峰值射頻功率量測技術在 EMC 耐受性測試的關鍵應用

現代數位設備的複雜性日益提升，使得 電磁干擾/電磁相容性 (EMI/EMC) 耐受性測試 的重要性與日俱增，此類測試的目標在於確保電子設備在各種電磁環境下仍能正常運作，對於汽車電子、航太國防、醫療設備及通訊產業等高度依賴電子系統穩定性的領域尤其關鍵，若系統因電磁干擾而發生故障，可能導致嚴重的安全問題或巨大的經濟損失。

為了規範並標準化相關測試，眾多 EMC 標準應運而生，包括 MILSTD-461 (美國軍用標準)、IEC 61000 (國際電工委員會標準)、ISO 11451 Automotive (國際標準化組織)、EN 50 (歐洲標準)，以及 FCC part 15 (美國聯邦通訊委員會法規) 等，這些標準為 EMC 與 EMI 的測試方法學提供了具體的指導方針；早期的標準主要求使用 連續波 (CW) 載波，或具有恆定調變的單頻訊號作為干擾測試訊號，然而，隨著技術的演進，真實世界的電磁環境變得更加複雜。

於 2010 年 1 月，國際電工委員會 (IEC) 核准了 IEC 61000-4-4-am1 (ed. 2) 修正案，允許對設備使用叢訊測試 (burst testing)，此修正案 1 定義了 100kHz 的脈衝 (突波頻率)，而第 2 版則要求使用傳統的 5kHz 突波或新的 100kHz 突波頻率進行叢訊測試，此叢訊測試能夠更有效地模擬由基地台通訊放大器和地面雷達天線等設備所發出的真實世界射頻干擾；本文將深入探討如何運用峰值功率感測器取代傳統場強探棒中的平均二極體偵測器，以精確量測脈衝功率、顯著改善測試的重複性，並擴大功率量測的動態範圍。

歷史背景回顧：電磁干擾的演進與挑戰

在十九世紀晚期之前，主要的電磁干擾源為自然現象，如雷擊和太陽黑子，但隨著二十世紀初期電力和無線電設備的普及，全球各地電力驅動設備和相互競爭的無線電發射塔產生了第一批人為的干擾形式，這種競爭促使了如 FCC (美國聯邦通訊委員會) 等國際監管機構的成立。這一趨勢在 1940 年代隨著高功率工業開關設備的採用而持續，這些設備曾導致煤礦爆炸、汽車和飛機加油站火災，以及電網中斷等嚴重事故。

在 1950 年代和 60 年代，FCC 分配了 ISM (工業、科學及醫療) 未授權頻段，允許產生相對較高功率的射頻訊號，由於這些頻段的輻射不受控制，因側頻 (sideband) 諧波和寬頻輻射而產生了各種干擾問題，這些干擾的影響促使了制定新標準和法律來規範此類輻射的需求。

隨著 1970 年代數位電路的出現，更快的切換速度增加了輻射，而更低的電路電壓需求則增加了設備的耐受性問題。1980 年代，行動通訊和廣播媒體頻道的日益普及對可用頻譜空間造成了壓力，更小頻段分配的監管要求，對 EMC 設計方法提出了日益複雜的需求。儘管數位訊號通常比類比系統較不易受到干擾，但其在較低功率水平下運作會降低部分抗擾性，因而需要進行日益複雜的 EMC/EMI 測試。

圖 1. 電磁耦合路徑

電磁相容性 (EMC) 深入解析

電磁相容性 (EMC) 是電機科學的一個分支，專門研究由電磁干擾 (EMI) 所引起的電磁能量的無意產生、傳播和接收，輻射 (Emission) 是指由一個來源產生的、可能耦合到其他設備的不良電磁能量，而耐受性 (Susceptibility) 或免疫力 (Immunity) 則是指電子設備（稱為受擾設備）在附近存在輻射或其他電磁干擾訊號的情況下，無法或能夠正確運作的能力，電磁相容性是透過處理電子設備的輻射和耐受性兩方面來實現的。

圖 1 中的圖表顯示了四種不同的電磁耦合類型：輻射耦合 (radiative)、感應耦合 (inductive)、電容耦合 (capacitive) 和傳導耦合 (conductive)，本文主要討論的耦合類型為輻射耦合，其中訊號以電磁波的形式在空間中輻射，干擾源和受擾設備之間沒有實體連接或耦合。抗擾度測試的目的是模擬真實世界射頻干擾對您的電子設備或系統的影響，一個例子是汽車 CANBUS 系統，用於機動車輛中電子子系統之間的有線數位通訊，這些系統通常用於監控和控制車輛的重要性能和安全參數，包括引擎運作、煞車以及轉向/穩定系統，它們在所有電氣干擾條件下正確運作的能力對乘客安全至關重要。嚴格的 RF 抗擾度已成為汽車設計過程以及大多數其他任何故障都可能導致人員傷亡或財產損失的系統的強制性組成部分，抗擾度測試通常在大型電波暗室 (anechoic chamber) 中進行，以便在測試「待測物」時隔離外部射頻干擾，測試的一項重要要求是施加一個具有精確已知振幅的模擬干擾訊號，射頻場強通常在測試期間或測試之前使用以下兩種測試技術之一進行量測和特性化：閉迴路法 (closed-loop method) 或替代法 (substitution method)，雖然每種方法各有優點，但執行測試所依據的 IEC 標準通常會決定必須使用哪種方法來量測儀器的訊號振幅。

測試解決方案：運用先進射頻功率量測技術提升 EMC 測試精度

閉迴路法 (The Closed Loop Method)

閉迴路法要求在耐受性測試期間，將一個射頻場強探棒放置在待測物的前方或頂部（參見圖2 中的方塊圖），訊號產生器的輸出功率會在測試頻段的每個指定頻率步階進行調整，以在電波暗室中達到所需的射頻場強。「探棒」一詞可以有兩種含義，其一是測試室內的場強探棒組件，其二是平均二極體偵測電路的常用術語，就本次討論而言，平均二極體偵測器是場強探棒組件的一部分，透過同軸電纜量測射頻功率。

傳統場強探棒中的平均二極體偵測器無法準確量測調變射頻訊號的場強，因此必須對探棒讀數應用校正因子，以考量訊號的動態行為，雖然可以使用 CW 訊號來估計所傳輸的功率，但必須應用額外的校正因子來解釋實際測試期間施加的調變，這種校正對於簡單的 AM 調變尚可應付，但對於當今測試標準所要求的窄工作週期脈衝而言，其準確性往往不足。 為解決此問題，可以將簡單的二極體偵測器替換為峰值功率感測器，例如與 Boonton 4500C RF 峰值功率分析儀 或 PMX40 RF 功率計（需搭配合適的峰值功率感測器）搭配使用，即使在存在調變的情況下，也能準確量測干擾訊號的真實振幅，峰值功率感測器可以追蹤訊號的功率封包 (envelope)，並提供真實的平均功率和峰值功率，前提是封包頻寬保持在感測器和功率計的最大影像頻寬 (Video Bandwidth) 額定範圍內。優良的峰值功率感測器具備溫度補償功能並經過線性化處理，以擴展其動態範圍，相較於使用平均響應二極體感測器量測脈衝或調變干擾訊號時需要計算峰值功率值，峰值功率感測器則免除了此需求。在調變波形複雜或具有窄工作週期脈衝的情況下，峰值功率感測器是一個極具價值的工具，能夠準確量測這些波形的峰值功率，而非依賴傳統二極體感測器進行估算與計算。

圖 2. 閉迴路法方塊圖
 

圖 3. 替代法方塊圖
 

替代法 (The Substitution Method)

替代法則是在將待測物放入電波暗室之前，使用射頻場強探棒來特性化和校準室內的射頻場強（參見圖 3 中的方塊圖），針對頻段內的每個頻率步階調整場強後，再將待測物放置於測試環境中，此方法在測試期間不需要進行場強監測，並且為某些 EMC 測試標準所參考，儘管並非強制要求，但通常在測試運行期間仍會使用探棒來監測射頻場強，這種直接的回饋有助於確保良好的系統性能。

峰值功率量測技術為 EMC 測試帶來的革新與效益

無論是閉迴路法還是替代法，均採用高功率訊號產生器連接至輻射天線，以便在測試待測物時進行可重複的射頻訊號傳輸，閉迴路法在測試過程中需要場強探棒的持續參與，而替代法僅指出可使用探棒來提升量測品質。
然而，在任何一種情況下，特別是針對最新的脈衝干擾標準進行測試時，採用經過校準的峰值功率感測器 (例如與 Boonton 4500C RF 峰值功率分析儀 或 PMX40 RF 功率計 搭配) 都比傳統的平均二極體偵測器更具優勢，這不僅免除了繁瑣的峰值計算、調變校正因子的應用，以及與平均二極體偵測器相關的溫度補償問題，更重要的是，峰值功率感測器能夠同時提供干擾功率的峰值和平均量測值，這使得測試結果能夠與現有的平均量測資料進行關聯比對，同時為最新的脈衝干擾標準提供更為精確的數值。
準確掌握峰值功率值，對於評估待測物是否確實承受了必要的干擾等級至關重要，從而確保其在各種複雜電磁環境中的可靠運作，因此，導入先進的峰值功率量測方案，例如使用 Boonton 4500C RF 峰值功率分析儀，是提升 EMC 測試準確性與效率、確保現代電子設備安全與性能的關鍵策略。