Phép đo phát xạ trả lời câu hỏi “thiết bị của tôi có làm phiền người khác không”. Phép đo miễn nhiễm bức xạ trả lời câu hỏi ngược lại, và khó hơn nhiều: thiết bị của tôi có còn chạy đúng khi bị dìm trong một trường điện từ mạnh không. Khó hơn vì lần này phòng thử không chỉ đo, mà phải tạo ra một trường điện từ có cường độ biết trước và đủ đồng đều trên toàn bộ mặt trước của thiết bị. Bài viết đi qua các yêu cầu định lượng của IEC 61000-4-3 — tiêu chuẩn nền cho phép thử này — và chuỗi thiết bị cần để đáp ứng.
Đo miễn nhiễm bức xạ khác đo phát xạ ở chỗ nào
Trong phép đo phát xạ, thiết bị cần đo là nguồn tín hiệu và máy thu đo là dụng cụ thụ động; sai số chủ yếu nằm ở hệ số ăng ten và suy hao cáp. Trong phép đo miễn nhiễm, vai trò đảo ngược: phòng thử là nguồn phát, còn thiết bị cần đo là đối tượng bị chiếu xạ. Đại lượng phải kiểm soát không còn là mức tín hiệu thu được, mà là cường độ trường tại vị trí thiết bị — một đại lượng không đo trực tiếp được bằng máy thu, và phụ thuộc mạnh vào hình học phòng, phản xạ và đặc tính ăng ten.
Vì vậy toàn bộ độ tin cậy của phép thử nằm ở một bước làm trước khi thiết bị cần đo được đưa vào phòng: hiệu chuẩn trường đồng nhất. Nếu bạn quen với phía phát xạ, bài đo EMI/EMC theo CISPR: nhiễu dẫn, nhiễu bức xạ và bộ tách sóng là phần bổ trợ tự nhiên cho bài này.
Về buồng đo, IEC 61000-4-3 định nghĩa rõ ba biến thể: buồng câm là vỏ bọc chắn có lót vật liệu hấp thụ tần số vô tuyến để giảm phản xạ từ các bề mặt bên trong; buồng câm hoàn toàn là buồng có toàn bộ bề mặt bên trong lót vật liệu hấp thụ; và buồng bán câm (thường gọi phòng bán dội) là buồng có mọi bề mặt bên trong phủ vật liệu hấp thụ, trừ sàn phải phản xạ và đóng vai trò mặt phẳng đất. Biến thể thứ ba có thêm hấp thụ đặt trên mặt phẳng đất được gọi là buồng bán câm cải tiến.
Mức thử và dải tần theo IEC 61000-4-3
Bảng 1 của tiêu chuẩn quy định các mức thử theo cường độ trường, tính bằng V/m: mức 1 là 1 V/m, mức 2 là 3 V/m, mức 3 là 10 V/m, mức 4 là 30 V/m. Ngoài ra còn mức “x” là mức mở, cường độ trường có thể là giá trị bất kỳ do tiêu chuẩn sản phẩm quy định.
Một điểm rất dễ hiểu sai: cột cường độ trường trong bảng là giá trị của sóng mang chưa điều chế. Khi thử thiết bị, sóng mang này được điều chế biên độ 80 % bằng sóng sin 1 kHz để mô phỏng mối đe doạ thực tế. Nghĩa là mức 3 (10 V/m) không có nghĩa đỉnh trường là 10 V/m khi thử — bộ khuếch đại phải dư công suất để cõng phần điều chế.
Về dải tần, tiêu chuẩn tách hai nhóm mục đích. Với mục đích chung, phép thử thường được thực hiện liên tục không có khoảng trống trong dải 80 MHz đến 1000 MHz. Với mục đích bảo vệ trước phát xạ từ điện thoại vô tuyến số và các thiết bị phát RF chủ ý khác, phép thử thường thực hiện trong các dải 800 MHz đến 960 MHz và 1,4 GHz đến 6,0 GHz. Tiêu chuẩn nói rõ rằng không có ý định phải thử liên tục trên toàn dải từ 1,4 GHz đến 6 GHz — chỉ những băng tần mà điện thoại di động và thiết bị phát chủ ý thực sự hoạt động mới cần thử, và nếu sản phẩm chỉ nhắm thị trường một số quốc gia, dải 1,4–6 GHz có thể thu hẹp về đúng các băng được cấp phép ở đó, với điều kiện quyết định thu hẹp phải được ghi trong báo cáo thử nghiệm.
Hiệu chuẩn trường đồng nhất: 16 điểm và tiêu chí 0/+6 dB
Vùng trường đồng nhất (UFA) là mặt phẳng đứng giả định nơi biến thiên của trường được giữ ở mức tối thiểu. Kích thước quy định: trừ khi thiết bị và dây dẫn của nó được chiếu xạ trọn vẹn trong một mặt nhỏ hơn, UFA có kích thước ít nhất 1,5 m × 1,5 m với cạnh dưới đặt ở độ cao 0,8 m so với sàn. Kích thước UFA không được nhỏ hơn 0,5 m × 0,5 m.
Tiêu chí đồng nhất là phần cốt lõi. Trường đo tại các điểm lưới phải nằm trong khoảng dung sai từ 0 dB đến +6 dB so với giá trị danh định, tại không dưới 75 % tổng số điểm lưới — ví dụ ít nhất 12 trong 16 điểm của một UFA 1,5 m × 1,5 m phải đạt. Với UFA tối thiểu 0,5 m × 0,5 m, cả bốn điểm lưới đều phải nằm trong dung sai. Tiêu chuẩn cũng lưu ý rằng ở các tần số khác nhau, tập điểm đạt yêu cầu có thể khác nhau.
Dung sai được biểu diễn dạng bất đối xứng 0/+6 dB, chứ không phải ±3 dB, nhằm bảo đảm cường độ trường không bao giờ tụt xuống dưới giá trị danh định. Nói cách khác: thử dư còn chấp nhận được, thử thiếu thì không.
Về hình học, ăng ten phát phải đặt đủ xa để UFA nằm trọn trong búp sóng; cảm biến trường phải cách ăng ten phát ít nhất 1 m; và khoảng cách 3 m giữa ăng ten và UFA là khoảng cách được ưu tiên. Khoảng cách này đo từ tâm ăng ten biconical, từ mũi trước của ăng ten log-periodic hoặc ăng ten tổ hợp, hoặc từ mép trước của ăng ten horn/ống dẫn sóng gờ kép. Khoảng cách đã dùng phải được ghi trong cả hồ sơ hiệu chuẩn lẫn báo cáo thử.
Tiêu chuẩn mô tả hai phương pháp hiệu chuẩn cho cùng một UFA 16 điểm và coi chúng cho kết quả đồng nhất tương đương. Phương pháp cường độ trường không đổi: đặt cảm biến lần lượt tại từng điểm trong 16 điểm, chỉnh công suất tới sao cho cường độ trường bằng giá trị hiệu chuẩn Ec, rồi ghi lại công suất tới theo dBm cho từng điểm. Phương pháp công suất không đổi: xác định công suất tới cần thiết tại vị trí xuất phát, rồi áp đúng công suất đó cho cả 16 vị trí và ghi lại cường độ trường tạo ra ở mỗi điểm. Cả hai đều phải thực hiện ở cả phân cực ngang lẫn phân cực đứng.
Chuỗi thiết bị tạo trường và bẫy bão hoà bộ khuếch đại
Chuỗi phát gồm bốn mắt xích: máy phát tín hiệu RF, bộ khuếch đại công suất, ăng ten phát và cảm biến trường đẳng hướng có liên kết quang tới bộ chỉ thị.
Yêu cầu với máy phát tín hiệu cho EMC rất cụ thể: phải phủ được băng tần quan tâm, phải điều chế biên độ được bằng sóng sin 1 kHz với độ sâu điều chế 80 %, và phải hoặc điều khiển bằng tay được tần số, biên độ, chỉ số điều chế, hoặc — với bộ tổng hợp tần số — lập trình được bước tần và thời gian dừng phụ thuộc tần số. Có thể cần thêm bộ lọc thông thấp hoặc thông dải để tránh vấn đề do sóng hài.
Yêu cầu với bộ khuếch đại là chỗ hay bị bỏ sót nhất. Sóng hài do bộ khuếch đại sinh ra phải sao cho cường độ trường đo được trong UFA tại mỗi tần số hài thấp hơn ít nhất 6 dB so với tần số cơ bản. Kèm theo, tiêu chuẩn nhắc ở mỗi tần số phải bảo đảm bộ khuếch đại không bị bão hoà — cách tốt nhất là kiểm tra điểm nén 1 dB của bộ khuếch đại, lưu ý rằng điểm nén 1 dB được kiểm chứng với tải 50 Ω trong khi trở kháng ăng ten dùng cho phép thử có thể khác 50 Ω; độ bão hoà của cả hệ thống thử được bảo đảm bằng việc xác nhận điểm nén 2 dB.
Đây là nguyên nhân gốc của một dạng sai số âm thầm: bộ khuếch đại chạy sát bão hoà vẫn tạo ra đủ cường độ trường ở tần số cơ bản, nên phép hiệu chuẩn vẫn “đạt”, nhưng năng lượng thực tế đổ vào thiết bị cần đo lại phân bố sang các hài. Thiết bị có thể trượt hoặc đạt vì lý do không liên quan gì tới tần số đang ghi trong báo cáo.
Quy trình quét: bước 1 % và thời gian dừng 0,5 s
Khi dải tần được quét theo bước, kích thước bước không được vượt quá 1 % giá trị tần số liền trước. Đây là bước nhân chứ không phải bước cộng: từ 80 MHz lên 1 GHz theo bước 1 % cần khoảng 254 điểm tần số cho mỗi phân cực.
Thời gian dừng của sóng mang đã điều chế tại mỗi tần số không được nhỏ hơn thời gian cần thiết để thiết bị được vận hành và phản hồi, và trong mọi trường hợp không được nhỏ hơn 0,5 s. Các tần số nhạy cảm — ví dụ tần số xung nhịp — phải được phân tích riêng theo yêu cầu của tiêu chuẩn sản phẩm.
Hai con số này nhân lên thành ngân sách thời gian thật: 254 điểm × 0,5 s × 2 phân cực × 4 mặt của thiết bị đã là hơn 17 phút phát thuần tuý, chưa kể thời gian thiết bị phản hồi và thời gian xoay bàn. Nếu thiết bị của bạn cần vài giây mới thể hiện sự cố, thời gian dừng phải tăng theo và tổng thời lượng phép thử tăng tương ứng — đây là lý do nên xác định trước thời gian phản hồi thực tế thay vì mặc định lấy 0,5 s.
Về bố trí, thiết bị để bàn được đặt trên bàn không dẫn điện cao 0,8 m. Thiết bị đặt sàn được kê trên giá đỡ không dẫn điện cao 0,05 m đến 0,15 m, và giá đỡ phải không dẫn điện toàn khối chứ không phải lớp phủ cách điện bọc ngoài kết cấu kim loại. Phép thử thường được thực hiện với ăng ten phát hướng vào từng mặt của thiết bị.
Chọn thiết bị Keysight cho phòng EMC
Với vai trò nguồn phát trong chuỗi tạo trường, máy phát tín hiệu vector Keysight N5182B có dải tần 9 kHz–6 GHz — phủ trọn cả dải mục đích chung 80 MHz–1 GHz lẫn dải 1,4–6 GHz dành cho bảo vệ trước phát xạ điện thoại số. Băng thông điều chế tới 160 MHz vượt xa nhu cầu điều chế AM 1 kHz của phép thử miễn nhiễm cơ bản, nhưng chính phần dư đó cho phép cùng một máy phục vụ các phép thử miễn nhiễm dùng dạng sóng điều chế thực của hệ thống vô tuyến. Máy hỗ trợ Signal Studio và giao tiếp LAN, USB, GPIB để ghép vào phần mềm điều khiển phòng thử.
Ở phía đo phát xạ — phần việc song hành trong cùng một phòng EMC — máy thu đo EMI MXE Keysight N9038B có dải tần 3 Hz–44 GHz, tuân thủ CISPR 16-1-1:2019 và MIL-STD-461G, băng thông phân tích tới 160 MHz và nhiễu pha −114 dBc/Hz tại offset 10 kHz (sóng mang 1 GHz). Với phòng cần năng lực chẩn đoán rộng hơn, máy thu đo EMI PXE Keysight N9048B phủ 1 Hz–44 GHz với tuân thủ CISPR đầy đủ, kết hợp đo và chẩn đoán EMI phục vụ chứng nhận. Kiến trúc máy thu và các chế độ quét theo CISPR 16 được phân tích chi tiết trong bài máy thu đo EMI: kiến trúc và chế độ quét.
Kết luận
Chất lượng của một phép thử miễn nhiễm được quyết định gần như trọn vẹn ở khâu hiệu chuẩn trường đồng nhất, trước khi thiết bị cần đo bước vào phòng. Bốn con số nên thuộc lòng: dung sai 0/+6 dB tại tối thiểu 75 % điểm lưới, UFA 1,5 m × 1,5 m với cạnh dưới ở 0,8 m, bước quét không quá 1 % tần số liền trước, và thời gian dừng không dưới 0,5 s. Cộng thêm một kiểm tra thường bị quên: hài của bộ khuếch đại phải thấp hơn cơ bản ít nhất 6 dB đo ngay trong UFA.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, có phòng thí nghiệm hiệu chuẩn đạt ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình thiết bị cho phòng EMC hoặc đặt lịch hiệu chuẩn máy phát tín hiệu và máy thu đo EMI, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
