Một sản phẩm trượt phép thử phát xạ bức xạ ở 240 MHz với mức vượt 3 dB. Nhóm thiết kế sửa layout, gửi lại mẫu, và lần này nó đạt — vẫn ở đúng tần số ấy, vẫn ở mức sát ngưỡng. Câu hỏi thật sự là: sản phẩm đã tốt lên, hay chỉ là hai lần đo khác nhau 3 dB vì lý do khác? Ở dải bất định điển hình của phép đo phát xạ bức xạ, đó là một câu hỏi nghiêm túc.
Bài viết đi qua ba trụ cột quyết định độ tin cậy của kết quả: máy thu đo và cấu hình theo CISPR, môi trường đo (phòng bán dội hay buồng GTEM), và chuỗi quy đổi từ số đọc trên máy sang cường độ trường thực tế.
Máy thu đo: CISPR 16-1-1 quy định những gì
CISPR 16-1-1 là tài liệu mô tả yêu cầu đối với máy thu đo EMI dùng cho đánh giá hợp chuẩn thương mại. Nó chia dải 9 kHz đến 18 GHz thành năm băng, mỗi băng gắn với một băng thông tham chiếu cố định:
- Băng A: 9 – 150 kHz, băng thông tham chiếu 200 Hz
- Băng B: 150 kHz – 30 MHz, băng thông 9 kHz
- Băng C: 30 – 300 MHz, băng thông 120 kHz
- Băng D: 300 MHz – 1 GHz, băng thông 120 kHz
- Băng E: 1 – 18 GHz, băng thông 1 MHz
Ba băng thông đầu được định nghĩa ở mức 6 dB và phải khớp một mặt nạ chọn lọc do CISPR quy định; riêng băng thông 1 MHz của băng E được định nghĩa theo băng thông xung. Đây là chi tiết hay bị bỏ qua khi người ta dùng máy phân tích phổ thông thường: đặt RBW 1 MHz trên máy phân tích phổ không tự động cho một băng thông xung 1 MHz hợp chuẩn.
CISPR 16-1-1 cũng quy định bốn bộ tách sóng: đỉnh (peak), tựa đỉnh (quasi-peak), trung bình EMI và trung bình RMS. Máy thu có thể có thêm các bộ tách sóng khác, nhưng chúng không nằm trong quy định của CISPR.
Ngoài băng thông và bộ tách sóng, máy thu còn phải đạt: độ chính xác biên độ trong phạm vi ±2 dB từ 9 kHz đến 1 GHz và ±2,5 dB từ trên 1 GHz đến 18 GHz; trở kháng vào 50 Ω với sai lệch quy định theo VSWR; khả năng chịu trường miễn nhiễm 3 V/m; và vượt qua phép thử xung CISPR.
Phương pháp đo mà CISPR khuyến nghị là quét bằng bộ tách sóng đỉnh trước — đây là bộ tách sóng cho thời gian quét nhanh nhất. Nếu mẫu thử đạt ngưỡng ngay với tách sóng đỉnh thì phép thử kết thúc; chỉ khi không đạt mới phải đo lại tại các tần số nghi vấn bằng tách sóng tựa đỉnh hoặc trung bình EMI. Kiến trúc máy thu và các chế độ quét được bàn kỹ hơn trong bài Máy thu đo EMI: kiến trúc máy thu và chế độ quét theo CISPR 16.
Hệ số ăng ten: chuỗi quy đổi từ số đọc sang cường độ trường
Máy thu chỉ biết một thứ: điện áp tại đầu nối của nó. Giới hạn phát xạ lại được biểu thị bằng cường độ trường, đơn vị dBµV/m. Cầu nối giữa hai đại lượng là hệ số ăng ten (antenna factor, AF), đơn vị dB/m.
Công thức quy đổi:
E (dBµV/m) = Số đọc máy thu (dBµV) + AF (dB/m) + Suy hao cáp (dB) − Độ lợi tiền khuếch đại (dB)
Ví dụ minh hoạ: số đọc 52,0 dBµV, hệ số ăng ten 7,4 dB, suy hao cáp 1,6 dB, độ lợi tiền khuếch đại 29 dB, cho cường độ trường 32 dBµV/m.
Ba điểm cần cẩn trọng với công thức này:
- AF phụ thuộc tần số và phải lấy từ chứng chỉ hiệu chuẩn của chính chiếc ăng ten đang dùng, nội suy theo tần số — không lấy giá trị danh nghĩa từ catalogue.
- Suy hao cáp cũng phụ thuộc tần số và tăng theo thời gian sử dụng. Cáp bị gập nhiều lần trong buồng đo là nguồn sai số âm thầm, nên đo lại suy hao cáp theo lịch định kỳ.
- Tiền khuếch đại phải tuyến tính tại mức tín hiệu đang đo. Nếu một sóng mang mạnh ngoài băng làm tiền khuếch đại bão hoà, mọi số đọc trong lần quét đó đều sai mà không có dấu hiệu cảnh báo nào trên màn hình.
Môi trường đo: phòng bán dội và buồng GTEM
Phòng bán dội
Phòng bán dội (semi-anechoic chamber) mô phỏng một bãi đo trống với mặt đất phản xạ: tường và trần phủ vật liệu hấp thụ, sàn để dẫn điện. Mẫu thử đặt trên bàn xoay, ăng ten quét độ cao để tìm cực đại do giao thoa giữa tia trực tiếp và tia phản xạ từ sàn.
Chất lượng phòng phải được kiểm chứng, và tiêu chí khác nhau theo dải tần. Dưới 1 GHz, việc kiểm chứng dùng phương pháp suy hao chuẩn hoá của bãi đo (NSA) trong dải 30 MHz đến 1 000 MHz; bản CISPR 16-1-4:2019 bổ sung chi tiết cho phương pháp NSA với ăng ten băng rộng. Trên 1 GHz, tiêu chí là tỉ số sóng đứng của bãi đo (SVSWR), với ngưỡng chấp nhận là SVSWR ≤ 2:1, tương đương ≤ 6,0 dB, cho dải 1 GHz đến 18 GHz. Bản 2019 cũng tính đến giản đồ bức xạ của ăng ten thu trong dải 1 đến 18 GHz.
Buồng GTEM
Buồng GTEM là một ống dẫn sóng điện từ ngang (TEM waveguide) hình chóp, kín, tạo trường TEM đồng nhất trong vùng làm việc. IEC 61000-4-20 là tiêu chuẩn quy định phương pháp thử phát xạ và miễn nhiễm dùng các loại ống dẫn sóng TEM, bao gồm cả cấu trúc hở như stripline và cấu trúc kín như buồng TEM.
Nguyên lý đo phát xạ trong GTEM khác hẳn phòng bán dội: mẫu thử được đo ở nhiều hướng đặt trực giao nhau, rồi một thuật toán tương quan chuyển tập số liệu ấy thành cường độ trường tương đương ở bãi đo trống hoặc trong không gian tự do. Phần mềm thương mại có sẵn thuật toán tương quan GTEM sang OATS này.
Ưu điểm của GTEM là chi phí và diện tích thấp hơn nhiều so với phòng bán dội, không cần bàn xoay và cột ăng ten, phép đo nhanh. Giới hạn là kích thước mẫu thử: mẫu phải nhỏ so với chiều cao vùng làm việc để trường còn coi là đồng nhất, nên GTEM phù hợp với mẫu nhỏ và vừa.
Về vai trò trong quy trình phát triển: GTEM là công cụ tuyệt vời để sàng lọc trước và để chẩn đoán trong giai đoạn thiết kế — phát hiện sớm một cộng hưởng ở 240 MHz rẻ hơn rất nhiều so với phát hiện nó ở phòng thử nghiệm hợp chuẩn. Còn phép thử cuối cùng phục vụ hồ sơ chứng nhận thì làm ở môi trường mà tiêu chuẩn sản phẩm chỉ định.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo phát xạ bức xạ
- Đo hợp chuẩn, cần máy thu tuân thủ CISPR 16-1-1: Keysight N9038B MXE, dải 3 Hz đến 44 GHz, tuân thủ CISPR 16-1-1:2019, MIL-STD-461G, ANSI C63.2 và FCC, đáp ứng hoặc vượt yêu cầu độ chính xác sóng sin của CISPR 16-1-1:2019 trong khoảng 15 đến 35 °C. Đây là lựa chọn cho phòng thử nghiệm phát hành báo cáo hợp chuẩn.
- Sàng lọc trước và chẩn đoán trong phòng thiết kế: Keysight N9010B EXA, dải 10 Hz đến 44 GHz, băng thông phân tích tới 40 MHz. Máy phân tích tín hiệu đa dụng cho phép quét nhanh tìm thủ phạm, dù kết quả không thay thế được báo cáo từ máy thu hợp chuẩn.
- Ngân sách gọn hơn cho công việc sàng lọc: Keysight N9000B CXA.
Một lời khuyên về quy trình: dù dùng máy nào để sàng lọc, hãy giữ cố định toàn bộ bố trí — vị trí mẫu, chiều dài và đường đi của cáp, cấu hình phần mềm — giữa các lần đo. Phần lớn những khác biệt 3 dB không giải thích được đều đến từ việc bố trí thay đổi giữa hai lần đo, chứ không từ bản thân sản phẩm.
Kết luận
Độ tin cậy của phép đo phát xạ bức xạ dựa trên ba chân kiềng: máy thu cấu hình đúng băng thông và bộ tách sóng theo băng tần CISPR, môi trường đo đã được kiểm chứng bằng NSA dưới 1 GHz và SVSWR trên 1 GHz, và chuỗi quy đổi hệ số ăng ten dùng số liệu hiệu chuẩn thật của đúng chiếc ăng ten và sợi cáp đang dùng. Buồng GTEM theo IEC 61000-4-20 là công cụ sàng lọc hiệu quả về chi phí cho mẫu nhỏ, nhưng cần hiểu đúng rằng kết quả của nó đến từ một thuật toán tương quan chứ không phải phép đo trực tiếp cường độ trường.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy thu đo EMI và máy phân tích tín hiệu. Để được tư vấn cấu hình hệ đo phát xạ hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, liên hệ hotline 0908 173 345.
