刘麒 周海贝 蒋玉妹 / 上海市计量测试技术研究院



标准ANSI C63.4-2014新要求

刘麒 周海贝 蒋玉妹 / 上海市计量测试技术研究院

摘 要介绍美国电磁兼容标准 ANSI C63.4-2014的新要求，包括天线、测试场地、1 GHz以上辐射骚扰测量及其他特殊要求，并对复合型天线的验证及场地归一化衰减的最新方法进行重点阐述。

关键词ANSI C63.4；电磁兼容；复合型天线；阻抗；衰减器

0　引言

ANSI C63.4-2014《低压电子电器设备无线电噪声发射测量方法，频率范围9 kHz～40 GHz》，由美国国家标准化协会(ANSI)认可的电磁兼容标准认可委员会（C63）制定。C63由美国政府部门有影响的制造业、检测部门和有关的标准协会组成，其中包括FCC、IEEE、美国铁道协会、计算机和商用设备制造协会、电动汽车制造协会、国家电信和信息局、国家标准和技术协会、安全工业协会、美国空车等成员组织。它是一个重要的EMC基础标准。

该标准规定了电磁兼容发射的测量方法，但没有规定限值，因此要想针对某一特定产品符合美国要求（如ITE或TV）进行电磁兼容检测及认证，则需结合该标准的测量方法，再加上美国特定法规所规定的限值以及适用的频率范围和测试距离等内容。ANSI C63.4最新版本为2014年，相比前一版本2009年，标准内容变化较大，需要进行特别说明。

1　测试天线

1.1天线的种类

在ANSI C63.4-2014标准中，根据天线的使用场合分为三种天线：预测量或比对使用的天线、最终符合性测量使用的天线、场地验证使用的天线。同时在不同使用场合下，又根据不同频率范围定义了不同类别的天线，具体区别见表1～表3。在实际测量中应注意区分，不能混用。

表1　预测量或比对时使用的天线

上述天线在使用中除了考虑频率范围外，还应注意如下三点：

1）9kHz～30 MHz 辐射骚扰测量分为电场测量及磁场测量。对于电场测量，根据不同标准或规范有的选用棒状天线，比如CISPR 25、MIL-STD-461F等，有的选用环形天线，比如FCC Part 15。对于磁场测量应使用环形天线；

2）有源天线在使用中应注意前置预放的饱和或过载，一旦出现饱和或过载现象应采取必要措施，比如在预放前端加衰减器或带阻滤波器等；

3）喇叭天线的口径应尽量小，以便满足瑞利（远场）的距离要求，即Rm = 2D2/λ，其中D为天线口径的最大尺寸，λ为波长。

表2　最终符合性测量时使用的天线

表3　场地验证时使用的天线

1.2复合型天线使用的特别说明

事实上，大部分实验室在进行30 MHz～1 GHz辐射骚扰测量中会使用复合型天线（双锥与对数结合的宽带天线）。ANSI C63.4-2014标准中明确提出，如果实验室使用复合型天线，则必须满足附录N的要求，具体内容如下：

1.2.1天线尺寸

由于天线在任何极化方向，其最低位置不能低于接地参考平面上方25 cm，同时测量中需要天线定位在高度1 m，所以天线的宽与高不得超过1.50 m× 1.50 m。

1.2.2天线电压驻波比

复合型天线输出端口的电压驻波VSWR≤2.5,频率范围：30 MHz～1 GHz。大部分复合型天线在200 MHz以下驻波很大，一般都要超过10，所以可以将阻抗匹配衰减器（HAIMP）接在天线输出端口，以满足电压驻波的要求。如果驻波测量中外接了该衰减器，则在实际测试中也必须接上并对衰减量进行补偿。电压驻波比的测量必须由具有天线校准资质的实验室完成。

1.2.3天线对称性

复合型天线的对称性≤±1 dB，频率范围：30 MHz～1 GHz。对称性验证方法参见ANSI C63.5-2006的相应条款。天线对称性测量必须由具有天线校准资质的实验室完成。

1.2.4天线符合性验证

复合型天线的符合性验证应按照ANSI C63.4-2014附录N中规定的过程进行，验证结果必须满足如下要求：

ΔE3mH≤±2.5 dB；ΔE3mV≤±2.5 dB；频率范围：30 ～200 MHz；

ΔE10mH≤±2.4 dB；ΔE10mV≤±2.4 dB；频率范围：30 ～200 MHz。

1.2.4.1天线符合性验证的主要设备

1）两个相同规格的标准双锥天线，一个作为发射，另一个作为接收；

2）复合型天线，为了满足电压驻波比的要求，该天线最好带有阻抗匹配衰减器（HAIMP）；

3）两个10 dB衰减器，一个接在发射天线的输入端口，另一个接在接收机或频谱仪的输入端口；

4）前置放大器，在10 m距离进行验证时，前置放大器可通过增加信噪比来提升接收信号的动态范围。前置放大器在3 m距离验证时容易过载或饱和，不建议使用。

1.2.4.2天线符合性验证过程

天线的符合性分别在3 m及10 m距离进行验证，验证过程基本相同。现以3 m距离为例说明验证过程如下：

1）作为发射的双锥天线固定在转台中心，高度1 m，天线水平极化，将10 dB衰减器接在发射天线的输入端口，并通过电缆连接到信号源；

2）作为接收的双锥天线在距离发射天线3 m的地方固定在天线塔上，天线水平极化，将天线输出端口通过电缆连接到接收机或频谱仪，中间靠近接收端口的位置上安装10 dB衰减器（具体布置见图1）；

3）信号源在频率范围30～200 MHz发射信号VT，接收天线从1～4 m升降的同时，记录接收天线接收到的最大值S21，BB3H。该值的信噪比应控制在20 dB以上，接收机中频带宽应设置为120 kHz，扫描步进为中频带宽的一半；

4）将作为接收的双锥天线移走，由复合型天线代替，并保持与发射天线3 m的距离。如果该天线配有阻抗匹配衰减器（HAIMP），则应接上，并记录阻抗匹配衰减器的衰减量LHAIMP（具体布置见图2）；

5）重复步骤3），期间保持接收机及信号源设置不变，记录接收天线接收到的最大值S21，BH3H。

由上述过程可知，前后两次测量在水平极化的电场强度分别可用如下公式表示：

图1　双锥天线符合性验证布置

图2　复合型天线符合性验证布置

式中：EBB3H—— 在3 m距离，双锥天线在水平极化测量的电场强度；

EBH3H—— 在3 m距离，复合型天线在水平极化测量的电场强度；

FSAFbiconical—— 双锥天线的自由空间天线系数；

FSAFhybrid—— 复合型天线的自由空间天线系数

两次测量的电场强度差异为

同样在垂直极化，前后两次测量的电场强度的差异为

通过式（3）以及式（4），就能算出两次测量的电场强度差异，根据标准要求该偏差不能超过±2.5 dB。

2　测试场地

ANSI C63.4-2014对于辐射骚扰测试场地的特殊要求分为低频（9 kHz～30 MHz），中频（30 MHz～1 GHz）和高频（1 ～40 GHz）三部分。

2.1低频

9 kHz～30 MHz辐射骚扰测试建议在屏蔽室或暗室中进行，对于磁场测量优先选用在不带参考接地平面的全波暗室中进行。

2.2中频

30 MHz～1 GHz辐射骚扰测试建议在开阔场或者半电波暗室中进行，并要求对测试场地进行归一化场地衰减的测量验证。场地的验证过程应按照ANSI C63.4-2014附录D进行，验证结果必须满足NSA≤4 dB。

在ANSI C63.4-2014标准中，对于归一化场地衰减NSA给出了新的公式：

式中：Vdirect—— 第一次直连电缆接收的电压，dBuV；

Vsite—— 第二次连接天线接收到的最大电压，dBuV；

AFT—— 发射天线的天线因子，dB/m；

AFR—— 接收天线的天线因子，dB/m；

ΔAFTOT—— 互阻抗校正因子，dB；

GSCF —— 特殊几何校正因子 ，dB

上述公式中应注意如下几点：

1）AFT、AFR为自由空间天线因子（FSAF），有别于标准场地法（SSM）校准直接得到的因子。在ANSI C63.5-2006附录G中明确指出,使用双锥天线在30 ～200 MHz所使用的天线因子必须采用下式进行转换：

“天线因子 (标准场地法) － 修正值ΔAF (表G.1) = 自由空间天线因子FSAF（dB）”；

2）ΔAFTOT仅在3 m距离、在30 ～180 MHz并用谐振偶极子天线进行场地验证时需要该校正因子；

3）GSCF仅在30 ～200 MHz、使用宽带天线进行场地验证时需要该校正因子，公式中尤指双锥天线。

2.3高频

ANSI C63.4-2014规定，1 GHz以上辐射骚扰测试在电波暗室中进行。对于3 m法测试场地符合如下两条件之一就可满足使用要求：

1）满足CISPR 16-1-4:2010场地电压驻波SVSWR≤6 dB（1～18 GHz）。如果在暗室的参考接地平面上铺设吸波材料，则吸波材料高度应≤0.3 m，入射衰减量≥20 dB；

2）满足吸波材料铺设要求，即铺设区域应覆盖（见图3）。长：（2.3 m + 转台直径)或3.8 m取大者；宽：≥3.6 m；铺设中应注意吸波材料延伸转台边缘至少30 cm，延伸天线相位中心后方至少50 cm（延伸后可能会碰到天线塔的基座，只要不影响天线塔升降即是允许的）。转台与参考接地平面之间缝隙的边缘±1 cm可不铺吸波材料。吸波材料高度应≤0.3 m，入射衰减量应≥20 dB。

图3　吸波材料铺设

上述要求针对3 m测试距离而言，如果是10 m测试距离，则应符合条件1）。18 ～40 GHz频率范围没有场地验证要求。

3　1GHz以上辐射骚扰测量

美国标准ANSI C63.4-2014中，对于1 GHz以上辐射骚扰测试天线的使用方法有别于国际标准CISPR 16-2-3：2010以及我国标准GB/T 6113.203-2008。

1 GHz以上喇叭天线测试接收原理见图4。由于喇叭天线的主波瓣宽度（即3 dB波瓣宽度）相对较小，影响了天线接收的范围（白色阴影部分），而受试产品EUT在1 GHz以上产生的骚扰源的方向性较强（深色阴影部分）。当天线从1～4 m升降的过程中，为了保证天线在任一高度能够接收到骚扰源的最大值，必须使天线的照射方向始终指向骚扰源。同时骚扰源在EUT的任何位置、任何方向上都有可能存在，所以还必须确保喇叭天线的照射区域能够覆盖整个EUT。照射区域S可按下式进行计算：

式中：D —— 接收天线与受试样品EUT之间的距离，m；

BW —— 喇叭天线的3 dB波瓣宽度，(°)

图4　1　GHz以上喇叭天线接收原理

4　其他特殊要求

4.1频谱分析仪

频谱分析仪用峰值检波器进行平均值测量时，视频宽带（VBW）最小应设置为1 Hz，具体测量过程参见ANSI C63.4-2014的4.2.4.2章节及附录H。

4.2线性阻抗网络

根据ANSI C63.4-2014的4.3章节要求，传导骚扰测试使用的线性阻抗网络的阻抗特性必须在标准规定阻抗值的±20%范围内（9 kHz～30 MHz）。如果测量中使用了电源转接头或者延长线，则该网络在接有电源转接头或者延长线的情况下，其阻抗特性必须在标准规定阻抗值的+30%～-20%范围内（9 kHz～30 MHz）。对于阻抗网络的相位没有要求。

4.3EUT支撑实验桌

EUT支撑实验桌典型尺寸为1 m×1.5 m,表面高度80 cm。在辐射骚扰测量中，桌子的电磁波反射会影响测量结果，故实验桌的介电常数建议低于1.3，并要求在200 MHz～18 GHz频段时对桌面反射的影响进行评估，评估结果应作为辐射骚扰测量不确定度评定的影响量之一。在200 MHz～1 GHz频段，评估方法可参考CISPR 16-1-4:2010的5.5章节。在1～18 GHz频段，评估方法与低频段相同，除了接收天线固定高度1 m，无需升降。对于18 GHz以上频段，不做评估要求。

4.4参考接地平面

参考接地平面与地之间应直连，不允许以建筑的金属构件作为转接。任何连接点之间的直流电阻应≤2.5 mΩ。

4.5测试报告

测试报告中应包含环境条件、试验标准、EUT样品型号、序列号、工作状态等描述、试验布置照片、测试设备清单、测试结果与数据、测试场地、测试过程、测试不确定度等。

5　结语

综上所述，标准 ANSI C63.4-2014在试验设备、试验场地、试验方法等方面都提出了新的要求，试验人员应特别注意新要求的变化可能对试验结果产生的影响，并采取相应的措施以满足新标准的要求。

参考文献

[1] American National Standards Institute，ANSI C63.4-2014[S]. New York：ANSI，2014.

[2] American National Standards Institute，ANSI C63.5-2006[S]. New York：ANSI，2006.

[3] 张辉、王俊青. ANSI C63.4-2014解析[J].安全与电磁兼容，2015 （5）：24-25.

New requirements of ANSI C63.4-2014

Liu Qi，Zhou Haibei，Jiang Yumei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Abstract:The latest requirements of United States standard for electromagnetic compatibility (EMC) ANSI C63.4-2014 are introduced in the paper, including requirements of antenna, test site, the radiated emission measurements above 1 GHz and other particular requirements. The verification of the hybrid antenna and the newest method of normalized site attenuation (NSA) are especially illuminated.

Key word:ANSI C63.4; EMC; hybrid antenna; impedance; attenuator