EMI接收机校准技术现状及发展趋势

马蔚宇 王书程

（1.北京无线电计量测试研究所，北京100039；2.中国人民解放军31649部队，广东汕尾516600）

1 引 言

电磁兼容性是复杂电子系统的一项重要指标，电磁兼容测试是其有效的评估手段。EMI接收机作为主要的电磁兼容测量设备，在传导和辐射干扰信号测量中，获取来自不同传感器的干扰信号场强、电压、电流及频率等信息。国家军用标准GJB 151B—2013中用于电子设备、分系统电磁兼容性测试的EMI接收机频率范围达到25Hz～40GHz，EMI接收机的校准一直是电磁兼容领域最受重视的校准技术。用于电磁兼容测试的EMI接收机，其性能要求的确定主要依据国际无线电干扰特别委员会（CISPR）制定的标准 CISPR 16-1-1《Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-Part 1-1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus-Measuring apparatus》（对应的国家标准为GB/T 6113.101《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第1-1部分：无线电骚扰和抗扰度测量设备 测量设备》），据此国家计量机构编制了JJF 1144—2006《电磁骚扰测量接收机校准规范》，给出针对9kHz～1GHz频段测量接收机的校准方法。2017年，针对军品电磁兼容测试用EMI接收机的校准需求，国防科技工业第二计量测试研究中心（简称二中心）编制了JJF(军工) 132—2017《EMI测量接收机校准规范》，以满足25Hz～40GHz频段军品电磁兼容测试量值溯源需求。上述标准的制定为电磁兼容测试准确性提供了技术保障。随着人们对电磁干扰快速测量和短时、偶发干扰信号测试的现实需求，出现了基于FFT时域扫描方法的新型EMI接收机，军用用频装备工作频率的提升也要求测量设备具有更高的频率测量能力，因此对EMI接收机校准技术提出新的挑战。本文以EMI接收机在军品电磁兼容测试领域应用为基础，开展校准技术发展趋势的分析和探讨，以期为校准规范的完善提供一定的技术支撑。

2 EMI接收机工作原理

2.1 工作原理

EMI接收机主要用于连续波、脉冲等电磁干扰信号的测量，是电磁兼容测试中非常重要的测量设备。在CISPR 16-1-1标准中定义的测量电磁干扰的接收机包括EMI接收机和频谱分析仪两种类型，统称为“测量接收机”［1］。常见的EMI接收机主要由输入衰减器、预选器、预放大器、本振、混频器、中频滤波器、中频放大器、包络检波器和输出指示等部分组成。

EMI接收机与频谱分析仪的不同之处是增加了预选器和预放大器，使EMI接收机利用准峰值检波器进行小于或等于20Hz的低重复频率脉冲测量时仍具有足够的动态范围。

为了测量干扰信号的各种幅值特性，需要利用不同的检波器对信号进行处理。EMI接收机中峰值、准峰值、平均值和均方根值检波器的基本电路形式是一样的，如图2所示。

不同的检波器之间主要的区别是充、放电时间常数不同，所以其检波器响应也不同［3］。

1）峰值检波器

峰值检波器的作用是读取信号包络a（t）的最大值，其输出只取决于信号的幅度。为了能反映包络的最大值，充电必须足够快而放电必须足够慢，往往充放电时间常数比（Tc/Td）为几百万分之一。因此，充电电阻Rc要选得比较小，放电电阻Rd要选得比较大。峰值检波器是军品电磁发射测试要求的检波器，因为不少军用装备只要单次脉冲激励就可能造成误爆或数字设备的误动作。

图2 EMI接收机检波电路图Fig.2 Demodulation circuit diagram of EMI receiver

2）准峰值检波器

染色体的编码方式采用12位二进制编码(最高位权值为23,最低位权值为2-8),采用固定概率交叉和变异操作,交叉概率为0.9,变异概率为0.1。选择操作采用轮盘赌的方式。由于遗传算法是为了优化超参数,模型预测输出与训练样本所给输出越接近的染色体,其适应度应该越高。因此,本文考虑将均方误差用作适应度评价函数,如下所示:

准峰值检波器既能反映干扰信号的幅度，又能反映时间分布。因此，其充电时间常数比峰值检波器的大，而放电时间常数比峰值检波器的小，其充放电时间常数介于平均值和峰值之间，很适合电磁骚扰信号特性的测量，是CISPR标准推荐使用的检波器。

为了能反映信号的幅度和时间分布而又便于制造，该检波器不同的频段有不同的充放电时间常数。目前国际上主要按照CISPR 16-1-1标准设计制造检波器，这里所说的充放电时间常数Tc是检波器上加一个阶跃正弦信号，检波器输出电压自零上升到最终值的63%所需的时间，Tc≈4RcC。而放电时间常数是指检波器上去掉一个恒定的正弦信号，检波器输出电压下降到最初值的37%时所需的时间。

3）平均值检波器

4）均方根值检波器

针对某些电子元器件工作时发出的随机噪声，测量其峰值是无意义的，通常采用平均值和均方根值检波方式进行测量，在EMI测试中均方根值检波器用的最少。2016版的GB/T 6113.101中，该检波器变更为均方根值-平均值检波器，即在某个脉冲重复频率（称为转换频率）以上，检波器特性表现为均方根值检波器，在该脉冲重复频率以下，检波器特性表现为平均值检波器［4］。

2.2 EMI接收机在电磁兼容测试中的应用

EMI接收机是电磁兼容测试中必备的测量设备，因而对其性能要求十分严格，无论是通信、电力、家电或工业电子、电气设备等民用产品的电磁兼容性测试（简称民品电磁兼容测试），还是军用电子设备和系统的电磁兼容性测试（简称军品电磁兼容测试），均要求EMI接收机性能满足GB/T 6113.101（等同采用CISPR 16-1-1）的规定。

产品化的EMI接收机一般依测量频段分为不同型号，以便用户根据测试对象和测试标准要求选择合适的机型。不同型号的EMI接收机除频率范围不同外，其他功能类似，一般标配准峰值、平均值和峰值检波器、预选器、预放以及适合民品和军品测试的分辨带宽。民品和军品电子、电气产品的电磁兼容测试对EMI接收机的要求存在不少差别，例如，在测试频段方面，民品电磁骚扰的测试频段一般为150kHz～6GHz，军用设备、分系统的电磁发射测试频段较宽，一般为25Hz～40GHz，远大于民品电磁兼容测量频率范围。

在测量带宽方面，民品测试用6dB分辨带宽通常采用相关国家标准规定的200Hz、9kHz、120kHz形式［4］，而军品测试则采用相关国军标规定的10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz 和 1MHz 形 式。不同标准测量频段的划分与测量带宽的关系见表1和表2。

在检波方式方面，民品电磁兼容测试依据国家标准，如GB 9254主要采用准峰值和平均值检波方式获得电磁骚扰测量值并与相应的限值进行比较；而军品电磁兼容测试依据国军标，如GJB 151B，采用峰值检波方式进行电磁干扰信号测量，EMI接收机的峰值检波方式非常适合脉冲或脉冲调制干扰信号的测量，GJB 151B中给出的传导和辐射发射限值也是针对峰值检波方式下的接收机测量值制定的。

表1 国标电磁兼容测试频段和测量带宽Tab.1 EMC test frequency band and test bandwidth for GB standards

表2 军用标准电磁兼容测试频段和测量带宽Tab.2 EMC test frequency band and test bandwidth for GJB standards

GB/T 6113.101对EMI接收机的性能要求有8个方面，部分性能还给出允差范围，便于设备校准后的计量确认。主要性能要求包括：输入阻抗、基本特性（含带宽、充放电时间常数比和过载系数）、正弦波电压准确度、脉冲响应、选择性、互调效应、机内噪声和乱真信号及屏蔽效能等［4］。用于电磁兼容测试的EMI接收机均要求符合该标准规定的相关技术要求。

3 EMI接收机校准技术现状

3.1 EMI接收机的计量特性

目前，EMI接收机按工作方式分为两种类型，一种是传统的扫频测量模式，从设定的测试频段低端开始，以规定的频率步长，依次调谐到固定的测量频率上直至覆盖所选定的频率范围，在每一个调谐频率进行幅度测量并将数据传送到处理和显示单元。该类EMI接收机对连续波和重复出现的信号具有较好的测量能力，但因其测量原理是以时间顺序对设定的频率范围从低到高进行扫描测量，常常难以捕捉到偶发的瞬态信号。此类EMI接收机的代表型号为ESU40。

另一种EMI接收机类型是近年来为缩短传导发射和辐射发射测量时间，实现瞬变干扰信号的实时测量而发展起来的基于FFT的快速时域扫描技术的EMI接收机［5］，该类型EMI接收机作为符合标准要求的机型已正式应用于电磁兼容测试。与传统扫频接收机不同，该型EMI接收机采用时域扫描结合FFT变换得到频域测量结果，可以捕捉到偶发的瞬态干扰信号，通过同时运行2个检波器实现并行测量，可以将以前几分钟或几个小时才能完成的测试缩短至几秒钟，而且频率范围更宽2Hz～44GHz，具有更高的动态范围和测量精确度。典型型号为ESW44。

根据GB/T 6113.101规定的EMI接收机性能要求，中国计量科学研究院在2006年编制了JJF 1144—2006《电磁骚扰测量接收机校准规范》，作为EMI接收机校准依据。该规范适用的频率范围为9kHz～1GHz，主要针对当时民品电磁兼容测试用EMI接收机校准需求而制定，但该规范不能满足军标电磁兼容测试设备校准需求以及当前EMI接收机技术发展的需要，因此，二中心于2017年编制完成了JJF(军工)132～2017《EMI测量接收机校准规范》，作为军标电磁兼容测试用EMI接收机的校准依据。这两个规范中给出的EMI接收机计量特性与厂家给出的技术指标并不完全对应，校准规范选取了接收机指标中与电磁兼容测试密切相关的、对测量结果有直接影响的参数作为该设备的计量特性，最大允许误差也有所放宽。该计量特性也是设备定期校准的依据，与全参数校准相比，根据规范中的计量特性开展校准，周期校准性无疑更为经济。

以型号为ESU40的EMI接收机为例，其技术指标和不同校准规范给出的计量特性参数见表3［6,7］。

从表3可见，两个校准规范中大部分计量特性与EMI接收机技术指标对应，JJF（军工）132除电平指示外，频率范围、检波器和电压驻波比等指标覆盖性更好，但两个校准规范均未包含第12项中的接收机指标，这些指标有的对于电磁兼容测试很重要，例如，预放的增益等。对于新购或维修后的EMI接收机，常常需要进行全面的验收测量，应考虑将表3第12项指标对应的校准方法纳入校准规范。

3.2 EMI接收机校准技术现状

JJF 1144—2006《电磁骚扰测量接收机校准规范》是针对民品测试用EMI接收机校准需求，以GB/T 6113.1—1995中测量接收机性能要求为依据制定的。JJF 1144—2006规定了9kHz～1GHz频段EMI接收机校准方法，包括对接收机的准峰值、峰值、平均值检波器性能的校准。目前GB/T 6113.1—1995已更新到 GB/T 6113.101—2016（等同采用CISPR 16-1-1：2010），EMI接收机的要求与老版本相比出现了一些变化，接收机实际工作频率上限也从原来的1GHz提高到6GHz，因此，JJF 1144—2006已不能覆盖符合GB 6113.101—2016要求的EMI接收机校准需求。

JJF(军工) 132—2017《EMI测量接收机校准规范》是以军品电磁兼容测试应用为出发点，针对GJB 151B—2013中 25Hz～40GHz频段 EMI接收机校准需求，参考CISPR 16-1-1：2007相关要求制定的，其中包含了测量接收机峰值检波器校准方法，同时兼顾民品EMI接收机的带宽、检波器脉冲响应校准，其中，较宽的校准频段具有鲜明的军工应用特色，该标准的制定为军品电磁兼容测试的准确性提供了技术保障。从表3可见，JJF(军工) 132—2017要求的EMI接收机校准参数主要包括：频率测量、输出频率参考、电平指示、6dB带宽、脉冲响应、衰减器衰减值、电平线性指示、电压驻波比等，与JJF 1144—2006相比，校准方法适用的频率范围更宽，增加了输出频率参考、噪声指示和峰值检波器

脉冲响应校准，带宽校准方法可覆盖测量接收机所有带宽类型，该规范基本满足目前军品测试用EMI接收机的校准需求。

表3 EMI接收机技术指标与计量特性Tab.3 Technique specifications and metrology characteristics of EMI receiver

尽管JJF(军工) 132—2017的发布实施，解决了多年来军品电磁兼容测试用EMI接收机校准缺乏规范依据的问题，但该标准依然存在一些不足，例如，与厂家给出的技术指标相比，校准规范所列计量特性未能完全覆盖，只给出接收机在使用过程中需要周期校准的参数。对于新购、维修后的EMI接收机的验收测试来说，需要按照技术指标要求对全部或重要的参数进行校准，判断仪器是否合格，尤其是对于EMI接收机特有的一些功能，目前的校准方法未能覆盖，例如：预选器、预放以及时域扫描时间（对于ESW系列接收机）等。

4 EMI接收机校准技术发展趋势

4.1 新版CISPR 16-1-1增加了EMI接收机校准要求

我国EMI接收机校准规范JJF 1144和JJF(军工) 132的制定最终均与CISPR 16-1-1对测量接收机的要求相关。近年来，跟随电磁兼容测试技术的发展，CISPR 16-1-1不断修订完善，最新版本为2017版，该文件在2015版本中提出了EMI接收机必须校准的4个基本参数，即驻波、正弦波电压准确性、脉冲响应和总通带选择性（6dB带宽），其他参数可根据用户需要进行增加［1］。该要求从某种程度上简化了EMI接收机的周期校准过程，对于在保证EMI接收机测试应用准确性前提下缩短校准时间、方便实验室工作是非常有利的。

4.2 满足不同校准需求的接收机校准技术

鉴于现有EMI接收机校准规范是根据其使用功能对被校参数进行选择的，因而，对于新购置或维修后的接收机，技术指标是否满足出厂值，按照现有校准规范进行测量就存在参数覆盖不全的问题，特别是如果今后校准规范推荐只校准4个参数，那么对需要进行验收测试的EMI接收机，仅校准4个参数对于判断其是否满足出厂指标要求显然是不够的。校准规范有些指标的提法也与设备厂家给出的指标不同，是一种综合表述，例如采用正弦波电压准确性来表示某频率上的绝对幅度准确度和频率响应的综合结果，这对于验收校准来说，与常规的单一指标测试存在差异，需要引起计量人员的注意。

今后，以需求为导向的EMI接收机校准技术成为一种发展趋势，EMI接收机校准将分为两种方式，一种是日常使用中，以EMI接收机相关测量功能为主进行的周期性校准测试，可以选择上述4个参数作为必校参数；另一种是针对新购置或维修后的EMI接收机进行较为详细的指标测试，可认为是全参数校准，基本覆盖出厂技术指标。表3中的第12项（其他指标），是现有校准规范未能覆盖的，如20Hz～3.6GHz频段预选器、1kHz～3.6GHz频段预放大器等，均为EMI接收机特有功能，而在现有校准规范中，没有专门的或等效的校准内容，希望今后能通过研究建立相关校准方法，作为全参数校准的依据。

4.3 军标电磁兼容测试对EMI接收机校准技术需求

随着GJB 8848—2016《系统电磁环境效应试验方法》的发布，为开展GJB 1389A要求的系统电磁兼容性试验提供了测试方法依据。而随着GJB 1389的发展完善，其中系统外部电磁环境试验的频率上限将扩展到50GHz，电磁环境测试对测量设备的频率覆盖能力要求也相应提高。尽管目前EMI接收机的频率范围尚未达到50GHz，但频谱分析仪作为EMI接收机的替代设备，是可以应用于相应频段电磁环境测试的，而在此应用下的频谱分析仪应按照EMI接收机的校准规范进行相应的参数校准［4］。

与民品电磁兼容测试用接收机相比，军品测试用EMI接收机的频率范围更宽，覆盖25Hz～40GHz，并且检波器只采用峰值检波，6dB带宽为1/10/100步进系列，对比可见，JJF(军工) 132和JJF 1144的总体思路均参照了CISPR 16-1-1对接收机的要求，CISPR标准是针对通用的电子、电气设备电磁兼容测试需要而制定的测量接收机校准要求，其适用的频率范围为9kHz～18GHz，与军标测试用EMI接收机的25Hz～40GHz频段仍然存在差距，军标系统级测试频率将扩展到50GHz，EMI接收机在频率低端和高端的要求如何提出，受计量标准或校准测量设备频段限制的低频段驻波、脉冲响应、预放增益等参数的校准如何实现，相关标准设备如何构建，均需要开展深入的研究探讨，不断充实完善JJF(军工)132，以满足大型复杂电子系统电磁兼容测试准确性提升需求。

5 结束语

GJB 151B—2013对EMI接收机的性能要求参见GB/T 6113.101，但军标测试频率范围超出了GB/T 6113.101适用的9kHz～18GHz。本文针对GB/T 6113.101的局限性、CISPR 16-1-1文件的更新和EMI接收机技术的新发展，分析了EMI接收机校准技术现状及发展趋势，提出了EMI接收机校准技术研究和校准规范完善的方向，包括全参数校准和高、低端频率校准覆盖等，为满足实验室质量管理对测量设备量值溯源需求，以及提升电子设备和系统电磁兼容测试准确性提供一种研究思路。