， x、y 和 z 轴场探头元件依次与场平行放置。轴之间的测量差异代表着各个轴之间的不平衡。尽管测量是在“理想”条件下进行的而且只能代表各向同性响应的一小部分，这有时也会被报告为各向同性响应。在这种方法中，我们不用考虑轴之间的探头响应。

 

  旋转对称

在旋转对称的测量过程中，探头经过特殊处理后被放置在消声校准室中，它与生成的磁场方向呈 54.7 度角， 该角度也被称为“魔角”。只要在 360 度区域内旋转探头并使其保持在这个“魔角”，那么每旋转 120 度，每个轴都会与磁场方向平行。该方法可以用来测量探头在“最坏情况”的位置的各向同性表现，结果将显示在圆形图中。从图中可以看到轴之间的平衡和轴之间的响应，从而更好地了解电场探头的各向同性表现。

 

 

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为什么各向同性表现如此重要

消声室中的场通常只有一个场方向即水平或垂直。

 

这可能会错误地得出这样的结论：即使探头的各向同性响应很差，一个轴平行于生成场的探针也能正确测量生成的场强。在实际情况中，消声室中的场分布其实并不完美。从 EN61000-4-3 可以很容易地看出这一点，它要求电波暗室中场均匀性的最大误差不超过 6 dB。

 

电波暗室的这种非各向同性场表现是由暗室中发生的反射引起的，即使经过大量努力，如使用吸收材料来减少这些反射也是如此。

 

当这些反射测量不正确时，意味着消声室性能测量也不正确，这通常会导致在 16 点校准过程中不合理地拒绝或批准进入，同时也会导致在正常 EMC 测试期间不能准确地测量场强。

 

因为使用场探头进行16点校准的目的是确定消声室中的场是否均匀（仅存在于一个场方向），所以消声室中的场只有一个场方向和探头不必是各向同性这两者可以互相论证。

 

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如何测定各向同性性能

多年来，探头制造商在单个频率点和相对较低的频率下测定各向同性性能。然而场探头的各向同性响应会随着频率发生强烈变化，低频下各向同性相对较好的探头在高频下的性能会变得更差。

 

在低频下，与射频场的波长相比，探头的尺寸相对较小。例如在 50 MHz 时，波长为 1.5m，则每个电场探头都偏小。在这种情况下，我们默认电场探头将具有较好的各向同性响应。

 

然而，在达到几 GHz 的频率下，与被测场的波长相比，电场探头的尺寸变得不可忽略，并且会出现较大的各向同性偏差。‍

 

目前，电场探头制造商在低于 2 GHz 的频率下测定其各向同性性能，此时电场探头的各向同性响应相对较好。然而更值得关注以及更加影响测试结果的应该是探头能达到的最高频率下的各向同性响应。

 

对知名探头制造商的众多不同电场探头的测量表明，在3~6 GHz的频率下，各向同性误差甚至能达到6~10 dB ！

 

 

虹科开关与仿真团队

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。