CE 102 能力验证离群结果分析

崔雅鑫

（中国船舶集团有限公司第七一六研究所，连云港 222006）

引言

近年来，随着电力电子技术的快速发展，对军用和民用无线电设备与系统的使用也在快速增多，面对日渐复杂的电磁环境，电磁干扰问题逐渐增多。为了使电子电器设备能在规定允许的电磁环境下正常工作，同时不对其他设备造成干扰，达到兼容状态，那么在设备定型和进入市场之前，对其进行电磁兼容测试具有非常重要的价值和意义[1-3]。

电磁兼容测试通常是依据国际或国内制定的相关标准方法完成的，目前我国已经制定了100 多个民用电磁兼容标准GB，其中军用部门制定了GJB。GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》（以下简称“GJB 151B”）作为常用的军用标准，规定了军用电子、电气及机电等设备和分系统电磁发射和敏感度的要求与测试方法[4]。

CE 102（10 kHz～10 MHz 电源线传导发射）作为GJB电磁兼容测试中的一个测试项，具有极其重要的作用，该项目也是电磁兼容测试项中出问题较多的一项[5]。为了保证CE 102 测试结果的正确性及准确性，对实验室实施该测试的能力验证尤为重要。影响CE 102 测试准确度的因素较多，如测量接收机、线路阻抗稳定网络LISN（Line Impedance Stabili-zation Network）、衰减器、试验场地、线缆布置、环境和操作人员等。

本文基于实验室参与的《10 kHz～10 MHz 电源线传导发射（CE 102）》能力验证计划项目，发现了实验室及试验人员在测试过程中存在的问题；其次对该问题的出现进行了分析，为提高CE 102 测试结果的准确性提供了思路，从而提升该测试项目的技术水平。

1 CE 102 测试

一般情况下，来自电源中的电压瞬变和电磁脉冲会严重影响电子及电气设备的安全。同时，电源线路中还夹杂大量的瞬态过电压和浪涌大电流[6]。CE 102 测试适用于所有设备的电源线，包括电源回线，它通过测量电子设备的供电电源线及其回线向外传导的电磁骚扰是否超过规定的极限值，从而判断该电子及电气设备是否达到国家规定使用标准。

如图1 所示为CE 102 测试配置图。在测试前，保证LISN 的输入端电源断开，受试设备电源线接LISN 的EUT 端口，选择一根电源线进行测试，其所接LISN 射频端口与接收机之间加20 dB 衰减器，另一个LISN 的射频端口接50 Ω 负载，以保证整个测试系统的阻抗匹配。测试设备通电并达到稳定工作状态后，进入软件测试界面进行测试。测试曲线不超过标准规定的限值曲线即表示CE 102 测试合格。

图1 CE 102 测试配置

2 CE 102 能力验证

能力验证是利用实验室间比对来判定实验室能力的一个项目，开展此项目需要去具备国家认可的实验室进行。本次《10 kHz～10 MHz 电源线传导发射（CE 102）》能力验证委托某实验室计划和实施，包括本单位实验室在内共有14 家实验室参加。试验依据为GJB 151B，试验样品为电源端子传导骚扰/发射能力验证主机、DC 电源线、接地线，主要测试设备为LISN、衰减器和接收机。如图2 所示为本实验室试验现场布置情况。

图2 试验现场布置

试验样品的供电电压为24 V，分别对电源线正线和负线在62.5 kHz，187.5 kHz，437.5 kHz，1.5 MHz，3.5 MHz，6.5 MHz，8.5 MHz 和9.5 MHz 的频点进行传导发射测试，检测参数为骚扰电平值。以Z=（x-X）/σ作为能力验证结果评定准则，其中x 为实验室实际测量的骚扰电平值（保留小数点后2 位数字），X 为指定电平值（见表 1），σ 为能力评定标准差，其中频率在（10～150）kHz 范围内σ 为1.9 dB；频率在150～10 MHz范围内σ 为1.7 dB。图3 所示为各实验室测试结果计算后得到的Z 值折线，其中，002 为本实验室代码。对所取的测试频率点，若：

图3 参加实验室Z 值折线图

|Z|≤2，结果为满意；

2＜|Z|＜3，结果为可疑；

|Z|≥3，结果为离群。

由图3 可得出，在频点437.5 kHz 处，|Z|＞3，测试结果离群；在其余部分频点处，2＜|Z|＜3，测试结果为可疑。即在测试频点62.5 kHz 处，本实验室（002）所得到的测量值相对偏小，但测试结果为满意。在其余测试频点处，本实验室（002）所得到的测量值均相对偏大。综上所述，本实验室CE 102 能力验证结果离群，可能存在以下方面原因：

1）接收机、LISN、衰减器、线缆等的校准系数是否准确；

2）样品及LISN 的接地是否良好；

3）测试场地的布置及测试软件是否有问题；

4）人员操作是否准确规范。

表1 频点指定电平值

3 离群结果分析

通过对试验过程的排查分析，认为测试设备LISN是影响测试结果离群的主要原因。LISN 作为CE 102 测试项中核心的测试设备，具有非常重要的作用。一方面，能将受试设备与电源上的无用射频信号隔离开，使受试设备的干扰电压通过电源线传导耦合到接收机上；另一方面，由于测试场地的不同，导致背景噪声不一致，那么测试场地的电源系统阻抗就不同，当LISN 处于受试设备与电源之间时，可为受试设备与参考地间提供稳定阻抗，从而不影响测试结果[7]。图4 所示为参考GJB 151B 中LISN 的电路图，LISN 的两个端口分别为射频端口和EUT 端口，在进行测试时，其主要原理是受试设备（EUT）的骚扰信号V1 通过EUT 端口耦合进入LISN，50 μH 电感和8 μF 电容构成了低通滤波器，可将来自电网的高频干扰信号隔离开，并将受试设备的高频干扰信号通过0.25 μF 的电容进入接收机。接收机通过射频端口对此骚扰信号拾取即V2，其中接收机内阻为50 Ω。LISN 有2 个重要的参数，即校准系数和阻抗。计算公式如式（1）和（2）所示。根据接收机所拾取的V2 值与LISN 的校准系数，可反推出EUT 的骚扰信号V1。

图4 LISN 电路图

式中：

Z—阻抗；

ω=2πf；

C=0.25μF。

图5 为LISN 的阻抗计算曲线图，从图中可看出，LISN 的阻抗值不断增大，增大到较高频率后阻抗值接近于50 Ω。

图5 LISN 阻抗理论计算图

如图6 所示为CE 102 测试中两个LISN 组合后的配置图，其中LISN 的EUT 端分别接电源线正线和负线，当对电源线正线进行CE 102 传导发射实验时，接正线的LISN 的射频端口作为接收机拾取信号的端口，另一个LISN 的射频端口接50 Ω 负载。虽然CE 102 测试前都会对测试系统进行校验，并在校验合格后进行测试，但实际测试时，LISN 的射频端口所接的50 Ω 负载也需要定期校准，其负载值的变化会直接引起接收机拾取信号的大小，从而影响测试结果的准确性。为了验证该负载阻抗变化对接收信号的影响，采用电路仿真软件对图6 所示的电路建模并采用S 参数仿真来分析输入输出特性的S 参数，S 参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适用于高频微波电路的测试与建模分析。其中S（2，1）为端口1 到端口2 的传输系数，可用接收机端所拾取的信号电压值与EUT 端输入骚扰信号的电压值之比表示。

图6 两个LISN 组合的电路图

如图7 所示为当射频端口负载阻抗值为0 Ω、10 Ω、20 Ω、30 Ω、40 Ω、50 Ω 时，S（2，1）值随频率的变化曲线。以负载阻抗50 Ω 得到的S（2，1）仿真值为参考值，由图可知，当频率为62.5 kHz 时，负载阻抗为0 Ω 所对应的S（2，1）值最大，但负载阻抗由10 Ω 增大到50 Ω 时，S（2，1）值变大；当频率在96 kHz～10 MHz 范围内的任一频率点处，当负载阻抗值由0 Ω 增大到50 Ω 时，S21 值变小。如图8 所示为当负载阻抗为50 Ω、100 Ω、1 000 Ω、无穷大时，S21值随频率的变化曲线。当频率在（10～134）kHz 范围内的任一频率点处，随着负载阻抗由50 Ω 增大到无穷大时，S（2，1）值变大；当频率继续增大时，在任一频点处，随着负载阻抗的增大，S（2，1）值无明显规律变化。综合仿真数据可得，负载阻抗值在一定程度上减小会引起频点62.5 kHz 处测试结果偏小，而引起其余频点处的测试结果偏大。在频点437.5 kHz处的测试结果离群较为严重，主要原因可能与瞬时的测试环境有一定的关系，其偶然性在分析时不具备参考性。

图7 负载为（0～50）Ω 所对应的S（2，1）仿真曲线图

图8 负载为50 Ω～无穷大所对应的S（2，1）仿真曲线图

综上所述，造成能力验证结果出现可疑和离群的原因是负载阻抗50 Ω 的变化，因此，为了保证测试结果的准确性，即不影响接收机拾取的电压信号值，定期对50 Ω 负载进行校准是非常必要的。

4 总结

通过开展的CE 102 能力验证项目，对本实验室测试结果的离群情况进行了分析。首先根据LISN 的电路图对其工作原理进行了研究，发现了当LISN 射频端口所接负载50 Ω 变化时，会引起传输系数S（2，1）值的变化。当负载阻抗值减小时，在对应测试频点处，S（2，1）值会先变小后变大，导致测试结果与其他实验室出现较大偏差，甚至出现离群情况。所以，定期对负载50 Ω 校准极其重要。本文结论为之后提高CE 102 测试结果的准确性提供了技术思路。