Cách chọn bộ khuếch đại công suất bán dẫn cho thử nghiệm khả năng chống nhiễu bức xạ IEC 61000-4-3

Tóm tắt
Bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF IEC 61000-4-3 đóng vai trò là phần cứng cốt lõi để xây dựng một hệ thống thử nghiệm khả năng chống nhiễu điện từ RF bức xạ hoàn chỉnh. Nhờ đầu ra tuyến tính ổn định và đặc tính phổ độ méo thấp, các bộ khuếch đại công suất RF bán dẫn đã trở thành giải pháp chủ đạo trong ngành. Tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 đặt ra các ràng buộc bắt buộc đối với dải tần hoạt động, độ tuyến tính, phát xạ hài và nhiễu giả, biên độ công suất và khả năng chịu tải của bộ khuếch đại. Thiết bị không tuân thủ sẽ dẫn đến cường độ trường bức xạ bị méo mó và dữ liệu thử nghiệm không hợp lệ, khiến không thể vượt qua đánh giá đủ điều kiện của phòng thí nghiệm và chứng nhận CE sản phẩm. LISUN Bài báo này lấy bộ khuếch đại công suất RF EMC bán dẫn LS-PA80M1G-300W làm đối tượng nghiên cứu, phân loại các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc của tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 đối với bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF IEC 61000-4-3, so sánh các thông số cốt lõi của các mô hình khuếch đại bán dẫn khác nhau, minh họa bốn khía cạnh lựa chọn chính bao gồm dải tần số, công suất, độ tuyến tính và chức năng bảo vệ, đồng thời giới thiệu các ứng dụng thiết bị thực tế trong các thử nghiệm khả năng chống nhiễu bức xạ cho thiết bị điện tử tiêu dùng, thiết bị điện tử ô tô và sản phẩm y tế. Bài báo cung cấp tài liệu tham khảo đầy đủ để xây dựng hệ thống thử nghiệm phòng thí nghiệm hoàn chỉnh và nền tảng thử nghiệm R&D nội bộ.

Giới thiệu

Kiểm tra khả năng chống nhiễu điện từ tần số vô tuyến bức xạ Kiểm tra khả năng tương thích điện từ (EMC) là hạng mục bắt buộc đối với việc sản xuất và xuất khẩu các sản phẩm điện và điện tử trong nước. Tiêu chuẩn quốc tế tương ứng là IEC 61000-4-3, và tiêu chuẩn trong nước tương đương là GB/T 17626.3. Một hệ thống kiểm tra hoàn chỉnh bao gồm máy phát tín hiệu, bộ khuếch đại kiểm tra khả năng tương thích tần số vô tuyến IEC 61000-4-3, anten phát, buồng không dội âm và thiết bị giám sát cường độ trường. Trong số các thành phần này, bộ khuếch đại công suất bán dẫn quyết định độ tinh khiết phổ và độ ổn định cường độ trường của trường điện từ bức xạ, và đóng vai trò là thành phần quyết định hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Các bộ khuếch đại ống sóng truyền thống có nhược điểm là hàm lượng sóng hài cao, tuổi thọ ngắn và khả năng chịu tải kém, đồng thời không đáp ứng được các yêu cầu về độ tuyến tính tín hiệu và độ trung thực điều chế được quy định trong tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 được cập nhật. Các bộ khuếch đại công suất RF tuyến tính bán dẫn đã dần trở thành thiết bị chủ đạo. LISUN Bộ khuếch đại công suất RF EMC bán dẫn hoàn toàn dòng LS-PA sử dụng thiết kế mạch khuếch đại tuyến tính. Nó có thể khuếch đại tín hiệu RF đầu vào với độ trung thực cao và độ méo thấp, đồng thời cung cấp tín hiệu đầu ra RF công suất cao ổn định, sạch và có thể điều khiển được. Với độ phẳng khuếch đại tuyệt vời, độ méo hài thấp và phát xạ giả thấp, thiết bị hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn thử nghiệm EMC chính thống bao gồm GB, IEC và ISO. LS-PA80M1G-300W được phát triển đặc biệt cho các thử nghiệm miễn nhiễm bức xạ IEC 61000-4-3 trong dải tần từ 80MHz đến 1GHz. Nó tương thích với các buồng cách âm tiêu chuẩn 3 mét và 10 mét, và có thể tạo ra cường độ trường thử nghiệm tiêu chuẩn ổn định là 10V/m và 30V/m. Nó đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm hàng loạt dài hạn từ các phòng thí nghiệm thử nghiệm bên thứ ba, các trung tâm R&D ô tô và các nhà sản xuất thiết bị y tế.

Tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 quy định rõ ràng rằng tín hiệu RF phải được chồng lên tín hiệu điều chế biên độ hình sin 1kHz ở độ sâu 80% trong quá trình thử nghiệm. Bộ khuếch đại phải hoạt động trong vùng làm việc tuyến tính. Khi xảy ra hiện tượng nén, dạng sóng điều chế sẽ bị biến dạng và sự phân bố cường độ trường bên trong trường đồng nhất sẽ bị rối loạn, khiến tất cả dữ liệu thử nghiệm không hợp lệ cho mục đích chứng nhận. Do đó, khi lựa chọn Bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-3, các mẫu bán dẫn phải được sàng lọc nghiêm ngặt dựa trên các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn, và công suất đầu ra định mức không được coi là tiêu chí lựa chọn duy nhất.

Các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc đối với bộ khuếch đại RF bán dẫn trong tiêu chuẩn IEC 61000-4-3

Tiêu chuẩn IEC 61000‑4‑3:2020 được cập nhật định nghĩa các ngưỡng truy cập cho Bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF IEC 61000‑4‑3 từ bốn khía cạnh: phổ tín hiệu, khả năng đầu ra, bảo vệ thiết bị và khả năng thích ứng điều khiển chương trình. Tất cả các bộ khuếch đại công suất bán dẫn được sử dụng để thử nghiệm chứng nhận phải đáp ứng các ràng buộc sau.

Đầu tiên là các thông số về tính tuyến tính và phổ. Trong phạm vi công suất nén 1dB, công suất hài tối đa không được vượt quá -15dBc, và khả năng triệt tiêu nhiễu ngoài băng tần không được nhỏ hơn -50dBc. Điều này đảm bảo khôi phục hoàn toàn tín hiệu điều chế AM, tránh các điểm tần số nhiễu bổ sung bên trong trường đồng nhất và ngăn ngừa lỗi miễn nhiễm giả của thiết bị đang thử nghiệm. Đồng thời, sự dao động độ lợi trên toàn dải tần phải được giữ trong giới hạn hợp lý. Sự thay đổi độ lợi quá mức sẽ gây ra sự sai lệch cường độ trường rõ rệt giữa các tần số cao và thấp trong một chu kỳ quét, đòi hỏi phải bù công suất thủ công thường xuyên và làm giảm đáng kể khả năng lặp lại của thử nghiệm.

Thứ hai, yêu cầu về dải tần số và biên độ công suất. Dải tần số thử nghiệm cơ bản của IEC 61000-4-3 bao gồm từ 80MHz đến 1GHz, và các phiên bản mở rộng đạt đến 6GHz hoặc 18GHz. Theo tính toán tiêu chuẩn, để đạt được cường độ trường cao 30V/m trong buồng không dội âm 3 mét, công suất đầu ra hiệu dụng của bộ khuếch đại phải ít nhất là 200W, với biên độ công suất dự trữ hơn 30% cho tổn hao cáp và phản xạ sóng đứng của anten. Do đó, các thông số kỹ thuật thử nghiệm chứng nhận khuyến nghị các mô hình bán dẫn có công suất đầu ra định mức từ 300W trở lên làm tiêu chuẩn cho Bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF IEC 61000-4-3.

Thứ ba, khả năng chịu tải VSWR. Ăng-ten, cáp và thiết bị được thử nghiệm tạo ra sự phản xạ RF thay đổi trong quá trình thử nghiệm. Tiêu chuẩn yêu cầu các bộ khuếch đại phải liên tục chịu được VSWR lên đến 5:1 mà không cần giảm công suất hoặc tắt phần cứng. Các cơ chế bảo vệ hoàn chỉnh bao gồm bảo vệ quá VSWR, quá tải, quá nhiệt, quá điện áp và quá dòng phải được tích hợp để tránh hiện tượng cháy bộ khuếch đại công suất do lỗi thử nghiệm đơn lẻ và giảm chi phí bảo trì phòng thí nghiệm.

Thứ tư, khả năng tương thích điều chế và điều khiển từ xa. Thiết bị phải hỗ trợ các định dạng điều chế AM và FM tiêu chuẩn để đáp ứng điều kiện thử nghiệm AM độ sâu 1kHz. Các giao diện truyền thông bao gồm LAN, GPIB và RS232 Thiết bị sẽ được trang bị khả năng kết nối với phần mềm kiểm tra để tự động quét toàn dải tần số và điều chỉnh cường độ trường vòng kín, thực hiện kiểm tra khả năng chống nhiễu bức xạ tự động không cần giám sát và nâng cao hiệu suất kiểm tra mẫu số lượng lớn tại các phòng thí nghiệm bên thứ ba.

LISUN Bộ khuếch đại bán dẫn LS-PA80M1G-300W hoàn toàn đáp ứng tất cả các yêu cầu tiêu chuẩn đã nêu ở trên. Là một bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF chuyên dụng theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-3, độ phẳng khuếch đại của nó trong dải tần 80MHz-1000MHz được kiểm soát trong phạm vi ±4.5dB, công suất nén 1dB tối thiểu đạt 250W và công suất đầu ra định mức 300W cung cấp đủ khoảng dự trữ công suất. Hiệu suất hài hòa tốt hơn -15dBc với khả năng triệt tiêu nhiễu giả -50dBc. Nó hỗ trợ tất cả các chế độ điều chế tiêu chuẩn và điều khiển từ xa đa bus, tuân thủ các yêu cầu kiểm định chất lượng của các phòng thí nghiệm chứng nhận.

Bảng 1. Các thông số cốt lõi của LISUN Bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF dòng LS-PA bán dẫn theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 và so sánh sự tuân thủ với tiêu chuẩn IEC 61000-4-3.

Như thể hiện trong bảng so sánh thông số, LS‑PA80M1G‑300W là bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF IEC 61000‑4‑3 bán dẫn hoàn chỉnh đáp ứng các yêu cầu băng tần cơ bản IEC 61000‑4‑3. Các mẫu khác chỉ có thể được sử dụng làm thiết bị mở rộng băng tần phụ trợ và không thể tự mình hoàn thành thử nghiệm chứng nhận khả năng chống nhiễu bức xạ toàn dải 80MHz‑1GHz. Các mẫu công suất thấp 80W và 200W có biên độ công suất không đủ và dễ bị nén tín hiệu trong điều kiện cường độ điện trường cao 30V/m, điều này sẽ làm mất hiệu lực kết quả thử nghiệm. Các mẫu trên 1GHz không bao phủ băng tần thử nghiệm cơ bản và phải được sử dụng cùng với các bộ khuếch đại 80MHz‑1GHz.

Bốn kích thước lựa chọn cốt lõi cho bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF IEC 61000‑4‑3

Kết hợp với các điều khoản của tiêu chuẩn IEC 61000‑4‑3 và kinh nghiệm vận hành thực tế của LS‑PA80M1G‑300W, bốn khía cạnh chính cần được kiểm tra tuần tự khi lựa chọn bộ khuếch đại công suất bán dẫn để thử nghiệm khả năng chống nhiễu bức xạ: khả năng phù hợp dải tần số, biên độ công suất đầu ra, hiệu suất phổ tuyến tính, khả năng bảo vệ và điều khiển từ xa. Việc lựa chọn không phù hợp có thể khiến toàn bộ hệ thống thử nghiệm trở nên không hiệu quả.

Yếu tố đầu tiên là sự phù hợp dải tần số. Cần xác nhận phạm vi tần số yêu cầu của sản phẩm đang thử nghiệm. Đối với thiết bị điện tử tiêu dùng và linh kiện nội thất ô tô, chỉ cần dải tần cơ bản 80MHz-1GHz và LS-PA80M1G-300W là lựa chọn trực tiếp. Đối với thiết bị thông tin liên lạc, quân sự và thiết bị y tế cao cấp yêu cầu mở rộng dải tần 1GHz-18GHz, cần sử dụng nhiều bộ khuếch đại như LS-PA1G6G và LS-PA6G18G để phân vùng phủ sóng tần số. Không nên sử dụng các bộ khuếch đại tần số thấp băng hẹp cho thử nghiệm IEC 61000-4-3 toàn dải; nếu không, cường độ trường bức xạ hợp lệ sẽ biến mất ở tần số cao và các dải tần gây nhiễu sẽ bị bỏ sót.

Khía cạnh thứ hai là tính toán công suất đầu ra và biên độ an toàn. Trước khi lựa chọn, cần tính toán công suất yêu cầu tối thiểu theo kích thước buồng cách âm và mức cường độ từ trường mục tiêu. Thiết bị 200W có thể được sử dụng tạm thời cho các thử nghiệm ở mức thấp 10V/m. Đối với chứng nhận dài hạn và điều kiện cường độ từ trường cao 30V/m, cần chọn bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF IEC 61000-4-3 có công suất định mức 300W trở lên. Với công suất đầu ra định mức 300W và công suất nén P1dB 250W, LISUN LS‑PA80M1G‑300W có thể cung cấp đủ công suất RF cho cường độ trường 30V/m sau khi trừ đi tổn hao chèn 4-6dB từ cáp và anten, tránh méo tín hiệu do nén và đáp ứng các yêu cầu khuếch đại tuyến tính của tiêu chuẩn.

Yếu tố thứ ba là tính tuyến tính, hiệu suất hài và nhiễu giả, quyết định trực tiếp tính hợp lệ của phép thử. Một số bộ khuếch đại bán dẫn giá rẻ sử dụng mạch Class-AB đơn giản hóa để giảm chi phí, dẫn đến hiệu suất hài kém hơn -10dBc. Bức xạ hài bổ sung sẽ được tạo ra trong trường đồng nhất, do đó thiết bị được thử nghiệm chịu nhiễu kép. Các cơ quan chứng nhận sẽ từ chối các báo cáo thử nghiệm như vậy. Bằng cách sử dụng mạch bán dẫn tuyến tính Class-A, LS-PA80M1G-300W đạt được đầu ra méo thấp với hài được kiểm soát trong phạm vi -15dBc, đáp ứng các ràng buộc về phổ và yêu cầu đủ điều kiện của các phòng thí nghiệm bên thứ ba.

Khía cạnh thứ tư là bảo vệ tải và điều khiển từ xa. Ăng-ten và mẫu có thể tạo ra VSWR phản xạ lớn trong quá trình thử nghiệm hàng loạt liên tục. Các bộ khuếch đại không có bảo vệ đa cấp có nguy cơ bị cháy bóng công suất, dẫn đến bảo trì kéo dài hàng tuần và gián đoạn dịch vụ phòng thí nghiệm. LS-PA80M1G-300W tích hợp bảo vệ toàn diện bao gồm quá VSWR, quá nhiệt, quá dòng và quá áp. Nó giảm công suất đầu ra dần dần thay vì tắt đột ngột khi có sự cố để duy trì tính liên tục của dữ liệu thử nghiệm. Giao diện truyền thông LAN và GPIB có sẵn để tích hợp với phần mềm kiểm tra EMC phổ biến nhằm thực hiện quét toàn dải tự động và hiệu chuẩn cường độ trường vòng kín cho IEC 61000-4-3, giảm khối lượng công việc thủ công và cải thiện năng suất mẫu hàng ngày.

Các kịch bản ứng dụng trong công nghiệp của LISUN Bộ khuếch đại kiểm tra khả năng chống nhiễu RF LS‑PA80M1G‑300W IEC 61000‑4‑3

Theo tiêu chuẩn IEC 61000‑4‑3, Bộ khuếch đại kiểm tra khả năng chống nhiễu RF. LISUN Bộ khuếch đại công suất bán dẫn LS‑PA80M1G‑300W đáp ứng ba yêu cầu thử nghiệm chính theo định hướng công nghiệp và thích ứng với nhiều phương án xây dựng phòng thí nghiệm khác nhau.

Đối với các phòng thí nghiệm kiểm tra EMC bên thứ ba, nhiều sản phẩm khác nhau bao gồm thiết bị gia dụng, nguồn điện và thiết bị điều khiển công nghiệp được chứng nhận với hàng chục mẫu được xử lý mỗi ngày. Thiết bị phải hỗ trợ hoạt động liên tục 24 giờ. LS-PA80M1G-300W có thiết kế tản nhiệt bằng không khí mà không cần các đường ống làm mát bằng nước phức tạp. Bảo vệ đa cấp giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến. Các quy trình kiểm tra được cấu hình sẵn có thể trực tiếp chạy quét toàn dải IEC 61000-4-3 và tạo ra các đường cong kiểm tra thô đáp ứng yêu cầu chứng nhận CNAS.

Đối với các phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển điện tử ô tô, các bộ điều khiển trung tâm trên xe, bảng điều khiển và bộ sạc xe phải tuân thủ cả hai tiêu chuẩn miễn nhiễm ISO 11452-4 và IEC 61000-4-3. LS-PA80M1G-300W có thể thực hiện cả thử nghiệm miễn nhiễm RS bức xạ cũng như thử nghiệm sơ bộ tiêm dòng điện khối BCI với các thiết bị đo trở kháng. Một bộ khuếch đại bao gồm hai hạng mục miễn nhiễm EMS và giảm tổng chi phí đầu tư cho phòng thí nghiệm. Các nhóm nghiên cứu và phát triển có thể nhanh chóng hoàn thành đánh giá sơ bộ khả năng miễn nhiễm và thực hiện các sửa đổi thiết kế trước để tránh chi phí cao và thời gian chờ đợi lâu từ việc thử nghiệm của bên thứ ba bên ngoài.

Đối với các xưởng kiểm soát chất lượng của các nhà sản xuất thiết bị y tế và truyền thông, màn hình y tế, bộ định tuyến và các sản phẩm tương tự phải đạt tiêu chuẩn GB/T 17626.3 trước khi đưa ra thị trường. Các nhà máy có thể xây dựng các buồng cách âm nhỏ gọn 3 mét được trang bị bộ khuếch đại kiểm tra khả năng chống nhiễu RF LS-PA80M1G-300W IEC 61000-4-3 để kiểm tra khả năng chống nhiễu bức xạ trước khi xuất xưởng. Các sản phẩm bán thành phẩm bị lỗi có thể được sàng lọc để ngăn chặn hàng hóa không đạt tiêu chuẩn xâm nhập thị trường và giảm nguy cơ bị phạt theo quy định.

Kết luận

Kết quả kiểm tra hợp lệ của thử nghiệm khả năng chống nhiễu điện từ tần số vô tuyến (RF) bức xạ theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 hoàn toàn phụ thuộc vào bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF đạt tiêu chuẩn IEC 61000-4-3. Các bộ khuếch đại công suất tuyến tính bán dẫn là giải pháp phần cứng chủ đạo tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 được cập nhật. Công suất đầu ra định mức không nên là tiêu chí lựa chọn duy nhất. Phạm vi dải tần, biên độ công suất, thông số hài tuyến tính, bảo vệ tải và hiệu suất điều khiển từ xa đều phải được đánh giá toàn diện.

LISUN LS‑PA80M1G‑300W bộ điều khiển EMC trạng thái rắn RF khuếch đại công suất Được thiết kế chuyên dụng cho thử nghiệm khả năng chống nhiễu bức xạ băng tần cơ bản 80MHz-1GHz. Thông số kỹ thuật của nó hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 và tiêu chuẩn GB/T 17626.3 trong nước. Công suất dự phòng dồi dào, hiệu suất phổ tuyến tính tuyệt vời, khả năng bảo vệ đa cấp toàn diện và chức năng điều khiển từ xa đa bus giúp nó phù hợp với các phòng thí nghiệm chứng nhận bên thứ ba, trung tâm R&D ô tô và xưởng QC nhà máy. Nó đóng vai trò là tùy chọn bộ khuếch đại thử nghiệm khả năng chống nhiễu RF tiêu chuẩn IEC 61000-4-3 cho việc xây dựng hệ thống thử nghiệm khả năng chống nhiễu bức xạ. Khi xây dựng nền tảng thử nghiệm EMC, các doanh nghiệp và tổ chức thử nghiệm có thể sử dụng LS-PA80M1G-300W làm bộ khuếch đại bán dẫn cốt lõi cùng với các mẫu băng tần mở rộng để thiết lập hệ thống thử nghiệm khả năng chống nhiễu bức xạ hoàn chỉnh bao phủ các tần số thử nghiệm chính. Nó đảm bảo dữ liệu thử nghiệm tuân thủ và hợp lệ để đáp ứng các yêu cầu tiếp cận thị trường trong nước và chứng nhận CE ở nước ngoài đối với các sản phẩm điện tử.