抗干扰度测试平台的软件开发和应用.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 辐射抗干扰度测试平台的软件开发和应用 姓名：郑悠 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：曾春年 20070501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代科学技术的快速发展，电子、电气设备及系统获得了越来越广泛 的应用。然而运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换，对通信系 统、控制系统和计算机系统为主干的电子系统( 尤其在集成电路方面) 产生了 巨大的负面影响。因此对电子系统的电磁兼容测试显得尤为重要。当今许多国 家已将产品的电磁兼容性要求纳入了国家强制性产品认证范围，未经认证不得 出厂、进口和销售。为了测量系统的电磁兼容性，各种电磁骚扰和抗扰度的测 量方法被开发出来以适应各种需求。 由于电磁波传播的复杂性，在电磁兼容测试平台中电磁场强分布的计算是 一个瓶颈。而且一直以来，电磁测试设备繁多，测试项目又是繁多，所以在传统 的测量中常常要花大量的时间和人力放在仪器操作、数据搬运、数据处理上， 大大的降低了工作效率并增加了失误的可能性。 随着计算机计算的发展，借助于例如h f s s ( 高频结构模拟器h i g hf r e q u e n c y s t r u c t u r es i m u l a t o r ) 和c t sm s ( 微波工作室c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y m i c r o w a v es t u d i o ) - - 类的三维结构电磁场仿真软件，我们能够对电磁场进行精 确分析。并且由于分布式控制和虚拟仪器的发展，使得各种仪器设备能和计算 机连接起来组成一个由计算机控制的智能系统，有效的解决了传统测量上的一 些缺点。 本文主要利用仿真软件和虚拟仪器技术对辐射抗干扰测试平台进行了深入 分析和研究，并开发了相应的测试平台应用软件。通过分析t e m ( t r a n s v e r s e e l e c t r o - m a g n e t i c ) 小室和近场测试几种辐射抗干扰度测试平台的原理，结合 h f s s 的仿真结果，验证了仿真合测量的一致性，详细地介绍了测试平台的工 作原理、硬件参数以及软件设计，并应用测试平台对反相器芯片进行了测试， 得出了实验结果。 实验表明，t e m ( t r a n s v e r s ee l e c t r o m a g n e t i c ) 小室能够提供被测芯片辐 射抗干扰度的全局信息，而近场测量则提供了测芯片辐射抗干扰度的局部信息。 这两种辐射抗干扰测试平台在芯片的测试中有着较好的互补性。 关键词：电磁兼容测试，辐射抗干扰度测试平台，带状线，t e m 小室，近场测试 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o n i c ，e l e c t r i c a l e q u i p m e n ta n ds y s t e m a r ew i d e l yu s e d h o w e v e r , e l e c t r i c a le q u i p m e n t , t h e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m , c o n t r o ls y s t e m sa n dc o m p u t e rs y s t e m sh a v eat r e m e n d o u s n e g a t i v ei m p a c tb yt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yc o n v e r s i o ng e n e r a t e di nt h eo p e r a t i o n o ft h ee l e c t r o n i c s t h u s ，i t sv e r yi m p o r t a n tt od ot h ee m c ( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) t e s tf o rt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t t o d a yt h ee m c o fp r o d u c t sh a v e b e e nr e q u i r e da st h es t a t ec o m p u l s o r yp r o d u c tc e r t i f i c a t i o ni nm a n yc o u n t r i e s w i t h o u tc e r t i f i c a t i o n ，t h ep r o d u c t ss h o u l d n tb em a n u f a c t u r e d ，i m p o r t e da n d m a r k e t e d i no r d e rt om e a s u r ee m c ，m a n yk i n d so fe m ct e s tm e t h o d sh a v eb e e n d e v e l o p e d t oa d a p tt h ev a r i o u sd e m a n d s d u et ot h ec o m p l e x i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o n , t h ec a l c u l a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yd i s t r i b u t i o ni ne m c t e s tb e n c hi sab o t t l e n e c kf o ru s e r a n db e c a u s et h e r ea r em a n ye q u i p m e n t sa n dp r o g r a m si nt h ee m c t e s t ，i nt h e t r a d i t i o n a lt e s tu s c ro f t e ns p e n d sal o to ft i m ea n de f f o r t so nt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，d a t ah a n d l i n g ，a n dd a t ap r o c e s s i n g a sar e s u l t , t h ee f f i c i e n c yg r e a t l y r e d u c e sa n dt h ep o s s i b i l i t yo f m i s t a k e si n c r e a s e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rc a l c u l a t i o n ，w ec a l lc a r r yo u tp r e c i s i o n a n a l y s i st oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l du s i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s i m u l a t i o ns o f t w a r es u c ha sh f s sa n dc t s a n db e c a u s et h ed e v e l o p m e n to f d i s t r i b u t e dc o n t r o la n dv i r t u a li n s t r u m e n t s ，w ec a nc o n s t r u c tac o m p u t e r - c o n t r o l l e d i n t e l h g e n ts y s t e m st oi n c r e a s et h ee f f e c t i v eo f t e s t i nt h i st h e s i s ，r a d i a t i o ni m m u n i t yt e s tb e n c h e sa r es t u d i e da n da n a l y z e di 1 1d e t a i l ， a n dp r o g r a mt h es o f t w a r ef o rt h e s et e s tb e n c h e s t h r o u g ha n a l y s i st h et h e o r yo f m e t h o d so ft e m ( t r a n s v e r s ee l e c t r o - m a g n e t i c ) c e l la n dr e a rf i e l da n dc o m b i n i n g w i t ht h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n v e r i f yt h ec o h e r e n c eo f t h es i m u l m i o na n dm e a s u r e t h es y s t e md e s i g n ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，t h ep a r a m e t e r so fh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a tl a s t ，s y s t e md e b u g g i n gi si l l u m i n a t e da n d l i 武汉理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e d 、玑也a l li n v e r t t h ee x p e r i m e n t ss h o wt e m ( t r a n s v e r s ee l e c t r o - m a g n e t i c ) c e l lt e s tc a l l p r o v i d eu s e rt h eg l o b a li n f o r m a t i o na b o u tt h eb e h a v i o ro ft h ed u t i nt e s t ，a n dn e a r f i e l dt e s tc a np r o v i d eu s e rt h el o c a li n f o r m a t i o n 。t h e s et w ot e s tb e n c h e sh a v eag o o d c o m p l e m e n t a r i t yf o re a e ho t h e r k e yw o r d s ：e m ct e s t ，r a d i a t i o ni m m u n i t yt e s tb e n c h , s t r i p l i n e , t e mc e l l ， n e a rf i e l dt e s t 1 1 1 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：犁。日呦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名 注：请将此 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 在过去的十年中，芯片的设计发展十分迅速。芯片的时钟频率增长了十倍， 连接点的数量增长了5 倍j 。伴随着这些增长，射频能量被无意识的产生和发 射，电磁电容问题也日益突出。电子元件不但发射电磁能量，而且遭受着电磁 干扰。为了解决电磁电容的问题，许多国家投入了大量的资金在电磁兼容的研 究上，建立了机构去定义和执行电磁兼容的标准。这些电磁兼容标准的用处是 减少电子元件和系统的电磁发射污染和增加它们抗发射的能力。通过一些电磁 兼容的测试，产品生产商可以知道他们的产品是否符合电磁兼容标准。 在过去的十年中，计算机技术和虚拟仪器技术的发展，也使得复杂的软件 仿真和分布式控制在各个学科中得到了的广泛的应用。这也给传统的电磁兼容 的研究带来了革命性的变化。 1 2 课题研究的现状和存在的问题 在测量方法方面，虽然c i s p r ( i n t e r n a t i o n a s p e c i a lc o m m i t t e eo nr a d i o i n t e r f e r e n c e ) 和t c7 7 提出了许多电磁测量的方法，但是这些方法始终不能满足 用户日益增长的需求。现有的一些方法例如：t e m ( t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e l l c ) 暗室、g t e m 暗室和回波室等只能给出系统得全局电 磁兼容的特征，无法给出系统局部的电磁兼容的特征。为了克服这个缺点，需 要优化现有的方法或提出新的方法。 在测量的技术方面，电磁兼容测试的设备繁多，测试项目又是繁多，所以在 传统的测试中常常要花大量的时间和人力放在仪器操作、数据搬运、出差旅途 上，大大的降低了工作效率并增加了失误的可能性。随着被测项目越来越复杂， 测试指标的综合性越来越强，传统的方法越来与不适应发展的需要。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究的内容 在本课题中，主要关注与辐射抗干扰度的测试。这个测试就是通过用辐射 源模拟电磁干扰来测试系统的抗辐射的能力。研究t e m 暗室和近场测试这两个 平台。t e m 暗室可以提供关于辐射抗干扰度的测试全局的信息，而近场测试可 以提供局部的信息。得益于分布式控制和虚拟仪器的发展，同时也开发平台的 应用软件，使得各种仪器设备能和计算机连接起来组成一个由计算机控制的智 能系统，缩短了开发周期，统一了标准，降低了开发费用，有效的解决了传统 测试上的一些缺点。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章测试平台的原理 2 1 电磁兼容的介绍 2 1 1 电磁兼容的组成 在电磁的研究中有三个不同的现象：电磁发射、电磁抗扰度和电磁自兼容。 电磁发射指的是在通常的工作条件下电子器件辐射或传导的宽频电磁场。电磁 抗扰度指的是电子器件不受指定强度和频率的电磁场干扰的能力。电磁自兼容 指的是器件不会干扰它自己弘r p j 。 电磁兼容指的是器件既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响。电 磁兼容性和所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一h 。 电磁干扰的传播如图2 1 所示。 图2 - 1电磁干扰的传播 当分析电磁干扰时，常常包括三个元素：一个是发射电磁能量的干扰源， 一个是传递电磁能量的耦合通道，最后一个是接受电磁能量的接受者【6 】。 干扰源和接受者之间的通过一下两种方式进行耦合，传导方式和辐射方式。 辐射耦合又分为以下几种：电容耦合，电感耦合【刀。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 电磁兼容测试 电磁兼容测试由电磁兼容发射测试和电磁兼容抗干扰度测试组成。电磁兼 容发射测试可分为传导发射测试( c e ，c o n d u c t e de m i s s i o n ) 和辐射发射测试( r e ， r a d i a t e de m i s s i o n ) 。电磁兼容抗干扰度测试可分为传导抗干扰度测试( c i ， c o n d u c t e di 删删i l i t y ) 和辐射抗干扰度测试( 砌，r a d i a t e di m m u n i t y ) 8 】- 【1 0 l 。 图2 2 是电磁兼容测试的框架图。 图2 - 2电磁兼容测试的框架图 在发射测试中，器件无意识发射的测量值和标准界限进行比较，如果测量 值超出标准界限，说明器件没有符合电磁兼容的标准。在抗干扰度测试中，一 个干扰源( 电磁场，电流，电压) 被施加到器件上。如果干扰值超出判定准者 ( 3 v m ) ，说明器件没有符合电磁兼容的标准。这个判则的确定要依靠于器件本身。 ( 1 ) 发射测试 图2 3 是发射测试系统的示意图“。 图2 - 3 发射测试系统的示意图 射频接收器是一个例如频谱仪( 预一致性) 、示波器( 无一致性) 等的接收 4 武汉理工大学硕士学位论文 仪器。耦合器件是个变换器，例如在辐射发射中用的接受天线( 环，b i c o n i e a l ，l p a 或h o m ，在传导发射中用的线路阻抗稳定网络( l i s n ，l i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o n n e t w o r k s ) 。 c i s p r ( i n t e m a t i o n a ls p e c i mc o m m i t t e eo nr a d i oi n t e r f e r e n c e ) 定义了电磁兼 容的发射测试的标准，常用的标准有以下几种【12 】 捌： c i s p r1 1 ：i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l0 s m ) r a d i o f r e q u e n c y e q u i p m c n t e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ec h a r a c t e r i s t i c sl i m i t sa n dm e t h o d s o f m e a s u r e c i s p r1 2 ：v e h i c l e s m o t o r b o a t sa n ds p a r k i g n i t e de n g i n ed r i v e nd e v i c e s r a d i od i s t u r b a n e ec h a r a c t e r i s t i c s l i m i t sa n dm e t h o d so f m e a s u r e c i s p r1 3 ：l i m i t sa n dm e t h o d so fm e a s u r eo fr a d i oi n t e r f e r e n c e c h a r a c t e r i s t i c so fs o u n da n dt e l e v i s i o nb r o a d c a s tr e c e i v e r sa n da s s o c i a t e d e q u i p m e n t c i s p r1 4 ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y r e q u i r e m e n t sf o rh o u s e h o l d a p p l i a n c e s ，e l e c t r i ct o o l sa n ds i m i l a ra p p a r a t u s c i s p r 1 5 ：l i m i t s a n dm e t h o d so fm e a s u r eo fr a d i od i s t u r b a n c e c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i c a ll i g h t i n ga n ds i m i l a re q u i p m e n t c i s p r2 2 ：i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ye q u i r ，m e n t - r a d i od i s t u r b a n c e e h a r a c t e r i s t i c s l i m i t sa n dm e t h o d so f m e a s u r e c i s p r2 5 ：l i m i t sa n dm e t h o d so fm e a s b r eo fr a d i od i s t u r b a n c e c h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ep r o t e c f i o no f r e c e i v e r su s e di nb o a r dv e h i c l e s i e c6 1 9 6 7 ( i e c ，2 0 0 3 ) 也定义了六个部分的电磁发射测试标准1 1 2 】怛l ： p a t t i ：g e n e r a la n dd e f i n i t i o n s p a r t 2 ：m e a s u r eo fr a d i a t e de m i s s i o n s t e mc e l la n dw i d e b a n dt e me e l l m e t h o d p a r t 3 ：m e a s u r eo f r a d i a t e de m i s s i o n s s u r f a c es c a nm e t h o d p a r t 4 ：m e a s u r eo f c o n d u c t e de m i s s i o n s l 剑15 0qd i r e c tc o u p l i n gm e t h o d p a r t 5 ：m e a s u r eo f c o n d u c t e de m i s s i o n s w o r k b e n c hf a r a d a yc a g em e t h o d p a r t 6 ：m e a s u r eo f c o n d u c t e de m i s s i o n s m a g n e t i cp r o b em e t h o d ( 2 ) 抗干扰度测试 图2 - 4 是抗干扰度测试系统的示意图【1 1 1 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 抗干扰度测试系统的示意图 射频发射器是一个例如信号发生器( 预一致性) 、微波测试器( 无一致性) 等的接收仪器。耦合器件是个变换器，例如在辐射抗扰度中用的接受天线( 环， b i c o n i c a l ，l p a 或h o r n ，在传导抗扰度中用的线路阻抗稳定网络( l i s n ，l i n e i m p e d a n c es t a b i l i z a t i o nn e t w o r k s ) 。 国际标准化组织( t o oi n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 制定了 i s o 1 1 4 5 2 的电磁抗扰度测量的标准。在芯片电磁兼容测量上，i e c ( t h e i n t e r n a t i o n a le l e c t r o - t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) ，s u b - c o m m i t t e e4 7 a ，w o r k i n gg r o u p9 ( m e a s u r em e t h o d sf o ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 提出了i e c 6 2 1 3 20 e c ，2 0 0 3 ) 的电磁测量 标准。 i e c 6 2 1 3 2 ( i e c ，2 0 0 3 ) 有以下五个部分f 1 2 】。 2 2 1 ： p a r t l ：g e n e r a la n dd e f i n i t i o n s p a r t 2 ：t e m - c e l la n dw i d c b a n d t e m - c e l l ( r a d i a t e di m m u n i t ym e t h o d ) p a r t 3 ：b c i ，b u l kc u r r e n ti n j e e t i o nm e t h o d ( c o n d u c t e di m m u n i t y ) p a r t 4 ：d p i d i r e c tr fi n j e c t i o nm e t h o d ( c o n d u c t e di m m u r l i t y ) p a r t 5 ：w o r k b e n c hf a r a d a yc a g e ( c o m m o nm o d ec o n d u c t e di m m u n i t y m e t h o d ) i e c6 2 1 3 2 标准内有给出芯片判则的定义，这些判则要由用户自己定义。在 标准的第一部分分给出3 “ - - - 个等级的描述( a 到d ) 来规范故障等级【2 3 】： c l a s sa ：n o r m a lp e r f o r m a n c ew i t h i nt h es p e c i f i c a t i o nl i m i t sd u r i n ga n da f t e r t h ee x p o s u r et oad i s t u r b a n c e c l a s sb ：t e m p o r a r yd e g r a d a t i o no rl o s so ff u n c t i o no rp e r f o r m a n c e w h i c hi s s e l r e c o v e r a b l ef e g w h e ns c a n n i n gf u r t h e rt h r o u g ht h ef r e q u e n c yr a n g e ) c l a s sc ：t e m p o r a r yd e g r a d a t i o no rl o s so ff u n c t i o no rp e r f o r m a n c e w h i c h r e q u i r e so p e r a t o ri n t e r v e n t i o no rs y s t e mr e s e t c l a s sd ：d e g r a d a t i o no rl o s so ff u n c t i o nw h i c hi sn o ts e l f r e c o v e r a b l ed u et o 6 武汉理工大学硕士学位论文 d a m a g eo f l c ( s ) ，o rl o s so f d a t a 2 2 测量的原理 2 2 1t e m 暗小室的测量原理 t e m ( t r a n s v e r s ee l e c t r o m a g n e t i c ) 暗小室是一个全封闭的矩形同轴线 ( r c t l ，r e c t a n g u l a r c o a x i a l t r a n s m i s s i o n l i n e ) 。它的两端是锥形的以适合标准 同轴线的连接。两端的特征阻抗为5 0 欧姆使得阻抗得以匹配，系统的电压驻波 比( v s w rv o l t a g e s t a n d i n gw a v er a t i o ) 最d 、 2 4 1 。 为了使测试更加方便，不同的t e m 暗小室被开出来以适应不同的需要：美 国国家标准局( n a t i o n a lb u r e a uo fs t a n d a r d s ) 提出的三倍t e m 暗小室1 2 5 】。 e u r o t e m 暗小室和c r o s s t e m ( ) ( t e m ) 暗小室利用了线形膈。3 d t e m 暗小室 2 6 1 被设计出用来评估器件的三个极化的辐射而不需要转动器件。一种有四个膈 的也被设计出来具有类似的功能。 由于横截面的形状使得t e m 波能够在暗小室内传输。t e m 模式就是电场 传播的方向和磁场传播的方向互相垂直的模式。所以可以根据以下公式计算出 磁场当知道电场时 2 7 1 2 9 1 ： 一1 = 耳2 ：旦竺竺 口1 ) 叩o 其中 豆2 = 言g ，_ y - ，“，耳2 = 焉g ，y k 一” 是特征波阻抗， 磊，是z 方向的单位常量。 t e m 暗小室的应用包括辐射放射和抗干扰度的测试，探头和天线的校准， 射频辐射的生物效应的研究和测试材料的屏蔽影响。图2 5 是t e m 暗小室的简 图。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5t e m 暗小室的简图 t e m 暗小室的场强可以分成两部分，一部分是场强均匀的中间区域，另一 部分是场强不均匀的锥形区域。图2 6 是t e m 暗小室不同区域的示意图。 图2 7 是t e m 暗小室的横截面。g ，b ，a 和w 是用于t e m 暗小室计算中的 主要参数。 8 武汉理工大学硕士学位论文 z o ：_ 匕( 2 - 2 ) 白2 焉嗣 6石 l 、2 6 7 i e ：兰：x z o 且日：旦 ( 2 3 ) bb 叩o 、7 正= 竽网 ( 2 _ 4 ) 其中的单位是m h z ，a ，、b f 6 g 的单位是米。 根据公式，当t e o l 的截止频率f c 增长时，小室的宽度也在增长。所以如果要 9 武汉理工大学硕士学位论文 消除在高频率上高阶模式的限制，小室必须增加其尺寸，这也是t e m 小室的一 个主要缺陷，带宽和大小成反比。 但使用以上方程时，对于被测物有一个限制，那就是要求符合电小 ( e l e c t r i c a l l ys m a l l ) 的条件田j 。这就意味着被测物的尺寸必须小于工作波长， 那样这些实际的器件就可以被建模等效于一个电偶极子或磁偶极子在这些方程 中被应用l 。 2 2 2 近场测试的原理 在近场测试平台中，探头是最重要的部分。于是研究了测试用的三种探头 的特性，它们是同轴探头，电偶极子探头和磁环探头。它们分别用于产生垂直 方向的电场，水平方向的电场和磁场。 ( 1 ) 同轴线的原理 所有的这些探头都是由半钢性的同轴线制成的，所以电磁波在这些探头内 部传输都是t e m 模式。同轴线有两个圆形的导体组成，它们之间由固体电介质 相隔，图2 8 是同轴线结构示意图。 电介质 中心导体 - 图2 8 同轴线结构示意图 d 是中心导体的直径，d 是外部包裹导体的直径。同轴线有许多的优点， 诸如高带宽，低耗损和高绝缘性。 计算同轴线特征电阻的公式如下所示【3 5 】； l o 武汉理工大学硕士学位论文 乙= 去雁后1 i l ( 詈 ； 任s ， 探头所采用的同轴线为5 0o h m 。 同轴线中期望中的t e m 模式能够在所有的频率中传播，但是在截止频率以 上高阶模式也会在其中传播。这些高阶模式会发生非理想性的弯曲，并以不同 的相速度传播，干扰t e m 模式。为了确信只有一种模式在其中传播，保持信号 的纯净性，需要把电磁波的频率保持在一阶截止频率以下。截止频率的规范就 是电解质内圆周必须小于波长。当考虑到电解质对波长的衰减影响，其一阶截 止波长的公式如下所示网： 疋= 万f - d y + d - j 、v 厂。：r ； ( 2 妨 所以截止频率为吲： 肛毒2 南； g 忉 在以上公式中，缘是磁导率，是介电常数。 ( 2 ) 同轴探头的原理 同轴探头”e p z ”( e l e c t r i cp r o b ei nt h ezd i r e c t i o n ) 可以看作一个开环的同轴 线和载流部分的组合( 图2 9 ) 。 电介质 中心导 d 导体 图2 - 9 同轴探头”e p z ”示意图 武汉理工大学硕士学位论文 测量用的探头l 的长度为5 m m ，所以l 部分的电磁场可以看作h e r t z i a n 来 分析，在近场域中，探头的电场和复合能量场密度由下图2 1 0 所示 3 5 1 ： 置= 科等“ 竽西 雪= 黟青】叫笔扪饵 p 图2 1 0 探头的电场和复合能量场密度 所以可以通过改变l 的长度来改变电场强度的大小。_ i 说明同轴探头在近 场域中就像个电容器。 ( 3 ) 电偶极子的原理 利用同轴探头可以得到沿z 轴的电场。如果要得到沿着x 轴或y 轴的电场， 要借助于电偶极子。电偶极子由两个同轴线组成，在探头的顶端部分中心导体 和功率源相连，在探头的底部同轴线成水平1 8 0 度成对称状。图2 1 l 是在心s s 中的3 d 图。 中心 。 i 图2 1 lh f s s 中的3 d 图 ( 4 ) 磁环的原理 磁环由一个半径为r 的简单导体圆环组成。环的一端连着同轴线中心的导 体另一端连着同轴线的外部导体。图2 一1 2 是h f s s 中的3 d 图。 1 2 g t丁，上 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 2h f s s 中的3 d 图 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 设计概述 第3 章系统的概述 这个系统包括t e m 暗小室平台和近场测试平台两部分。t e m 暗小室是一 个较为成熟的技术，而近场测试平台是近几年才发展起来的新技术，它一直用 于发射测量上，这次是首次把它用于抗干扰度的测量上。它能够提供器件在谐 波中的局部信息，成功地弥补了t e m 暗小室或回波室等只能提供全局特征的不 足。所以这两个平台有着很好的互补性。采用虚拟仪器技术，使得平台的测量 实现自动化。图3 1 是系统的框架图。 软件设计 硬件设计 软件 t 计算机 0 器件 图3 - 1 系统的框架图 整个开发将通过三个步骤去完成这个开发：首先通过比较平台s 参数的仿 真结果和测量结果来校正平台，使我们能够用仿真软件来研究平台。接下来编 写平台的自动化应用软件，最后利用完成的平台进行反转芯片的测试。 3 2 开发工具 在这个平台软件的开发过程中，用到了三个工具：l a b w i n d o w s ，h f s s 和 g p i b 。h f s s 是被用于平台仿真的软件，l a b w i n d o w s 是用来进行平台应用软件 的编程，g p i b 负责计算机和各个测量仪器之间的通讯。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1l a b w i n d o w s l a b w i n d o w s c v l 是一个用于测量和测试软件开发的a n s ic 开发环境。它 的出现极大地提高了工程师和科学家们的工作研究效率【2 6 1 。利用 l a b w i n d o w s c v i 的交互式执行能力，开发者能够在设计时运行各种函数。借助 于内建的库，开发者能够迅速地开发出各种复杂的应用。l a b w i n d o w s d c v i 开发 环境的机动性使得开发者能够优化数据采集分析、分析和测量测试中的各种原 素。并且l a b w l n d o w s c v i 拥有多种的用户界面控件，使得开发者能够创造各 种不同的面板用于测量和测试中。在我的项目中，l a b w m d o w “c v i 将被用于开 发抗干扰度测试平台的软件。我用l a b w m d o w s c v i 来设计软件控制信号发生 器和获取示波器的数据。l a b w i n d o 、w c v i 提供的库也使计算机和各个仪器之间 的通讯开发变得较为简便。 3 2 2h f s s i - i f s s 是一个a n s o f l 公司开发的3 d 的电磁场仿真商用软件【2 刀。这个软件 使用有限元法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t l l o d ) 来计算高频和高速的元件的电磁表 现。它是个工业标准的工具用于提取寄生参数( s ，yz ) ，可视化的3 d 电磁场( 近 场和远场) ，产生s p i c e 模型和优化设计。在我的项目中，我用它来研究平台的 电磁场分布和s 参数。借助于这个软件，我能够分析出电磁场在测量域中是否 均匀以及在s 参数能够接受下的电磁场频率的范围，这样我能够计算出在抗干 扰度测量中输入能量幅度和频率的适当范围。 3 2 3 ( j p i b g p i b 总线是一个i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 的标 准。i e e es t a n d a r d4 8 8 一1 9 7 5 定义了它的电气和机械特性。a n s i i e e e4 8 8 2 1 9 8 7 定义了通讯特性【3 2 1 。 4 8 8 2 中定义了程控仪器s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l e i n s t r u m e n t s ) 3 3 1 , 创建了一个简单和兼容的程控器可用于任何其他的程控仪器 中。g p i b 设备之间通过发送设备相关的信息和接口信息来实现通讯。g p i b 命 令有两种：一种是用来执行某一特定的总线操作和报告状态的通用命令，另一 个是运行仪器功能的特殊命令。在我的项目中，借助于l a b w i n d o w s 的g p i b 函 武汉理工大学硕士学位论文 数库，我能够利用g p i b 来发送命令和收集数据。 3 3 抗干扰度测试的步骤 抗干扰度测试的步骤如下：对于每个频率，信号发生器的能量一步步地增 长直到芯片产生错误。这个错误主要是芯片逻辑电平的错误。根据抗干扰度曲 线的定义，在测试报告中每个芯片产生错误时的能量的幅度为纵轴，对应的频 率为横轴。3 2 图和3 3 图是抗干扰度曲线的示意图。 从上图中可以看出虽然实际测量时是以恒定的频率来测量，但是也可以看 作恒定的能量来测量的。每当测完一次后，要变换方向以引起不同的耦合。图 3 - 4 是测量步骤的流程图【蚓。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 4 测量步骤的流程图 j 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章平台的硬件校正 4 1t e m 暗小室的硬件校正 在t e m 暗小室平台中，有两个重要的问题需要解决：一个是t e m 暗小室 的校准，另一个是衰减器的校准。 4 1 1t e m 暗小室的设置 t e m 暗小室可以看作两个带状线的封闭组合。因为t e m 暗小室是屏蔽的， 电磁场的辐射不会影响到外部的测量设备，这样测量结果会变得更加准确。根 据文档口8 】p ，利用输出能量来计算内部场强。为了测量输出的能量，需要在 小室的尾部接一个功率表。测量所用的小室的型号是f c c t e m j m 2 。利用公 式( 1 2 ) 可以来计算小室内部的场强。由于能量发生器的最大输出值为2 0 d b m ， 即在小室内的电场场强为3 2 v m 。这个值对于测量来说过于小了，所以增加了 功率放大器。这个放大器的最大输出功率为2 5 w a t t s ，线形放大的区域为8 0 0 m h z 到4 2 g h z 。 图4 1 是测试用的p c b 板，周边的金属边接地以便与小室的外壳形成屏蔽。 其他的连线在另外一边，这样内部的电磁场就不会影响到连线了。 图4 - 1 测试用的p c b 板 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图4 - 2 是测试系统的简图。 图4 - 2 测试系统的简图 4 1 2t e m 暗小室的校准 这个t e m 暗小室是一个典型的t e m 暗小室，带宽从d c 到2 g h z 。图4 3 是这个型号为f c c t e m j m 2 的示意图【3 5 】。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图4 3 测试用的t e m 暗小室( f c c t e m j m 2 ) 为了校准这个t e m 暗小室，先比较输出功率和电场强度在小室测试域从 o 1w a t t s 到3w a t t s 的仿真和计算结果的比较。接着比较小室s 参数测量和仿真 的结果。 图4 - 4 ( h f s s 仿真) 显示了输出功率和电场强度在小室测试域从o 1w a t t s 到 3 w a t t s 的关系。 。7 。：。|，_ _ _ j j