（电工理论与新技术专业论文）高电压脉冲放电电磁环境及其测试方案的研究.pdf

奎垄里三查兰堡主兰垡丝壅 t h er e s e a r c ho fe l e c t r o m 嘈l e t i ce n v i r o m e n to fh i g hv 0 1 t a g ep u l s e d i s c h a r g ea i l dt h et e s tm e 垃l o d a b s t r a c t h i g hv o l t a g ep u l s ed i s c h a r g e 谢1 1c a l l s em m s i e n t1 1 i 曲v o l t a g e ，l a r g ec u 玳i n t ，a n d 乒e a t e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n t h i ss 订q r 培i n t e r f 醯e n c em a y l e a dt o 也eb r e a 玉【d o w no fo t h c r e l e “c a le q l l i p m e m s ，e l e 曲r o n i cd e v i c e sa i l ds y s t e m s 也a td 印e n do n 也e mo ra tl e a s td i s t u r b t l e i rn o r m a lp e d b 埘n a n c e a c c o r d i n gt oc o m p l l l s o r yc e n i f i c a t i o n 咖l e n l e n t a t i o nr e g u l a t i o n si nc h i n a ，n l ep r o d l l c t s m l l s tb ei nc o n f o m a n c ew i 也r e l 锄e dc l l i n e s ee m c 删a r d s c o n s i d e r i n gt 坞c o s ta n dm ec o f l v e n i e n c em o r ea n dm o r ec o m p a l l i e st o d a ya r eu s i n ga n e w h n do f i n 蚰m e m a t i o ns y g t 锄t l l a tr e c o r d sa n di s o l a t e se u ts i g n a l so f i m e r e s tw i 也o m l en e e df b rp r i c e y 踟艟c h o i cc h a m b e r s t h i ss y s t e mi sa b l et ou s ee m ip r e c o m p i i a n c e m e a s w e n l e i l ts y s t e m st op e r f o mc o n d u c t e da n dr a d i a t e de m ie 耐s s i o n st e s t sp r i o rt os e n d i n g p r o d u c t t o a t e s t f a c i l 畸f o r 劬c o m p u a n c e t e 蚰晷t h e p a p e r i s 砌n l y a b o u t 也e r e s e a r c ho f t l l ed e s i g no f l i se f r e c t i v es y s t e mo f e m ct e s t a m b i e n ts i g n a l sc r e a t eas i g d i f i c 姐tp r o b l e i nf o re m ct e s t 1 1 1 es i 四a lp r o d u c e db ym e e u tc o u l db em o d m a t e db v 也ea m b i e n tn o i s e ，a n dt h i sw o u l dm a k et l l ei d e 觚6 c a t i o no f t l l e e u t ss i g n a lv e r yd i 伍c u h i n 也es e c o n dp a r to f t h i sa n i c l e ，趾e 恐c t i v ea d 印t i v e 丘h e ri s i n 舡d d l l c e dt os e tu pa n 铷b i e n tc a n c e u a d o nsy ： t 锄，w h i c hi s 吐i eb a s i c 也e o r yo f n l en e w m e 也o do f e t e s t k e yw o r d s ：p r e c o m p u a n c em 姐s u r e m e n t ；e m i ；d s p ；s p e c t m ma n a l ) ，z e r i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：生i 暨日期：! 口6 、6 作者签名：兰! 暨日期：! 口6 、6 - 幅 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者繇乏堑 导师签名鬈唐 导师签名：二垒! 茎 丝五年鱼月旦日 大连理工大学硕士学位论文 引言 由于在进行污水、废气的处理时，传统的电解法已经由以前的十几伏电压发展到现 在的几百伏以上的脉冲电压，为了达到更好的将污染物去处的目的，需要电压和电流脉 冲的峰值更高，脉冲的上升时间更短，脉宽更小，功率更大。而这种趋势无疑对目前已 经十分恶劣的电磁环境造成更坏的影响。 高电压脉冲放电由于其本身的特点，可形成高电压、瞬时大电流，其放电电流的上 升时间可小于1 n s ，便伴随有强电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲。这种电磁脉冲会直 接通过“前门”耦合或“后门”耦合进入一些电子设备的内部。进入电子设备的电磁能 量通过辐射和传导方式，在电路引线和器件管脚产生瞬态感应电压或脉冲电流，干扰电 路和器件的正常工作。而现实当中，这种影响也是显而易见的：稳压源时常出现明显的 波动，与此同时电话线路也会受到强烈的干扰等等。 当然，以上只是所要研究的问题中的一个缩影，但该矛盾已日益突显，此类问题层 出不穷，同时，随着国内或者国外的各种越来越严格的行业法规的陆续出台，因而对它 的研究具有非常普遍的意义。 盔垄里三奎堂婴主鲨堡兰 一 1 绪论 随着技术革命的更新和不同波段新的应用的不断发现，许多频率电磁辐射( e m f ) 的暴露水平显著增加，电磁污染( e m f ) 己成为最广泛的环境影响因素之一，生活中的 每个人都处在0 3 0 0 g h z 频率的复合电磁场( e 啪f ) 暴露中。与此同时，现代电子系统 与电磁环境相互依存，随着设备技术进步使得电磁环境变得愈加复杂，电磁干扰( e m i ) 也越来越严重。 1 1 电磁兼容所要研究的范畴及其在我国的发展概况 电磁兼容( e 1 e c 扛o m a 弘e t i cc o m p a t i b i l 时，e m c ) 是研究在有限的空间、有限的时 间及有限的频谱资源条件下，各种设备可以共存并不致引起性能降低的一门科学。 国家标准g b ，r 4 3 6 5 1 9 9 5 电磁兼容术语将电磁兼容定义为：“设备或系统在其 电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。”该 标准等同采用m c 6 0 0 5 0 ( 1 6 1 ) 。 电磁兼容包括两方面的内容：一方面指设备不受干扰的影响，另一方面指设备不对 周围的其它设备形成不能承受的骚扰。 近年来，世界各国都非常重视电磁兼容技术，并且把对电气电子产品的电磁兼容性 要求纳入国际贸易中的产品技术法规。例如，欧盟从9 6 年1 月1 日起强制执行 8 9 3 3 6 e e c 指令，即进入欧共体市场销售的电气电子产品必须符合e m c 要求，并加贴 c e 标志。 我国由于过去工业基础比较薄弱，电磁环境危害尚未充分暴露，对电磁兼容认识不 足，因此，对电磁兼容理论和技术研究起步较晚，与国际差距较大。 为了适应国际先进技术发展和国际商贸的要求，我国也不断加强在电磁兼容技术方 面的研究，并且在电磁兼容标准制订方面提出相应的方针政策。例如，我国政府制定了 电磁兼容标准化工作的具体方法： 1 、加快电磁兼容标准的修订，制订和转化，完善我国电磁兼容的标准体系： 2 、在建立起基本完善的标准体系基础上，加强和完善现在各级电磁兼容试验室和 测试机构，并推进认证制。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 电磁兼容标准概述 为了保护公众的人身安全和健康、保护环境及国家安全等，我国己通过立法强制实 施了各种评估是否符合国家规定的技术要求的产品认证制度。我国目前的电磁兼容标准 基本采用国际标准，来源主要有： 1 c i s p r ( 国际无线电干扰标准化特别委员会) 出版物。 2 i e c ，r c 7 7 制定的c 6 1 0 0 0 系列标准。 3 美国军用标准。 4 根据我国自主科研成果制定的标准。 国际上从事e m c 的主要组织中的c i s p r 主要负责频率高于9 k h z 的所有无线 电通讯保护设备的产品发射标准，低于9 k h z 的发射主要有t c 7 7 负责。 由t c 7 7 委员会制定的m c 6 1 0 0 0 4 x 抗扰度标准是m c 8 0 1 标准的扩充，是电 气与电子设备的电磁兼容测试的基础性标准，所谓基础标准就是不涉及具体的产品，仅 就现象、环境、试验方法、试验仪器和基本试验配置等给出定义及详细描述。 i e c 6 1 0 0 0 4 x 中抗扰度试验包含有低频干扰、传导性质的瞬变及高频干扰、静电放电 干扰、磁场干扰、电场干扰等几类。例如，在现行的国家标准当中，对应1 e c 6 1 0 0 0 4 x 的标准为g b l 7 6 2 6 x 。( 我国现行的e m c 方面的标准，可参见附录a ) 1 3 电磁兼容测量简述 由前面的定义，我们可以知道电磁兼容( e m c ) 指的是设备或系统在其电磁环境 中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，所以e m c 分 为电磁干扰m i ) 和电磁抗扰度( e m s ) 。如何有效地量测出实际的待测产品设备产生干扰 ( e m i ) ，和用来验证待测产品设备的电磁耐受性( e m s ) 便成为电磁兼容测量的两大 方面。 1 3 1 电磁兼容测量的方法 e m i 测量一般为两个参数即辐射干扰( l d i a t e di n t e 疵r e n c e ) 和传导干扰( c o n d u c t e d i n t e 彘r c e ) ，所谓辐射干扰是指通过空间传播的干扰，所谓传导干扰是指通过电源端 而产生的干扰。测量所需的主要设备有： 1 接收天线( 根据测量频率不同可以选则偶极子天线、双锥天线、对数周期天线 等) 。 2 测量接收机。 大连理工大学硕士学位论文 3 人工电源网络( 锄i f i c i a lm a i 璐n e t w o r k ) 串接在被测设备电源进线处的网络。 它在给定频率范围内，为骚扰电压的测量提供规定的负载阻抗，并使被试设备 与电源相互隔离) 。 4 ，天线升降架、转台及部分适配器。 5 吸收钳( a b s o r b i n gc l a m p ) 。 6 计算机、接口板、软件等。 关于e m i 测量仪器的生产厂，目前国内尚没有这方面的生产能力，国际上也只集 中在少数几家公司如德国的罗德与施瓦茨公司( r s 公司) 是生产e m i 仪器的著名公司， 一直紧跟标准的变化，美国的惠普公司( h p 公司，现为安捷伦公司) 也以其自身的优 势大量生产e m 【测量仪器，目前两家公司在技术、产品可靠性、售后服务、价格上各 有千秋。还有美国的依顿公司、泰克公司、日本的目黑公司等也生产e m i 测量仪器。 有的可用于认证测试，有的可用于企业预测试。 对抗干扰( e l e c t r o m a 印e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 简称e m s ，这方面的测量参数一般有1 0 项：静电放电、无线电频率电磁辐射场、电快速瞬变脉冲、浪涌、由射频场引起的传导、 电源频率磁场、脉冲磁场、阻尼振荡磁场、电压跌落短期中断和电压变化、振荡波抗扰 度试验。其中无线电频率电磁辐射场和由射频场引起的传导两项试验所需的仪器多一些 如需高频信号源、高频功率放大器、功率计、场监系统、计算机及相应的专用测试软件 和接口等，价格较高，另外一些大都是专用仪器或几合一的专用仪器如浪涌仪、静电发 生器、电快速瞬交模拟器等。如不考虑广播电视及相关产品的e m s 测试，那么仪器价 格般在二百万人民币左右。e m s 仪器国内也有生产，国际上较著名的有瑞士夏弗纳 公司、哈弗莱公司，国内较著名的是日本与上海电科所合资的上海三基电子工业有限公 司。 1 3 2 电磁兼容测量所需的测量环境 为了模拟复杂背景噪声及保证e m c 测试结果之重复性、准确性和可靠性，e m c 测 试对环境有较高的需求。测试场地可分为隔离室( 包含t e m g t e mc e l l 等积向电磁波 e m c 测试宣) 、电波暗室和室外开放测试区之场地( o p e na r e a t e s ts i t e ，o a t s ) 等。由于 桐邑公司在大连大显集团的微波暗室是在东北地区唯一的颇具规模的电磁兼容实验室， 所以下面先主要介绍一下这种电波暗室的特点。 ( 1 ) 电波暗室e c h o i cc h a n l b e r ) 4 一 大连理工大学硕士学位论文 为了减少反射而在其内表面上装有射频吸波材料的屏蔽室，称为电波暗室 ( a n e c h o i cc h a m b e r ) 又称射频无反射实验室。电波暗室主要用于待测物自身的射频辐 射骚扰发射和待测物的射频辐射抗扰度试验。 吸波材料一般采用介质损耗型( 如聚氨脂类之泡沫塑料，亚铁磁砖等) ，为了确保其 耐燃烧特性需在碳酸溶液中渗透，吸波材料通常做成圆锥状、棱角锥状及方楔形状，以 保持连续渐变之焦耳阻抗。通常暗室还要配备各种滤波器、通风波导、出入门和室内照 明，有时还需要高磁屏蔽摄像机。如图1 1 所示。 图1 1 电波暗室内部图 f i g 1 _ 1a n e c h o i cc h b e r 电波暗室特点是：相对于开阔场地而言，它不受气候条件的限制和背景噪声的影响； 它是一种在各个方面，对测试条件要求都相对比较严格的实验室。按照内表面无反射材 料的粘贴方式，暗室可分为： 全电波暗室( f u h y 趾e c h o i cc h a l b e r ) ：内表面全部装有无 反射材料的屏蔽室。模拟自由空间的传播环境，主要用于微波天线系统的参数测量。通 常用静区，反射率电平，交叉极化度，多路径损耗，幅度均匀性和工作频率等六项指标 来表示。半电波暗室( s e 戚a c h o i cc h a m b 哪：除有反射的地面( 接地平板) 之外，其余 内表面都装有无反射材料的屏蔽室。主要模拟开阔场地，用于e m c 测量和电磁辐射敏 感度测量。主要性能指标用归一化场地衰减( n s a ) 和测试面场均匀性来衡量。改进型半 电波暗室( m o d i 丘e ds e l l l i 蛆e c h o i cc h 锄b e r ) ：在接地平板上装有附加吸波材料的半电波暗 大连理工大学硕士学位论文 室。进行达到国家但建造电波暗室的成本、难度均相当高，且由于吸波材料的低频特陛 等原因，总的测试误差有时高达几十分贝，建设造价动辄百万。在暗室内，进行一次比 较完整的产品电磁兼容测试实验需要上万元。 图1 2 给出了在电波暗室内进行各种测量的一种典型架构。 图1 2 典型的聊i 酬s 测试架构 f ig 1 2 t y p i c a lf r e w o “o ft h e 蹦i e m st e s t ( 2 ) 屏蔽室( s c r e e nr o o n l ) 在e m c 测试中，屏蔽室能提供环境电平低而恒定的电磁环境，它为测量精度的提 高，测量的可靠性和重复性的改善带来了较大的益处。但是由于被测设备在屏蔽室中产 生的干扰信号通过屏蔽室的六个面产生无规则的漫反射，特别是在辐射发射测量和辐射 敏感度测量中表现更严重，导致在屏蔽室内形成驻波而产生较大的测量误差。目前国内 生产的屏蔽室的屏蔽效能在1 0 k 上1 0 g h z 频率范围内一般能大于1 0 0 d b 。 屏蔽室的建造成本有十几万元，较电波暗室要低廉很多，但只可以做e m i ( 电磁干 扰) 和e m s ( 电磁敏感度) 中的传导性测试实验。国内制造屏蔽室的水平基本上与国 外同种产品的水平相当，且价格比国外便宜很多。在屏蔽室内进行上述试验需要几千元。 ( 3 ) a i e m ( g i g a l = l e r t zt 】s v e r s ee l e c 虹o m a g 丑e d cc e l l ) 小室 作为替代户外开阔场地而建立的电波暗室，因其性能完善，测试手段比较标准和严 格从而获得广泛应用，但由于造价和必须配备的设备昂贵，一定程度阻碍了它向中小企 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 业发展。d r e m 小室又称为吉赫兹( g h z ) 横波暗室，是近十几年才发展起来的新型电 磁兼容测试设备，它的工作频率范围可从直流至数g h z ，内部可用场区较大，并且由于 小室本身和其配套设备的总价不是过于昂贵，能为较多中小企业所接受。因此，g t e m 小室在国内取得了长足的发展，成为企业对于外形尺寸不算太大的设备开展射频辐射电 磁场抗扰度试验的首选方案。如图1 3 所示。 蕊昏稽嚏随墟：蛙罐警攒殛鼯礞l | 璧谯燃 i 。e 1 舢x 矿x 勘“ e 正堪珞m 哪 h = 摩鞋籀赫幢i 封m i p 一艋 础率繁g 任m ( 啪i 劬 荔# 甜m 稳柚捷黜 图1 3g t 吼小室的照片及其示意图 f 培1 _ 30 j g a l l e n zt r 锄s v e 聒oe l e c 缸粕删i cc e n 但就现阶段来看，a r e m 小室内测量的理论体系还不完善，往往只是作为预相容测 试和评估的手段，所以并不能将其作为严格的测试认证的最后依据。 1 4 论文主要的工作内容 通过对现阶段各种电磁兼容测量手段的比较，研究总结出在实验室内切实可行的 e m i 预测试方案： 1 基于频谱分析仪的e m i 预测试系统 根据频谱分析仪的自身特点，结合测量的标准及测量的原理，构建适合实验室测量 环境的测试系统。 2 基于虚拟暗室的e h 缸预测试系统 分析通行的各种e m c 测试方法对这种在实用性和精确性有着明显优势的测试系 统进行研究，包括对测量的算法研究，对其进行m a t l a b 仿真，最后利用t i 公司的d s p 芯片措建数据采集及分析平台的模型。 大连理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 总而言之，微波暗室、模电磁室、混波室及宽带横电磁室等电磁兼容性测试实验室 要么建设成本太高，要么测量精度不能满足需要，加上场地、人员、技术等条件的限制， 所以都较难推广使用。 而制造企业的发展，希望预测试系统能在普通环境下进行。但又因在市内区域的无 线电台和电视台发出的信号的电平，会超出e m c 极限值3 0 至4 0 d b ，在电磁辐射测试 中，这些信号就是“背景噪声”。而且被测设备产生的电磁信号可能调制有环境中的背 景噪声。因此，如果想在普通环境下测量被测设备( e u r ) 的电磁辐射，就必须设法“消 除”背景噪声的影响。 大连疆工大学硕士学位论文 2e m c 测试系统 由于建设暗室的成本太高，企业希望预测试系统能在普通环境下进行。但是，在市 内区域的无线电台和电视台发出的信号的电平，会超出e m c 极限值3 0 至4 0 d b ，在电 磁辐射测试中，这些信号就是“背景噪声”。而且被测设备产生的电磁信号可能会被环 境中的背景噪声所调制。因此，如果想在普通环境下测量被测设备( e u t ) 的电磁辐射， 就必须设法“消除”背景噪声的影响。 最初为美国空军研究所定制的c a s s p e r 虚拟暗室啪测试系统，即使在恶劣的电 磁场环境中，也能进行精确的电磁兼容测试，还能精确定位电磁干扰源是一个兼具远 场测试和近场定位的e 加测试设备。 2 1e m o 测试设备简介 关于e m i 测量仪器的制造、测量技术在前面“1 4 1 电磁兼容的测量方法”节中 已有简要的论述。从广义上说，随着通信技术的发展，尤其是无线通信的飞速发展，使 得微渡测量仪器在众多行业中也摄到了广泛的应用：通信运营商为降低自己的成本和投 资，提高利用率，对通信设备制造商提出了更高的要求，设备功耗更低，准确度更高， 占用频宽更窄，从而使得通信设备制造商加大了对测试设备的投入，来提高产品的综合 性能；微波技术和电子对抗技术的发展。使得各国的军事专家和军备制造商重新审视和 认识微波技术在军事中的作用和能力，对相关的技术包括电子对抗设备和雷达设备提出 了更高的要求，产品测试指标和要求也越来越高。近年来的d s p 、f p g a 等技术的应用 和发展也极大程度的促进了微波测量仪器的更新换代。国产仪器在些方面一定的欠缺， 尤其是在微波测量仪器的核心技术微波器件和微波组件的加工工艺上还存在着一 定的差距。而我国在e m c 测量仪器的制造技术上的空白，无疑将导致把潜力如此巨大 的一个市场拱手让人。 2 1 1 酬i 测试仪器 ( 1 ) e m i 测试接收机 e m i 测试接收机是e m c 试验中最常用之基本坝4 试仪器，e m 【测试接收机实际上是 含高频选频放大的超外差接收机，其灵敏度可通过输入回路的可调衰减器来调节，由于 测试信号输入常常是极宽的频谱信号，运用可调谐高颓选择器对输入信号进行预选，可 以改善混频嚣的工作状况，中频放大器和中频选择器用来确定仪器的通频带，并对信号 以改善混频器的工作状况，中频放大器和中频选择器用来确定仪器的通频带，并对信号 大连理工大学硕士学位论文 进行功率放大。基于测试接收机的频率响应特性要求，按c i s p r l 6 规定，测试接收机应 有四种基本检波方式：准峰值检波、均方根值检波、峰值检波及平均值检波。然而，大 多数电磁干扰都是脉冲干扰，它们对音频影响的客观效果是随着重复频率的增高而增 大，具有特定时间常数的准峰值检波器的输出特性，可以近似反应这种影响。因此在无 线广播频率领域，c i s p r 所推荐的电磁相容性规范采用准峰值检波。由于准峰值检波既 要利用干扰信号的幅度，又要反映它的时间分布，因此其充电时间常数比峰值检波器大， 而放电时间常数比峰值检波器小，对不同频谱段应有不同的充放电时间常数，这两种检 波方式主要用于脉冲干扰测试。瞬间变化及重复频率很低的脉冲干扰源已成为主流，使 用准峰值检波器已不能客观评估此类干扰的特性，军规测试e m c 对于单一脉冲或重复 频率很低的脉冲进行检测，常用峰值检波，由于峰值检波是要测试出干扰信号振幅的最 大值，故它只取决于信号的幅度而与时间无关，其充电放电时间常数比值t c 厂r d 要足 够小，通常t c t d 为几百分之一。平均值检波主要用来测试窄频的连续波、调谐波干 扰，其充放电时间常数比值t c 厂r d 为1 。 若是干扰经常由许多独立的脉冲源产生，而往往是随机的，则最好使用均方根检波 器。选用检波器取决于被测受干扰源的性质以及所受保护灼对象，对于同一干扰噪声用 不同检波器测得的值是不同，而各种检波器对脉冲干扰的相对响应也是不同。但将测试 数据通过转换后，仍可得出一致的结果，有些接收机只有峰值或准峰值检波器，此时只 需通过准峰值或峰值转换器转换，就能满足不同的测试要求。 ( 2 ) 频谱分析仪 频谱分析仪的检波器为峰值检波，因而满足军规e m c 测试要求，但不符合欧美e m c 商规及我国电磁相容性国家标准( c n s l 3 4 3 0 系列) 规定的极限值测试。为此必须在输入 端配备预选器( p r e s e l e c t o r ) 以防止混频器饱和，改善频谱分析仪的s n 比，提高灵敏度， 并且在中频输出端配备准峰值转换器或检波器。则系统灵敏度、动态范围也提高，就可 以满足军规e m c 测试及c i s p r 标准测试。 e m i 测试接收机与频谱分析仪各自优缺点：测试接收机的优点有测试准确度高、动 态范围大、频率分辨率高、灵敏度高、互调干扰小及有四种基本检波方式；缺点就是不 能像频谱仪分析仪在很宽的频率范围内展开观察，而对被测信号无法快速进行频谱分析 和振幅测试。频谱分析仪的优点是能在很宽广的频率范围内观察而迅速地对被测信号进 行频谱分析和振幅测试、测试设备相对简单及测试比较方便；缺点就是测试准确度相对 差一些、频率分辨率较低、互调干扰大、选择性较差及只有单一峰值检波方式。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2e m c 测试用天线 电磁相容性测试频率范围从几l o k 到几1 0 g i z ，在这么宽的频率范围内作电磁干 扰及电磁耐受性测试，所用天线种类繁多，且必须借助各种探测天线把被测场强转换成 电压。电磁相容性试验中各频段优先使用的天线，包括在1 5 0 h z 3 0 m h z 采用棒状与环 路天线，3 0 m h z 3 0 0 m 采用偶极与双锥天线，3 0 0 m h z 1 g h z 采用偶极、对数周期 及对数螺旋天线，1 g h z 4 0 g h z 采用喇叭天线，这些天线的相关参数与理论可参考制 造厂商提供天线出厂的资料。电磁相容性测试用天线具有下列特点：广泛的应用到宽频 带天线，为了提高测试速度，不得不采用宽频带天线，除非只对少数己知的干扰频率点 进行测试。宽频频带天线在出厂前提供校正曲线，使用时需输入此天线因素。天线增益 不高，方向性不甚明显。不少试验用天线都工作在近场区，测试结果对测试距离很敏感， 为此试验中必须严格按试验规定进行。其次，在近场区电场、磁场的比( 波阻抗) 不再是 个常数，所以有些天线虽然给了电场、磁场的校正系数，但只有当这些天线作远场测试 时才有效，测试近场干扰时，电场与磁场测试结果不能再按此换算，这是在试验中容易 忽略的问题。天线的场强钡9 试动态范围较宽，应根据测试对象正确选用，电磁相容性试 验的场强相差很大，对强大场强虽然可用衰减器扩大天线量测范围，但应以不损坏天线 转换器为前提。收、发天线有时是不能互易，如同为双锥天线，收、发用天线有区别， 收、发环路天线也不同，使用时不能互换。如图2 1 所示。 b a d h n d _ a 1 1 t 明n a t1 0 抛m 掩 l 锄p 嘶o d l c a n t e n 怕 拉8 0 l 口9 0 m l z l 图2 1 蹦i 辐射铡量所用到的天线 f i g 2 1a 咖觞m e d i l le m ie m i s s i o m e 龇e m e n 乜 大趣工大学硕士学位论文 2 2 虚拟暗室e m c 测试系统简介 以上讨论过的各种e m c 测量手段的一个重要的制约因素就是成本，各种测量仪器 均价格不菲，而且进行测量所需要的各种暗室，屏蔽室等场地的建造费用更是让大多数 的中小企业望而却步。企业迫切需要一种成本低廉，而又快速有效的测试方法对待测产 品先做一些摸底测试，然后再到权威的检测机构安排最终的标准化测试。这种摸底性测 试同样要求有较高的精确度，测试结果要有可比性，同时，最好降低对测量人员的技术 门槛。下面就来具体讨论一下容向公司( c a s s p e r ) 的一种新型的e m c 测试系统。 2 2 1 系统组成 虚拟暗室测量系统系统由双通道d m 接收机、高性能计算机、双通道高速d s p 卡 ( 内置于计算机) 、天线、近场探头以及测量软件等组成。如图2 1 所示。 遁 避 a 图2 1 虚拟暗室系统组成 f i g 2 1t h es 劬l c t u 把o f t l l ev i 巾增1c 1 1 锄b e rs y s t e m 双通道e m i 接收机中的两个通道实现了时间以及频率的同步。每个通道( a 通道或 者b 通道) 都在接收机的前面板上设有二至四个端口，不同频段的天线可以接到不同的 端口上，系统可以对不同频段的天线进行自动切换。接收机把收到的信号经过中频处理 后，由a d 变换器转换为数字信号，再由计算机内部的高速双通道d s p 卡对两个通道的 数据按照有专利技术的算法进行数据处理，最终由计算机进行分析、存储、显示、打印 等处理。 双通道e m 【接收机使用两套时间与频率都同步的通道同时去接收一个复杂系统中 的信号。通道a 的天线放在被测设备的前方一定距离( d ) 处，接收来自被测设备( d u t ) 以及背景共同作用的信号。通道b 的天线则放置在离d u t 较远的地方，接收背景噪声。 高速d s p 技术在虚拟暗室测量系统中的应用，通过时间频率相位三者的关系，准确滤 除背景噪声，创建了一个虚拟的第三测量通道，这个通道真实地反映被测设备的电磁辐 射情况。 2 2 2 系统应用 ( 1 ) 普通环境下的电磁预兼容测试 在被测设各( e t 丌) 的前方一定距离( d ) 处放置一天线并连接到通道a ，负责接收来 自e u t 以及背景共同作用的信号。另外一个天线则放置在离e u t 较远的地方，其距离 至少是d 的十倍，并连接到通道b ，负责测量来自整个背景的噪声情况。 同步的双通道e m i 接收机，可以保证背景信号能同时被接收机的两个通道分别收到， 从而可以将收到的共同具有的背景噪声记录下来并滤除掉，这就创建了一个虚拟的第三 个测量通道，这种测量方法可以很真实地反映被测设备的电磁辐射情况。 虚拟暗室测量系统在“消除”背景噪声方面，采用了具有专利的“时间频率相位”同 步识别技术，通过相位识别，把背景噪声用傅立叶计算方法剔除掉。虚拟暗室测量系统 能提取被调制的e u t 的信号，也能提取与背景噪声频率一致的e u t 信号。这种测试方 法允许背景噪声是不稳定的，如果背景噪声在测试场地是“均匀”的，则测试结果能与标 准e m c 场地的测试结果保持基本一致。而在实际测试中，“背景噪声均匀”的环境是很 容易找到的。 图2 2 在有很强的背景噪声的条件下测量 f i g 2 2e m cm e a s u r e m e n ti i lp 糟s e n c eo f s 仃o n ga i l l b i e ms i g l l a l s ( 2 ) 定位辐射源 相同频率的两个信号，未必来自同一信号源。在定位辐射源的测试中，通道a 接到 一个放在e i 仃附近的远场天线或者电流卡钳，探钡9e u t 产生的电磁干扰，通道b 连接 大连理工大学硕士学位论文 一个近场探头。移动通道b 的探头，通过两个信号的相关性来确定辐射源的位置。这就 意味着即使不同的几个发射器发出同样频率和幅度的信号，系统也可以加以区分，从而 准确定位干扰源。 虚拟暗室测量系统，由于它能通过时间，频率，相位来识别两个天线接收到的信号的 相关性，所以在e m i 定位方面，它能找到真正使远场测试不合格的干扰源位置。找干 扰源的时候，一个显示窗口上同时显示远场数据( 天线收到的信号) 和近场数据( 探头 收到的信号) ，能在产生相同频率的多个位置中找出与远场信号相关联的位置，可以为 t 程师节约大量的时间，能应用于从板级设计一直到系统级设计。如图2 3 所示。 闰2 3 消除背景噪声和定位辐射源 f i g 2 3e m i j n b i e n tc 锄c e 】1 a t i o n 趿ds o u r c el o c a l i z a t i o n 其虚拟暗室系统接收机使用两套时间与频率都同步的通道同时去接收一个复杂系 统中的信号，用来进行电磁发射的测量和电磁干扰源的定位。虚拟暗室系统把先进的数 字信号处理技术s p ) 引入到了e 测量中，能通过算法准确滤除背景噪声，得到被测 设备( e u d 实际的准确的电磁辐射情况。该系统不仅能滤除一般的背景噪声，还能精确 提取与背景噪声相同频率的e i ，r 信号。即使背景噪声的幅度或者频率被调制了，其背 景噪声滤除陛能也不会下降。虚拟暗室系统也能滤除来自多个地方的背景噪声，能在市 内区域精确测量电子设备的电磁发射。 2 6 本章小结 对于整个e m c 测试过程来说，场地的建设和维护费用无疑是相当高昂的，而测试 系统包括各种相关设施也是造成其成本居高不下的原因之一。即使最普通的接收机，它 的造价也在数十万元的水平上，而这正是一台性能良好的频谱分析仪的价位水平。大多 大连理工大学硕士学位论文 中小企业是无力建设场地的，在为电磁兼容测试实验室进行配置的时候也往往倾向于选 择更廉价的频谱分析仪。所以，人们一直在探讨如何使这种廉价的测试系统的测量精度 更高，同时结果也更具可比性。 一个不可回避也是非常关键的问题就是背景噪声的影响。无论接收机还是频谱分析 仪，它们都是借助暗室、屏蔽室等手段来隔离各种其它各种噪声的，而中小企业需要的 是在比较普通的环境下进行测试，因为在现今想要找到一块合乎标准的开阔场地几乎是 不可能的，所以，这种普通的环境也许只有简单的防护措施，或是就在操场一类的空地 上。上文提到过的虚拟暗室就是这样一次很好的尝试，虽然虚拟暗室系统的造价不低， 但作为一种预测试系统，其作用要比普通的系统高出很多。 大连理工大学硕士学位论文 3e 预测试频谱分析仪法 电磁兼容预测具有涉及领域广、研究对象千差万别、预测方法多种多样等特点。研究领 域包括所有存在电气、电子设备的场合，这样对电磁兼容预测的分类就变得很复杂，不 过可从不同的角度得到相应的分类方法： 按预测对象，可分为印制级预测、部件级预测、分机级预测及系统级预测 从预测所用方法上可分为经验法、解析法、数值法；或分为场的方法、路的方法、场路 结合的方法等。考虑工程应用习惯，下面以骚扰传播途径为主线、骚扰类型为辅线，讨 论电磁兼容预测的分类并介绍各自的特点。 我们知道，任何干扰的产生必然通过某种途径由骚扰源耦合到敏感设备，按骚扰途径的 不同可分为传导类骚扰、感应类骚扰和辐射类骚扰。 1 传导骚扰 传导骚扰的耦合途径是直接相通的电路，骚扰信号正是通过此通路由骚扰源耦合到敏感 设备。主要有共地阻抗耦合及共源内阻耦合两种，一般采用路的方法予以分析。 2 辐射骚扰 辐射骚扰是指通过空间电磁场的耦合。根据频率高低及骚扰源、敏感设备之间的距离不 同又可分为近场骚扰和远场辐射骚扰。这决定了中算法的不同，而远场骚扰又可进一步 细分为共模骚扰和差模骚扰。 3 感应骚扰 在相互靠近的导体或回路之间亦会形成骚扰，按骚扰机理的不同可进一步分为电场耦合 和磁场耦合。 1 ) 电场耦合 电场耦合是指当两个导体相互靠近时，一根导体上的电磁能量会对另一根导体产生影 响，表现为电场交链耦合。耦合程度取决于导体的形状、尺寸、周围介质及相对位置， 即两导体之间的电容，故又称容性耦合。 2 ) 磁场耦合 大连理工大学硕士学位论文 与电场耦合不同，磁场耦合是指：如果两个导电回路之间存在磁场交链，当其中之 一流过电流时就会在另一回路上形成感应电压，此干扰电压又在受害电路中产生干扰电 流。耦合强弱取决于骚扰源频率、强度及两导电回路之间的互感等因素，故又称感性耦 合。 3 1 电磁辐射的测量概述 电磁波就其与波源的关系来看，可以分为两类：一类是束缚在波源附近的束缚电磁 波，其电磁场称为感应场；另一类是电磁能量完全辐射的自由电磁波，相应电磁场为辐 射场。 感应场也称近区场，电磁能量不仅在电场和磁场之间来回转换，而且在波源与其周 围空间之间来回转换，束缚电磁波的总能量是不向远方辐射的；辐射场是在远离波源的 地方，电磁波能量基本上完全是自由电磁波能量。 根据国标规定，关于远场和近场的测量问题可以简化为：当电磁辐射体的工作频率 低于3 0 0 m h z 时，应对工作场所的电场强度和磁场强度分别测量；当电磁辐射体的工作 频率大于3 0 0 m h z 时，可以只测电场强度。 3 1 1 近场区测量 在近场区( 感应场区) ，电场强度e 与磁场强度h 的大小没有确定的比例关系， 即：e = 3 7 7 h ，需要分别测量电场强度e 与磁场强度h 的大小。对于电压高而电流小的 场源，在感应场区内主要是电场，主要测量电场，对于电压低而电流大的场源( 如感应 线圈) ，在感应场区内主要是磁场，主要测量磁场。例如，对于没有接上电器的墙上电 源插座，电流基本为零，电压不为零，插座在其附近产生一定强度的工频电场，但产生 的工频磁场基本为零。国家标准限值中3 0 m h z 以下以场强为准，因为该频段的波长大 于1 0 米，测量点处的感应场常常不能忽略，电场强度e 与磁场强度h 的比例关系不确 定。 由前面的场强与距离的关系可知，近场区场强很大( 根据不同的设备，电场强度可 能从几十到几百v f m ，磁场强度可达到数m n ) ，但场强随距离的增大衰减得很快，即 场强变化梯度很大，是一种非常复杂的非均匀场。因此，近区场强仪的量程应当足够大， 而测量探头应当足够小，测量结果才能代表测试点的场强。 盔垄望三拦塑主兰垡! 墼 3 1 2 远区场的测量 远区场( 辐射场区) ，可引入功率密度矢量( 波印廷矢量) ，电场矢量、磁场矢 量、波印廷矢量三者方向互相垂直，波印廷矢量的方向为电磁波传播方向。 在数值上，e 3 7 7 h ，s i e 2 3 7 7 。其中电场强度e 的单位是( v ，1 ) ，磁场强度h 的单位是( m ) ，功率密度的单位是( w m 2 ) ，全部是国际单位制( s d 。 由公式可看出，在远场区，电场与磁场不是独立的，可以只测电场强度，磁场强度 及功率密度中的一个项目，其他两个项目均可由此换算出来。 3 2 频谱分析仪测量e m l 概述 频谱分析仪和接收机的各自特点在第二章已有所论述，大多数情况下，出于对成本 的考虑，人们在进行e m i 预测试的时候，往往选择频谱分析仪。虽然，频谱分析仪有 其自身的一些缺陷，但随着d s p 技术的发展，设备的升级换代，一些频谱分析仪渐渐 完善某些功能，这样也就一定程度地弥补了它的不足。 3 2 1 用频谱分析仪进行酬i 测量优点 许多频谱分析仪和接收机采用微处理器作为辅助控制，可简化其操作。用频谱分析 仪测量勘m ，还有其他一些方便之处： 显示数据可数字存储，具有安全和便于长久保存的优点； 扫频范围宽，能显示出任意频率范围下的数据，便于快速估计出放射电平。 又可编程的特点，能使一些测量系统实现自动化。 具有轻便性，能使现场测量和设备安装测试工作更容易。从设计的角度看，这样更便于 利用一切资源和条件来改善e m 【特性以及估计各种设计方案的优劣。 3 2 ，2 频谱分析仪的测量原理 目前的频谱分析仪多采用超外差式，如图3 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 黜， m 。h 嗍i 。 怒勰紫 圈3 1 超外差式频谱分析仪结构图 f i g 3 1b l o c kd i a g r 蜘o fac l a s s i cs u p e r h e t e r o d y n es p e c t r u ma n a l y z e r 从图中可以看出，输入信号先要经过一个低通滤波器，然后加到混频器上。在混频 器中，输入信号和本地振荡器的本振信号进行混频。混频后，如果有任何一个频率分量 落在中频( i f ) 滤波器的通带之内，就会经过放大，并被包络检波器整流、数字化，最 后加到阴极射线管( c r t ) 的垂直偏转板上，使在c i 汀的屏幕上产生垂直方向的偏转。 与此同时，锯齿波发生器使c r t 的电子束从左到右水平偏转，该锯齿波同时也调谐本 地振荡器，使它的频率随锯齿波电压成正比例变化。 整体的结构类似于超外差式收音机，原理也极其相似，这里就不再赘述。 3 2 3 频谱分析仪测量的一些局限 频谱的重叠：窄带信号的频谱分量相距很远，用频谱分析仪可以把它们区分开，并 分别测量。宽带信号含有许多相距很近的频谱分量，用规定的测量带宽不能将它们一一 区分开。尤其是在背景噪声和e i j t 的频谱发生重叠的时候，用频谱分析仪将其区分是 不可能的。不过也可以采用先关闭已知的e u t 的辐射源，进行背景噪声测量，再通过 背景噪声和e u t 叠加的信号减去噪声信号，间接测出实际e u t 的e m i 强度的办法来解 决。 扫频时间的影响：频谱分析仪的扫描时间是指扫描一次整个频率量程所需要的时 闻。频谱分析仪的数字滤波器决定了它必须以步进的方式进行扫频，对于像高电压脉冲 放电这样的瞬变过程，几乎不可能完整的捕捉到它的频谱。解决办法只有大量反复的进 行测量。a g i l e m 公司频谱分析仪有峰值显示和最大值保持方式；t e k 的n i x 公司的触发 大连理工大学硕士学位论文 性的实时频谱分析仪能较好的记录下是否在感兴趣的区域有达到自定义强度的频率出 现等等。这样的些手段使该不足得到一定程度的完善。 3 3 传导干扰的测量 传导干扰由于受背景噪声等因素影响的程度较小，有时可以不在暗室中进行的，测 量场地最好是在开阔地。以下使用