适配器对电磁兼容射频传导耦合去耦网络阻抗测量的影响

1 引 言

耦合去耦网络(coupling-decoupling network, CDN)是电磁兼容射频传导抗扰度试验的关键设备之一。其作用是将射频骚扰信号耦合到受试设备所连接的各种电缆上，并防止骚扰信号影响非受试装置、设备和系统。CDN具有3个端口：射频输入端、受试设备端和辅助设备端。为确保试验结果的准确，CDN需进行校准，测量参数包括：受试设备端共模阻抗(以下简称“阻抗”)，是指CDN受试设备端的共模点对参考地的射频阻抗模值(150 kHz～230 MHz)；插入损耗，是指射频信号从CDN的射频输入端至受试设备端的传输损耗，单位为dB。射频传导抗扰度试验系统在进行自校正时，CDN的插入损耗可以被补偿修正，因此阻抗的校准更为重要[1]。

国家标准和国际标准明确规定了CDN阻抗理论值为150 Ω，在150 kHz～230 MHz内分频段规定了允许误差范围，并给出了校准的布置要求，特别是在参考接地平面上的位置[2,3]；洪力等论述了耦合去耦网络的技术要求和校准方法，对共模阻抗校准结果的不确定度进行了分析[4]；杨金涛等研究了耦合去耦网络阻抗的校准方法，使用自行研制的校准测量系统给出了校准数据，并对校准结果的不确定度进行了评定[5]。但在相关文献中，未见有对校准过程中采用的适配器对阻抗测量结果影响的具体分析。

2 适配器对阻抗测量的影响

高频阻抗测量可以使用基于射频电流-电压法的阻抗分析仪，也可以使用基于反射法的矢量网络分析仪(以下简称“矢网”)。阻抗分析仪的阻抗测量范围比矢网宽，但对于CDN阻抗的分布区间而言，矢网能够满足要求，而且由于矢网能够测量传输等其他参数，因此更加实用。矢网端口的连接器形式为同轴，而CDN受试设备端为非同轴连接器，两者无法直接匹配连接。

为了实现测量电路的可靠连接，需要制作两种适配器。一种是用于确定共模点的“共模转换适配器”，共模点的物理形式为4 mm连接器。如果CDN在实际使用时连接的是非屏蔽电缆，共模点由多条线路短接得到；如果CDN在实际使用时连接的是屏蔽电缆，共模点与屏蔽层等电位。以连接非屏蔽电源线的CDN为例，共模转换适配器实物如图1(a)所示。另一种是连接共模点与同轴连接器的“同轴-共模适配器”，实物如图1(b)所示。

在校准时，被校CDN的射频输入端连接同轴负载，矢网测试端引出的同轴N型电缆先连接同轴-共模适配器，再连接共模转换适配器，然后与被校准CDN的受试设备端相连，按照标准要求将同轴-共模适配器与被校CDN共参考面，两者间隔的距离为d，如图1(a)。

图1 CDN阻抗常规测量
Fig.1 Common measurement of CDN impedance

为了保证矢网阻抗测量的准确性，需要事先对其使用校准件(开路/短路/匹配)进行自校准，以消除测量端口的3项系统性误差：方向性、源匹配和反射跟踪。理想的自校准位置应在共模点，位于图1(a)中的端面2，但校准件是同轴形式。因此目前各实验室的做法是在同轴电缆末端，也就是端面1的位置进行自校准。这样做等于是忽略了端面1与端面2之间的这段传输路径的影响，而通常情况下，这段传输路径的长度为数厘米，在频率较低的时候影响比较小，但在100～230 MHz这个频段内，因自校准位置不理想导致的测量偏差显著增大。以容向公司的 M2/M3型CDN为被校对象，矢网在端面1自校准之后被用来测量CDN的阻抗，见图1(b)，结果如图1(c)所示，“上限”和“下限”分别代表阻抗规范要求的上限和下限(下文图2(c)、图4中情况与此图相同)，“Imp 1”为阻抗实测值，可以看到，阻抗实测值在100 MHz以上明显下跌，直至跌破规范下限；而该设备在国外的阻抗校准结果显示， 100～230 MHz的数值仍然在130～170 Ω范围内，因此目前常规的阻抗测量结果与国外相比差异很大。如何改进测量方法，或者对测量结果进行合理修正，以消除适配器的负面影响，解决自校准端面不理想的问题，即为下文所要探讨的内容。

3 改善阻抗测量结果的两种方法

3.1 同轴转换自校准法

该方法的出发点是改善自校准的质量，需制作另一只相同的同轴-共模适配器，与原有的那只组成一对，它们的内导体能够可靠连接。如图2(a)、图2(b)所示，将两个适配器放置在参考平面上，两者之间的距离，也就是图中端面1与端面3的距离为d，矢网自校准位置由端面1变为端面3，与图1(a)中的端面2相比，端面3近似于将共模点的形式由4 mm转换为同轴。应用该方法后的阻抗测量结果(数据标签为“Imp 2”)如图2(c)所示，可以看到高频段的数据有了很大改善。

图2 同轴转换自校准法
Fig.2 Method of coaxially converting for self calibration

3.2 电长度补偿计算修正法

在图1(a)中，端面1与端面2之间的这段传输路径对阻抗测量的准确性产生较大影响，不妨将这段路径近似看作同轴线，则可以建立图3所示的等效传输线模型。图3中，ZL为从图1(a)端面2向右看过去的阻抗值，也就是真正的CDN阻抗值；Zi为从图1(a)端面1向右看过去的阻抗值，也就是矢网测得的阻抗值；将图1(a)端面1至端面2的传输路径视为长度为l的传输线，R、L、C、G分别为传输线的分布电阻、分布电感、分布电容、分布电导，假设这些参数沿线均匀分布，则Zi与ZL的关系可以用式(1)来表示[6]。

图3 等效传输线模型
Fig.3 Equivalent model of transmission line

(1)

式中：γ为传输线的传播常数，其中：α为传输线的衰减常数；β是传输线的相位常数；Z0是传输线特征阻抗(50 Ω)。

经过变换可得：

(2)

假设传输线是无耗线，即则式(2)可改写为：

(3)

式中：相位常数β=2π/λ=2π·f/c； f为信号频率；c为电磁波传播速度。

使用游标卡尺测得l的值为106.46 mm。依据式(3)对在端面1进行自校准的矢网测量结果进行计算，修正后的数据(数据标签为“Imp 3”)，与“Imp 1”相比，可以看到高频段的数据同样得到明显改善，见图4。

图4 电长度补偿计算修正后数据(Imp 3)
Fig.4 Data after calculative correction by method of electrical length compensation

3.3 改善前后数据对比

为了使改善前后的对比更加具体，表1列出了频率100 MHz以上3种情况的阻抗数据。结果表明，应用两种方法后，高频段阻抗数据有了明显改善，各频点阻抗值均落在130～170 Ω范围内，与国外实验室的测量结果相比非常接近。

表1 改善前后阻抗数据对比
Tab.1 Data comparison between before and after correction Ω

4 结 论

本文描述了适配器对CDN阻抗测量结果的影响，即常规测量方法中存在的问题，介绍了改善阻抗测量结果的两种方法，从实验和理论计算两个角度，采用同轴转换自校准法和电长度补偿计算修正法尽可能消除了适配器的影响，使100～230 MHz范围内阻抗测量结果的准确性显著提高。在应用电长度补偿计算的过程中，图1(a)端面1至端面2的传输路径被视为理想的传输线，而事实上并非如此，因此下一步将尝试采用三维电磁仿真手段，得到更加真实的分布参数模型，进一步提高数据修正的准确性。