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电磁兼容测试中的前置放大器（亦称：预放）
2021-09-30
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几天前，一位许久没联系的老友，打电话问我一个问题，说他们的产品在韩国测试时，测试结果出现了问题，但是，他并不认为那是他们的问题，因为他们的产品技术已经非常成熟，成熟到基本不会犯韩国人测试到的那个问题。
我看了韩国提供的测试结果，我从结果上看，我认为是韩国人测试做错了。上次看到类似的数据还是在十五年前，德国人做的一个同样的测试，也犯了同样的错误。
这个错误是什么呢？就是测试中用了前置放大器（后面简称预放），但是没有考虑预放可能会饱和的问题。
首先要有个基本的概念，射频放大器，不会有无限的输入，也不会有无限的输出。在预放正常工作范围内，增益基本是线性的，超出范围，那就没准儿了。
预放最容易被忽略的就是最大输入值。甚至，很多测试工程师都不知道预放的使用是有限制的，上面提到的韩国和德国的工程师就是犯了这个错误。
下面我尝试展开一下这个问题，争取能把这个问题说明白。
电磁兼容行业，最常见的一个设备就是测试接收机。测试接收机的输入端口通常会标一个最大输入信号的幅值。目前，这个设备基本被国外某公司垄断，他们接收机产品接口上就写了一个Max +30dBm，也就是137dBμV，如果不知道咋换算的，可以问度娘。本文使用dBμV的原因是绝大部分EMC标准都是用的dBμV或者dBμV/m为单位给的限值。
那么接收机可以直接测量这么大的信号吗？其实不是，接收机在不做防护的情况下，最大的测量信号只有77dBμV，剩下的60dB全部是靠其内置的衰减器搞定的。当把接收机内置衰减器设置为0dB，则接收机能接收的最大信号就变成了77dBμV。
这位看官问，这时接收机如果接收到大于77dBμV的信号咋办？咋办？那就会在接收机屏幕的某个角落看到OVLD的字样，也就是Over Load(过载)了。
那位看官问，过载了能咋滴？其实也没啥，了不起就是接收机损坏呗，花钱换件儿修呗。
后面的看官说了，那我们别把衰减器弄成零，接收机是不是就能不那么容易OVLD呢？
嗯，我想说，这是个好问题。
汽车电子部件的电磁兼容测试以及其他产品的测试（比如微波炉或者带有有意发射信号的产品（手机啥的）），其限值，特别是牵扯到卫星频段的限值都规定的很低。
比如，汽车电子部件的电磁兼容测试，限值规定的非常低。CISPR标准给的就很低，很多车厂的厂标规定的更低。这就给电磁兼容测试实验室带来了挑战。想要满足测试要求，要不然要求测试仪器的背景噪声很低，同时线缆损耗也很低。要不然就要通过预放来降低整合系统的背景噪声。说到这里，很多非本专业的人看起来有些费力。我只能说抱歉了，有问题查询度娘或者私聊吧。
前面提过，接收机通常会内置衰减器，想要仪器背景噪声低，就要减少衰减器的使用，极端情况下，要减少到零。
然而，这么做完，很多实验室还是无法满足测试标准要求，于是就借助预放来解决问题。
预放，通常不大会在指标中给出它最大输入信号这个指标，通常要算一下。比如，下图中的预放指标:
50dB增益，1dB压缩点增益为18dBm，那么，它的最大输入信号是多少呢？
没错，是18dBm-50dB=-32dBm=75dBμV。
各位看官，看出问题了吗？
当一个信号，通过上面这个50dB的预放放大后，就会增加50dB，接收机0dB衰减时最大信号不能超过77dBμV，而考虑到在使用预放的时候，接收机不能过载。那么被测试样品要保证接收机不过载，则必须保证，其发射的信号要小于77dBμV-50dB=27dBμV。可如果样品满足了这个要求，估计也就不用测试了，因为这个样品很有可能已经满足标准要求了。如下图:
这是一个汽车电子测试标准里面的限值要求，除了极个别几个点要求的限值小于27dBμV/m外，其余限值都大于27dBμV/m。
在此悖论产生了。因为用了前置放大器，导致样品要不然让接收机过载，要不然都不用测试，样品基本直接满足要求。
有看官说，不是还有几个点的限值很低吗？我的预放就是给那几个点预备的，我就是要用预放！
可以，可以用预放，但是，我们使用的预放绝大部分是低噪声宽带预放。你要放大的只是很小一段频率，而其他频率不需要放大，恰恰很多时候，那些不需要放大的频段上还有有意发射信号或者无意发射的大噪声在发射。
这个时候，问题来了。有意发射的信号或者大噪声，会导致预放饱和，且导致接收机过载。预放一旦饱和，就会进入到非线性状态，此时预放的输出就会变得毫无意义，窜出一个个高耸入云的信号。
那么这个问题解决不了吗？可以解决，用带阻滤波器就好啦，把有用的留下，没用的干掉，我们大家熟知的通讯行业测试通讯产品的时候就是这么干的。
但是，EMC行业就没有这么好的条件了。因为给无意发射的大噪声准备带阻滤波器无异于撞大运，或者买彩票。你永远不知道下一个样品会在哪些频点出问题，有大噪声。
于是，讨论又进入了死胡同，预放，用也不行，不用也不行，咋办？
其实，这个问题在很久以前的标准中就给出过答案，只是现在大家图省事，都给忘了。
在早期的电磁兼容标准中（其实现在也有，只是很多人不知道），规定了对于未知的射频信号的测量顺序。在这里，我把我能记住的写一下，有写错的，大家见谅！
1>先带上尽可能大衰减器测试一轮。如果测不到信号，则降低衰减器，直到衰减降到0dB或者看到被观测信号为止。
2>预评价该信号的幅值及其幅值是否可接受。
3>如果不可接受，则直接进入整改环节，如果可接受，则可以认为已经满足标准要求。
4>如果此时一定要背景噪声满足标准要求，那么再讨论如何使用预放，来确保其不会饱和。（因为此时最大信号为已知了）
现在绝大部分测试中，第一步都被省略，而是直接就用预放开始测试，这个操作导致了很多错误数据产生并导致预放损坏和接收机损坏。
这种现象比比皆是，甚至已经见怪不怪了。
当然，我也理解实验室的初衷，我写的第一步在实际操作过程中，需要花很多时间，这对于很多实验室的经营来说并不划算。
以上就是我想跟大家分享的。其实没什么结论性的东西，只是把问题给出来。欲求甚解，可私聊。方法多种多样，适合自己的才是最好的。
最后贴一张图。它是某标准的截图，大家留意一下Note 2的要求。
预放可用，但是要想明白并说明白咋用。
祝大家都能找到一个合理使用预放的方法。
几天前，一位许久没联系的老友，打电话问我一个问题，说他们的产品在韩国测试时，测试结果出现了问题，但是，他并不认为那是他们的问题，因为他们的产品技术已经非常成熟，成熟到基本不会犯韩国人测试到的那个问题。
我看了韩国提供的测试结果，我从结果上看，我认为是韩国人测试做错了。上次看到类似的数据还是在十五年前，德国人做的一个同样的测试，也犯了同样的错误。
这个错误是什么呢？就是测试中用了前置放大器（后面简称预放），但是没有考虑预放可能会饱和的问题。
首先要有个基本的概念，射频放大器，不会有无限的输入，也不会有无限的输出。在预放正常工作范围内，增益基本是线性的，超出范围，那就没准儿了。
预放最容易被忽略的就是最大输入值。甚至，很多测试工程师都不知道预放的使用是有限制的，上面提到的韩国和德国的工程师就是犯了这个错误。
下面我尝试展开一下这个问题，争取能把这个问题说明白。
电磁兼容行业，最常见的一个设备就是测试接收机。测试接收机的输入端口通常会标一个最大输入信号的幅值。目前，这个设备基本被国外某公司垄断，他们接收机产品接口上就写了一个Max +30dBm，也就是137dBμV，如果不知道咋换算的，可以问度娘。本文使用dBμV的原因是绝大部分EMC标准都是用的dBμV或者dBμV/m为单位给的限值。
那么接收机可以直接测量这么大的信号吗？其实不是，接收机在不做防护的情况下，最大的测量信号只有77dBμV，剩下的60dB全部是靠其内置的衰减器搞定的。当把接收机内置衰减器设置为0dB，则接收机能接收的最大信号就变成了77dBμV。
这位看官问，这时接收机如果接收到大于77dBμV的信号咋办？咋办？那就会在接收机屏幕的某个角落看到OVLD的字样，也就是Over Load(过载)了。
那位看官问，过载了能咋滴？其实也没啥，了不起就是接收机损坏呗，花钱换件儿修呗。
后面的看官说了，那我们别把衰减器弄成零，接收机是不是就能不那么容易OVLD呢？
嗯，我想说，这是个好问题。
汽车电子部件的电磁兼容测试以及其他产品的测试（比如微波炉或者带有有意发射信号的产品（手机啥的）），其限值，特别是牵扯到卫星频段的限值都规定的很低。
比如，汽车电子部件的电磁兼容测试，限值规定的非常低。CISPR标准给的就很低，很多车厂的厂标规定的更低。这就给电磁兼容测试实验室带来了挑战。想要满足测试要求，要不然要求测试仪器的背景噪声很低，同时线缆损耗也很低。要不然就要通过预放来降低整合系统的背景噪声。说到这里，很多非本专业的人看起来有些费力。我只能说抱歉了，有问题查询度娘或者私聊吧。
前面提过，接收机通常会内置衰减器，想要仪器背景噪声低，就要减少衰减器的使用，极端情况下，要减少到零。
然而，这么做完，很多实验室还是无法满足测试标准要求，于是就借助预放来解决问题。
预放，通常不大会在指标中给出它最大输入信号这个指标，通常要算一下。比如，下图中的预放指标:
50dB增益，1dB压缩点增益为18dBm，那么，它的最大输入信号是多少呢？
没错，是18dBm-50dB=-32dBm=75dBμV。
各位看官，看出问题了吗？
当一个信号，通过上面这个50dB的预放放大后，就会增加50dB，接收机0dB衰减时最大信号不能超过77dBμV，而考虑到在使用预放的时候，接收机不能过载。那么被测试样品要保证接收机不过载，则必须保证，其发射的信号要小于77dBμV-50dB=27dBμV。可如果样品满足了这个要求，估计也就不用测试了，因为这个样品很有可能已经满足标准要求了。如下图:
这是一个汽车电子测试标准里面的限值要求，除了极个别几个点要求的限值小于27dBμV/m外，其余限值都大于27dBμV/m。
在此悖论产生了。因为用了前置放大器，导致样品要不然让接收机过载，要不然都不用测试，样品基本直接满足要求。
有看官说，不是还有几个点的限值很低吗？我的预放就是给那几个点预备的，我就是要用预放！
可以，可以用预放，但是，我们使用的预放绝大部分是低噪声宽带预放。你要放大的只是很小一段频率，而其他频率不需要放大，恰恰很多时候，那些不需要放大的频段上还有有意发射信号或者无意发射的大噪声在发射。
这个时候，问题来了。有意发射的信号或者大噪声，会导致预放饱和，且导致接收机过载。预放一旦饱和，就会进入到非线性状态，此时预放的输出就会变得毫无意义，窜出一个个高耸入云的信号。
那么这个问题解决不了吗？可以解决，用带阻滤波器就好啦，把有用的留下，没用的干掉，我们大家熟知的通讯行业测试通讯产品的时候就是这么干的。
但是，EMC行业就没有这么好的条件了。因为给无意发射的大噪声准备带阻滤波器无异于撞大运，或者买彩票。你永远不知道下一个样品会在哪些频点出问题，有大噪声。
于是，讨论又进入了死胡同，预放，用也不行，不用也不行，咋办？
其实，这个问题在很久以前的标准中就给出过答案，只是现在大家图省事，都给忘了。
在早期的电磁兼容标准中（其实现在也有，只是很多人不知道），规定了对于未知的射频信号的测量顺序。在这里，我把我能记住的写一下，有写错的，大家见谅！
1>先带上尽可能大衰减器测试一轮。如果测不到信号，则降低衰减器，直到衰减降到0dB或者看到被观测信号为止。
2>预评价该信号的幅值及其幅值是否可接受。
3>如果不可接受，则直接进入整改环节，如果可接受，则可以认为已经满足标准要求。
4>如果此时一定要背景噪声满足标准要求，那么再讨论如何使用预放，来确保其不会饱和。（因为此时最大信号为已知了）
现在绝大部分测试中，第一步都被省略，而是直接就用预放开始测试，这个操作导致了很多错误数据产生并导致预放损坏和接收机损坏。
这种现象比比皆是，甚至已经见怪不怪了。
当然，我也理解实验室的初衷，我写的第一步在实际操作过程中，需要花很多时间，这对于很多实验室的经营来说并不划算。
以上就是我想跟大家分享的。其实没什么结论性的东西，只是把问题给出来。欲求甚解，可私聊。方法多种多样，适合自己的才是最好的。
最后贴一张图。它是某标准的截图，大家留意一下Note 2的要求。
预放可用，但是要想明白并说明白咋用。
祝大家都能找到一个合理使用预放的方法。
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