端口匹配方式對電源濾波器差模插入損耗測試的影響

肖苗苗，任翔，李靜，馬帥帥，高鵬鵬

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

引言

電源濾波器一般是由電感、電容、電阻等無源元件組成的無源網絡，是一種低通濾波器，工作頻段一般在10 Hz～50 MHz，廣泛應用于電子設備和系統中。電源濾波器的主要作用是抑制電源產生的EMI信號，防止EMI信號干擾設備中的敏感器件，保證信號傳輸穩定、不失真。EMI包括傳導干擾和輻射干擾，屏蔽是抑制輻射最好的方法，而傳導干擾的抑制要通過電源濾波器的共模和差模電路實現[1-3]。評估電源濾波器濾波性能的主要指標是共模插入損耗和差模插入損耗。目前差模插入損耗的測試沒有統一的方法，不同的端口匹配方式會造成測試結果的差異，不利于測試結果的判定。

1 電源濾波器差模插入損耗性能評估方法

1.1 電源濾波器工作原理及評估方法

圖1 是一款單相交流電源濾波器的基本電路結構圖。它是由集中參數元件構成的無源低通網絡[4]。圖中的L1、L2是共模電感（又稱共模扼流圈），L1和Cy1、L2和Cy2分別構成了L-E（即L線-地）、N-E（即N線-地）兩端口低通濾波器網絡，能夠對電源上存在的共模EMI信號起到抑制作用。由于磁環材料的非絕對均勻、線圈繞制的非絕對對稱，造成L1、L2的電感量不一致，而L1與L2的差形成了差模電感，這個差模電感與Cx構成了L-N（L線-N線）的差模濾波網絡，能夠對電源上存在的差模EMI信號起到抑制作用[5-8]。

圖1 單相交流電源濾波器電路結構圖

表1 直流電源濾波器GCXDD5-6差模插入損耗技術指標

表2 單相交流電源濾波器A1KL差模插入損耗技術指標

評估電源濾波器的傳導干擾、輻射干擾的抑制性能時，通常包括器件級評估、板級評估及整機級評估[5-8]。后兩種評估需要EMC實驗室環境，不在本文的討論范圍。本文主要對電源濾波器器件級評估方法進行探討，考慮空載時插入損耗參數的測試情況。共模插入損耗測試方法采用輸入端短接、輸出端短接再分別連接信號源與接收機，不用特別考慮匹配問題，因此不作為本文的主要研究內容。本文主要對差模插入損耗測試時如何進行端口匹配進行探討，重點研究端口的匹配方式對測試結果的影響。

美國電氣電子工程師學會制定的IEEE Std 1560-2005標準規定了100 Hz～10 GHz射頻干擾濾波器的測試方法[9-13]。國內對于器件級電源濾波器的測試主要有GB/T 7343-2017，該標準規定了差模插入損耗的測試方法，“通過隔離變壓器對每兩根輸入線及對應的輸出線進行測量，所有未使用的線都不端接,變壓器的匝數比為1:1”，該標準采用端接1:1變壓器的方式。國內很多廠家在進行差模插入損耗測試時，采用端接50 Ω純電阻負載的方式。因此針對電源濾波器分別采用端接1:1變壓器和端接50 Ω純電阻負載進行測試，分析不同端口匹配方式對結果的影響。

1.2 電源濾波器差模插入損耗測試實驗

空載的狀態下，保證源阻抗和負載阻抗為50 Ω/50 Ω，分別采用端接50 Ω純電阻負載和端接射頻變壓器的方式對電源濾波器的差模插入損耗進行測試，記錄測試結果。實驗用50 Ω純電阻負載采用普通的色環電阻。射頻變壓器采用貴陽順絡迅達公司的RFT4042A-1/1，頻率范圍：1～600 MHz，50 Ω阻抗匹配的1:1變壓器。

選取國內廠家的兩款電源濾波器，一款為直流電源濾波器，型號為GCXDD5-6；另一款為單相交流電源濾波器，型號為A1KL。兩款電源濾波器的差模技術指標如表1和表2 。

1.2.1 端接50 Ω純電阻負載

1）測試原理圖見圖2。

2）測試結果：

直流電源濾波器GCXDD5-6在輸入、輸出負端接50 Ω電阻時，差模插入損耗測試結果見表3。

單相交流電源濾波器A1KL在輸入負端接50 Ω電阻時，差模插入損耗測試結果見表4。

圖2 端接50 Ω純電阻負載的測試原理圖

表3 直流電源濾波器GCXDD5-6差模插入損耗測試結果——端接50 Ω電阻

表4 單相交流電源濾波器A1KL差模插入損耗測試結果——端接50Ω電阻

1.2.2 端接射頻變壓器

1）測試原理圖見圖3。

2）測試結果：

直流電源濾波器GCXDD5-6在輸入、輸出負端接射頻變壓器時，差模插入損耗測試結果見表5。

單相交流電源濾波器A1KL在輸入負端接50Ω電阻時，差模插入損耗測試結果見表6。

圖3 端接射頻變壓器的測試原理圖

表5 GCXDD5-6差模插入損耗測試結果——端接射頻變壓器

表6 單相交流電源濾波器AIKL差模插入損耗測試結果——端接射頻變壓器

1.3 端接50 Ω純電阻與端接射頻變壓器的測試結果對比

1.3.1 直流電源濾波器GCXDD5-6測試結果比對

直流電源濾波器GCXDD5-6端接50Ω電阻與端接射頻變壓器差模插入損耗的測試結果對比見圖4。

圖4 GCXDD5-6兩種端接方式測試差模插入損耗的結果對比

通過圖4可以看到，對于GCXDD5-6直流電源濾波器差模插入損耗測試時采用端接射頻變壓器的方式在全頻段（0.01～30 MHz）結果小于端接50Ω電阻的方式。隨著頻率升高，端接射頻變壓器的插入損耗測試結果與端接50 Ω電阻相比，差距越來越大，從7 dB擴大到20 dB。

1.3.2 單相交流電源濾波器A1KL測試結果比對

單相交流電源濾波器A1KL端接50 Ω電阻與端接射頻變壓器測試差模插入損耗的結果對比見圖5。

通過圖5可以看到，對于A1KL單相交流電源濾波器差模插入損耗測試時，在1 MHz以下頻段，插入損耗測試結果為：端接50 Ω電阻的方式小于端接射頻變壓器的方式，相差在2～7 dB左右。隨著頻率升高差距逐漸縮小，1 MHz以上頻段出現逆轉，端接射頻變壓器的方式小于端接50 Ω電阻，相差在6～17 dB左右。

1.3.3 小結

插入損耗是評估電源濾波器濾波性能的重要指標，不論設計者還是使用方都希望插入損耗越小越好[14,15]。實際插入損耗的測試結果為負值，為了便于分析、計算，上文表格中的插入損耗值均為取絕對值后的結果。

通過差模插入損耗測試結果比對，我們可以看到：對于直流電源濾波器，端接射頻變壓器的測試結果明顯優于端接50 Ω電阻。整個頻段，兩種端接方式相差7～20 dB；對于交流電源濾波器，低頻段（1 MHz以下）端接50 Ω電阻優于端接射頻變壓器，高頻段（1 MHz以上）端情況相反。整體來看，對于電源濾波器采用端接射頻變壓器的方式測試差模插入損耗，測試結果更加理想。

2 結束語

以上試驗是在空載的情況下進行的，目的是搭建阻抗匹配網路，對單個電源濾波器的濾波性能進行快速評估。電源濾波器實際工作時，源阻抗和負載阻抗不一定是50 Ω，這時構建的50 Ω阻抗匹配網絡將不再適用，需要根據阻抗失配的具體情況進行分析、評估。另外電源濾波器的安裝方式對性能指標也有很大影響，如果應用或安裝不當，還可能遠遠小于標準中規定的最低插入損耗[16]。因此當電源濾波器安裝完成后需要在EMC實驗室進行整機測試，通過傳導干擾及輻射抗擾度指標衡量整機的EMC性能是否符合要求。

圖5 A1KL兩種端接方式測試差模插入損耗的結果對比