CNS 14672-2002 Methods of measurement of the suppression characteristics of passive radio interference filters and suppression components《被动式射频干扰滤波器和抑制组件特性之量测方法》.pdf
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1、 1 印行年月 94 年 10 月 本標準非經本局同意不得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 類號 被動式射頻干擾濾波器和抑制元件特性之量測方法 經濟部標準檢驗局印行 公布日期 修訂公布日期 91 年 9 月 23 日 年 月 日14672 C6422ICS 33.100 Methods of measurement of the suppression characteristics of passive radio interference filters and suppression components 節次 . .頁次 1. 前 言. .2 2. 適用範圍 .2 3. 用語釋義
2、.2 3.1 插入損失 .2 3.2 負載電流 .2 3.3 負載電壓 .2 3.4 測試電路的阻抗 .2 3.5 異對稱測試電路 .2 3 6 對稱測試電路 .2 3.7 對稱測試電路的對稱係數 .2 4. 測試方法 .3 4.1 標準測試方法 .3 4.2 考慮最差情況的方法 .3 4.3 在實際安裝場合測試的方法 11 4.4 設置模型的量測方法 11 5. 安裝配置 11 5.1 測試盒的建構 11 5.2 在測試盒內安裝干擾抑制元件的安裝 12 附錄 A 17 B 27 (共 31 頁 ) 2 CNS 14672 , C 6422 1. 前言 一般而言,射頻干擾抑制元件的抑制特性,是
3、指電容器、電感器及濾波器在其操作電流和操作電壓範圍內工作時的阻抗(這是決定能量輸入濾波器而造成反射的重要因素),此外還有其他的因素也會影響此一特性,例如環境的溫度等。 為了要比對不同實驗室所量測到的特性,或是比對各製造商所提報的特性,因此必需使用標準的量測方法。 2. 適用範圍 本標準規定被動式射頻濾波器之插入損失量測方法,此種方法可涵蓋單一的元件,例如電容器、電感器或電阻器,或是由電感器、電容器和電阻器所集合而成的組合元件,不論是集總的型式或分散的型式,這些量測方法包含試驗室或生產線所使用的量測方法、在設備安裝現場或以模型安裝上應使用固定阻抗終接或以 產生 “最差情況 ”之方式終接的量測方法
4、,並提供載入電壓和電流。 3. 用語釋義 3.1 插入損失 在指定的頻率下,連接在傳輸系統中的濾波器,其插入損失定義為,出現在待測濾波器插入前之線電壓與待測濾波器插入後之線電壓兩者之比值。 3.2 負載電流 流經待測濾波器電源線的直流或交流電流。 3.3 負載電壓 在待測濾波器指定位置的直流或交流電源電壓。 3.4 測試電路的阻抗 不接濾波器時,跨在測試電路之間的阻抗。 3.5 異對稱測試電路 在一個測試電路中,用一條同軸電纜連接到待測的濾波器上,此同軸電纜的外導體被當做高頻電流的迴流路徑。 .6 對稱測試電路 在測試電路中,待測濾波器用一對有金屬屏蔽的導線連接起來,此種狀況下,異對稱的電壓小
5、到可以忽略。 3.7 對稱測試電路的對稱係數 3 CNS 14672 , C 6422 出現在濾波器的連接點上,對稱與異對稱電壓之比值 (以分貝 (dB)表示 )。 4. 測試方法 測試濾波器時,當濾波器使用在非正弦波電流的情況下 (例如交換式電源供應 ),要以被抑制的非正弦波之峰值做為負載電流,這是非常重要的。 測試方法分類如下: 4.1 標準測試方法 測量濾波器的抑制特性時,要將濾波器的輸入及輸出用等值且固定的電阻終接起來,通常是 50 到 75 之間,有兩種不同變化: 濾波器不加負載; 濾波器加上直流或交流的全負載 (電流及 (或 )電壓 )。 但實際使用時的特性會與所觀察到的特性不同,
6、這是因為量測時的終接阻抗與濾波器裝在實際設備上的阻抗是不相同的。 目前有許多國家使用下列這種方法來執行濾波器的研究: 在 10 kHz 到 1 GHz 之間不加任何負載; 或在 10 kHz 到 100 MHz 之間,加到最大 100 A 的電流負載; 或在 10 kHz 到 300 MHz 之間,加到最大數千伏的電壓負載 ; 使用標準方法量測時,必需依據附錄所述的程序量測。 4.2 最差情況的量測方法 4.2.1 說明 在實際使用時,濾波器在其通帶內或通帶外的頻率中,有可能只含有電抗性的元件,使得在該頻率產生插入的增益,特別是那些連接的電路,其等效電路是由電抗所主導的。 4.2.2 量測方法
7、 量測方法分成兩類,第一類方法的目的在測得最差情況之特性值,而第二類方法則採用較簡單的近似法。 4.2.2.1 最差情況的量測方法 這裡描述兩種不同的方式,第一種方式是在量測時,將其負載阻抗在串聯的有效電阻值與電抗值內變動,一直試到獲得最小的衰減值為止,而第二 4 CNS 14672 , C 6422 種方式則是使用一種準分析的方法 (quasi-analytic method)。 4.2.2.1 a) 阻抗變動法 (本標準暫不予以規定 ) 4.2.2.1 b) 準分析法 A 準分析法的理論 考慮下列的電路: 其戴維寧等效電路如下: 在要求的頻率範圍內,針對濾波器做兩項量測,則可以得每一頻率的
8、最小電壓衰減值: 1) 戴維寧阻抗,這是在輸入端短路時濾波器負載端的阻抗;以及 2) 轉換阻抗,這是輸入電壓與負載端短路電流的比值。 從這兩項量測當中,最小的電壓衰減 ( Vmin)(也就是輸入對輸出的電壓比 )可由下面公式獲得: Vmin. = 20 log10(Zo x go) dB 式中, Zo 是轉換阻抗,單位為歐姆()。 siemens XRRg220+= 式中, (R + jX)是戴維寧阻抗。 5 CNS 14672 , C 6422 B. 量測方法 圖 1a 說明轉換阻抗的量測方法,最好用一台低輸出阻抗的信號產生器接到濾波器電路的輸入端,並用一台電壓表來加以監測,再將濾波器電路的
9、輸出端加以短路,以電流探針(一般來說就是射頻電流變壓器)來量測短路時的電流,這是計算轉換阻抗所必需的參數。 量測濾波器電路之戴維寧阻抗時,須採用圖 1b 的電路圖,這種方式除了使用相同的儀器以外,還增加一個射頻的阻抗電橋,在此種狀況下,信號產生器變成是電橋能量的來源,而 偵測器就變成量測儀器。 C. 誤差的來源 轉換阻抗 在這種量測過程中,輸入電壓的誤差可確知在 3%以內,接收到的電流誤差會在 15%以內,因此以 dB 來表示時,總共的誤差不會超過 1.5 dB。 另一個較大的誤差來源,則是無法在高頻時建立短路的電路,因為這條短路的電路必需長到足以容納電流探針;此外電流探針也會為短路電路帶來一
10、些反射的阻抗,除非是非常小心,否則這些阻抗是不可忽視的。 但很幸運的,這些誤差來源並不是很嚴重的,原因如下: 在接近一般濾波器的截止頻率時(也就是 fc = 50 kHz),短路的阻抗很低,而且量測上只有 1.5 dB 的誤差,當頻率高於截止頻率很多時,短路的阻抗就會增加了;在圖 2 的典型電路中,假設頻率在 10 MHz 時有 20這麼大,則這個頻率下的電感感抗大約是 2000 ,因此所引發的誤差將會小於 10 dB,但在發生這種情況時的頻率,已經是截止頻率的許多倍了,以圖 2 的電路來看,理論上最小的衰減值都是 100 dB 左右的等級;所以在任何情況下,插入電流探針所增加的電感,與電路接
11、線的電感比較起來,就並不算大了。 事實上,在頻率高於截止頻率非常多的情況下,能否精確地量測濾波特性,反而是取決於能否偵測到接收電流的能力。 戴維寧阻抗 電橋的準確性約在 3%,而其他可能的誤差來源則是接到發送端 P 的短路電路,但不同於轉換阻抗的量測,這裡的短路電路可以做得相 6 CNS 14672 , C 6422 當短,因為不必插入電流探針,而且濾波器還可以製成真實的短路現象。 電磁場的洩漏 就像前面所說的,這是用電流探針所感應到的電壓來決定接收到的電流,此一電壓在數 MHz 的低頻下,只是數的等級,此一等級的信號就像短路電路中電流所引發之雜散磁場所感應到的電壓。 圖 3. 是一種降低雜散
12、電磁場效應的量測方法,這種方法在數拾 MHz的頻率以下,已被證實是相當有效的,濾波 器要裝在銅製的盒子裡,這樣一來濾波器的輸出端就剛好可以伸進銅盒裡,短路的電路也是做在銅盒子裡面,同時電流探針剛好以短路電路當軸心,在這種狀況下,射頻電流流入濾波器表面屏蔽層的影響就會降至最低,但仍要對銅盒子做進一步的屏蔽,這樣才能將待測的濾波器圍好,假如能將所有的這些設施都安裝在接地平面上,則在電流探針附近就不會有任何重要的雜散電磁場存在。 D. 量測方法的限制 此量測方法大部分都受到頻率方面的限制,尤其是在量測轉換阻抗的時候。 由於此種方法要將電壓表連接到衰減器的輸入端,所以會有一個限制的頻率出現,而不能將連
13、接的距離認為小到可以忽視,因此在部分VHF 的頻帶,以及在 VHF 以上的頻帶,所量測的電壓將因駐波的關係而無法應用在抑制元件上。 這種方法被視為僅適用到 100 MHz 為止,因此已發展出另一種方法來量測濾波器更高頻率的最小衰減量,這種方法將是其他文件的主題。 而實際上,在達到 100 MHz 以前,有許多的濾波器由於信號遠低於量測儀器的電子雜訊,所以根本不可能量測到所接收的電流量。 4.2.2.2 量測電源濾波器的近似法 A. 說明 7 CNS 14672 , C 6422 這種量測方法,適用於電源線的濾波器,此方法並不量測 50 /50 (或 75/75)的系統的插入損失,而是在 0.1
14、 /100 (以及逆向)的系統量測濾波器,在 1kHz 到 300 kHz 之間的頻率範圍內,需要使用 2 個寬頻的變壓器(就 50 的系統來說,是 1.4: 1 和 22: 1)。 8 CNS 14672 , C 6422 圖 1 量測配置 圖 1a 轉換阻抗的量測 圖 1b 戴維寧 (Thevenin)阻抗的量測 備考:使用負載電流或電壓量測時,參考附錄 A。 圖 2 含有阻尼電阻之濾波器的電路 9 CNS 14672 , C 6422 10 CNS 14672 , C 6422 B 量測方法的原理 在實際使用中,當無法確定電路的介接阻抗時,此量測方法針對濾波器 1) 在其規定的抑止頻帶內
15、,可以對其插入損失的特性,做很好且合理的預估;以及 2)在其通帶中,不會出現無法接受的振鈴波。 此方法會考慮各種實際的電路邊界條件,此為(信號源和負載)的統計資料,以經驗所建立的阻抗來代表。 從不相匹配的濾波器來做理論分析後,可以看出兩個明顯的問題來: 1) 通帶以及過渡頻帶的振鈴波,這是由兩種不同用意的機構所產生的: a) 兩者間的共振 (濾波器與信號產生器的共振,與濾波器及 /或負載阻抗的電抗分量之共振 ):但很幸運的是,在真實的電路中,這種共振會受到很大的抑制,因為等效電路的 Q 值很低。(在共模電路時會發生例外,但這種情形可以很容易解決) b) 明顯的振鈴波可以歸因於濾波器的本質( E
16、IGEN(1))共振,只有在介接阻抗非常高,而其他阻抗遠低於濾波器特性阻抗時,才會發生嚴重的本質共振,這時候濾波器本身會顯現高的 Q 值,而產生高達 30 dB 的插入增益 (剛好是插入損失的相反 ),這種現象會出現在 0.1/100 (及其反向)的系統,在這種情形下,可針對濾波器做適當的設計來加以消除。 註 (1):這種情形發生在任何有效的 0 或 的終接組合上。 2). 在抑止頻帶的較低頻部分,其特性不良;通常而言,如這類低通的電源濾波器,在抑止頻帶較低頻部分,阻抗不匹配的影響是最嚴重的,此處的 0.1/100(及其反向)的量測方法,對任何 濾波器而言,所鑑定出的性能與用 50系統所量測的
17、結果會有很大的差別;在本文中必然也會提到多級的濾波器(分割的濾波器),它不僅在阻抗不匹配方面比單級濾波器好,而且體積小很多,也比較經濟。 (詳細內容請閱下列參考資料 ) 參考資料: H. M. Schlicke: Assuredly effective filters, IEEE Transactions on EMC, Vol. EMC-18. pp. 106-110, Aug. 1976. 11 CNS 14672 , C 6422 3) 量測方法: 依照下列的電路加以測試 此外,在測試時,變壓器不僅要交互變換位置而且還要更換其方向,且必需是寬頻的變壓器(陶鐵),其頻率要超過 1 kHz
18、到 300 kHz的範圍,對於 75的系統,變壓器的比例則為 27: 1 和 1.15: 1。 備考:當儀器有足夠的靈敏度時,也許可能直接使用測試電路而不必使用變壓器,但該測試電路需能提供所要的終接阻抗。 在 1 kHz 到 100 kHz 的頻率範圍內,一個符合要求的濾波器,任何頻率的最大插入增益必需低於 10 dB,在抑止頻帶的頻率範圍內,其插入損失的偏差,不能超過規定值的 10 dB。 4.3 在實際安裝場合測試的方法 在特殊的應用情形下,要以正常的使用狀況來量測濾波器的抑制特性。 評估插入損失時,則要在沒有濾波器的情形下量測特定裝置的干擾位準,然後再量測有濾波器時的干擾位準。 4.4
19、建置模型的量測方法 在一個模擬真實干擾源的電路上,量測濾波器的抑制特性。 無法在實際使用中做測量的情況下才使用這種方法,到目前為止,這種方法只用在點火系統的高壓電路中,做為抑制元件的特性研究,這種特殊的應用,說明於 C.I.S.P.R 第 37/1 號報告 (CNS 14434車輛、船舶和由火花點火引擎驅動的裝置之無線電擾動特性限制值與量測方法 )。 5. 安裝配置 待測的濾波器或元件,必需安裝在一個適當的測試盒內,除非有其他測試配置的規定,如第 4.3 節和第 4.4 節等,或是使用者、製造者或是測試主管當局有特殊的應用,否則測試盒都必需遵守下列所述的方法。 5.1 測試盒的結構 當干擾抑制
20、元件和濾波器的輸入、輸出端本身沒有屏蔽和沒有同軸插座的情況下,要將它放在測試盒內做量測,測試盒的尺寸係依這些待測物品的大小而定 12 CNS 14672 , C 6422 (例如長 l,高 h,寬 w),這種測試盒要用非磁性金屬來製作,而且要有蓋子,測試盒是用來量測有貫穿電容器和有安裝外緣的濾波器,因此必需有內隔板,並有挖孔以便固定電容器和濾波器,在測試盒的個別組件之間,都需有可靠的電氣接觸,測試盒外殼的組件要用銲接或以無縫式的方法熔接起來,蓋子和外殼之間要用接觸彈片或用螺絲接合在一起,在量測同軸的貫穿電容器和濾波器時,要特別確保蓋子的整體邊緣和外殼的接合外緣做良好的接觸。 盒子的兩面外殼要安
21、裝同軸的插座。 5.2 測試盒內干擾抑制元件的安裝 下面的各種電路提到最常見的各種配置,如有未包含在這些配置的案例,則要選擇一個最接近其使用的配置方式來加以安裝。 5.2.1 電容器和濾波器 5.2.1.1 非貫穿式的電容器和多端點的濾波器 具有雙線終接的電容器,必需依圖 4a 來組合,除非有其他規定,每一條裸線的長度為 6 mm,絕緣線的長度為 50 mm。 用其他線材終接的電容器則要依圖 4b 和 4c 來組裝。 有一端連接到屏蔽盒的電容器,則要依圖 4c 組裝。 型電容器要依圖 4d 安裝,對照附錄 A 第 A1.5 節,使用其中的 3 端子 (如圖中之編號 2),在對稱測試時,不必連接
22、沒有使用的接點;但在異對稱的測試時,要將這些未使用的接點用 Zo/2 的阻抗連接起來,( Zo 是測試電路的阻抗),至於 4 端的濾波器則要依圖 4d 安裝。 5.2.1.2 貫穿電容器和 LC 濾波器 帶有固定凸緣的同軸電容器和 LC 濾波器,要依圖 5a 來固定。 非凸緣固定方式的 LC 濾波器和同軸或非同軸的貫穿電容器,要以圖 5b 的方式來固定,帶有屏蔽導線的濾波器則要依圖 5c 的方式固定。 假如是透過一條接線來連接到主端點,則這條接線必需是原來所使用的長度,而且要以直線的方式配置,至於其他類型的端子,則要用線連接到金屬板上,此一接線要越短越好但要能符合實際的使用。 至於具有 4 個
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