建立完善的EMC测试和EMI调试手段的报告

建立完善的EMC测试和EMI调试手段的报告前言未来的战争是信息的战争，这一点已经成为共识，信息的主要传送方式是电磁波。军用产品的电磁干扰控制技术，不仅仅是国军标GJB－151A/152A所要求的，更是为了提高国防能力的需要，摆在各军品生产单位面前最迫切的任务就是控制产品的电磁辐射，提高产品的电磁隐蔽性能，提高产品对电磁干扰的抗干扰能力。产品的电磁兼容特性，不仅仅是产品的一个最重要的质量指标，对军用产品，它更是一项安全指标。西方发达国家，对产品的电磁兼容（EMC）/电磁干扰（EMI）的研究已经积累了几十年的经验，并拥有大量先进的测试和调试设备，美国最早的军用标准发布于1967年并在当年强制实施。而我国的军用标准最早分布于1986年，强制执行GJB-151A/152A还是最近几年的事情。我们的工程师对产品的EMC设计技术和EMI抑制技术还很不熟悉；我们企业的EMC/EMI设备几乎是空白。为使公司不断开发满足现代战争要求的产品，建立一套相对完善的EMC测试和EMI调试手段是非常必要的。建立EMC测试手段的目的在于能在公司内部对产品的各个阶段实际测量产品的EMC特性，及时掌握产品的EMC性能，在研究、开发、生产的各个阶段控制产品的EMC指标。建立EMI调试手段的目的则在于排除产品内部的EMI问题，提高产品质量；在电路设计上，从源头降低产品对外的电磁干扰；在电路设计上考虑产品的抗干扰性能，提高产品的电磁环境适应能力。电子产品EMC设计对策传统的电磁兼容设计对策传统的电子产品设计流程是，硬件工程师对EMC的理论、EMI的产生机理和抑制手段概不清楚，他们在基于逻辑考虑，完成PCB设计和样机的调试后，就把样机交给专门的EMI工程师。目前，大部分企业的EMI工程师，更熟悉结构设计，一般不熟悉PCB的设计技术。传统的EMI对策方法，是将试制完成的产品（EUT）送到电磁兼容（EMC）认证测试中心的暗室，实测它所发出的电磁辐射；针对实测结果，采取相应对策。如果测试未通过，就由EMI工程师负责采取屏蔽、滤波、接地等手段把EMI“关”在产品内部。这种办法是把EMI对策作为产品上市的最后一道工序来考虑的，而且仅在最后一道工序里考虑。采取的方法是“弥补”方式，经常需要反复多次去EMC认证测试中心，随着产品工作频率的提高，这种方法的工作量越来越大，而且付出的代价也越来越高（多次小批量试生产的样机成本，认证测试费用，推迟产品上市的利润损失等），浪费的时间也越来越多（多做一版PCB的总时间一般需要2个月，预约认证测试可能需要几周）。而且被“关”在产品内部的电磁辐射可能会影响其他电路的正常工作，导致EMC过了，产品其他技术指标可能被降低了，或者产品的性能很不稳定。传统EMC设计对策面临的挑战随着主频的进一步提高，布线密度的进一步增加，多电平方案和地平面/电源平面分割技术的使用，PCB板中信号间存在着大量的电磁干扰，造成设备功能故障或者工作不稳定。同时所有信号对外形成很强的电磁辐射，使得产品通过EMC测试成为产品上市的一个障碍。与此同时，工程师还要面对越来越严格的质量、成本、开发速度、重量和体积等因素的严格要求，给EMI对策提出了新的挑战：要让产品稳定工作，不仅要实现产品外部的EMC，还要实现内部模块间、PCB内的EMC；产品内部的EMC，大部分情况下，我们不能使用传统的屏蔽和滤波手段。实现外部EMC的同时，不能影响内部的EMC。例如，采用传统的屏蔽手段把干扰“关”在设备内部之后，对内部EMC提出了需要增强抗干扰能力的要求。屏蔽和滤波等传统的EMI对策手段，在使用上受到很多限制由于市场的需要，产品的成本、体积和重量等指标，限制了工程师使用传统的屏蔽和滤波手段。有的产品会产生很多热量，屏蔽会引起散热不畅而导致系统工作不稳定。很多新的EMI问题是传统屏蔽和滤波手段所无法解决的。EMI频率和信号的高频成份频率相同，不能再用EMI滤波器进行滤波；例如，一个较低频的20MHz的信号，产生的5次谐波是100MHz，但是系统中其他信号的工作频率就是100MHz，这种情况下，不能采用传统的滤波手段。信号波长变短，PCB上的布线，机箱内部的电缆，以及机箱本身，和机箱上的各类插孔，都将变成发射EMI的天线。现在很多电路的谐波分量高达1GHz，对于1GHz的信号，长度大于1.5cm的布线、电缆、机箱开口等，都会成为电磁干扰的天线。屏蔽再好的机箱，总有电缆要引出来，电缆上的高频EMI，传统手段很难滤除由于频率的提高，机箱内部的EMI很容易被耦合到连接到外部的电缆上，对于几百兆的干扰，传统的在电缆上采取滤波的手段（使用扼流圈）方法很难凑效。适应现代电子产品特点的新的EMC设计对策面临挑战，我们需要采用EMC系统设计对策，就是从产品的概念、设计阶段给予关注，在原理、PCB、结构、线缆、屏蔽、滤波、软件等各个方面全面考虑，实施产品全过程的EMC管理。产品的电磁兼容特性已经成为产品的最重要的质量指标之一。一次就设计出满足现代EMC要求的电子产品是很不容易的。但是如果我们能在设计的全过程中，及早考虑EMC设计，不仅有助于减少反复试验和返工，还能节省大量的开发费用，并能使产品提前上市。EMC的成功，要求我们了解市场标准、EMC测试方法、EMI的产生原理及抑制技术。通过科学的管理方法，先进适用的仪器设备，以及设计人员的协同工作和共同努力，把EMC设计综合到产品研制过程中的各个阶段，实现EMC一次成功是完全可能的。右图是实现产品一次过EMC的最佳设计方法：全面的EMC管理：让项目内所有人员认识清楚各类EMI的形成机理，对EMI的形成原理、特点、抑制手段给予充分揭示和认识。这是EMC工作的基础。企业应该为工程师制订设计工艺文件，让工程师严格按照产品EMC设计规则进行产品设计。在产品开发和维护的全过程中，项目负责人应该在产品的EMC方面起到全面的协调、评审和控制作用，及时掌握产品的EMC特性，并在需要的时候调整策略。不仅能保证产品良好的EMC特性，还能尽可能降低产品的综合成本。全面科学的EMC管理，先进的设计和评估工具是非常重要的基础。优秀的总体设计、电路设计及结构设计，是保证产品EMC特性的基础。需要把企业长期积累的经验应用到设计中。电路功能模块的合理划分、良好的模块间的互连、模块及电缆的布局、良好的电路与结构的配合、电子元器件的选择，等等，都需要在这个阶段来考虑。PCB设计技术已经成为控制产品EMC特性的最重要的一个环节。元器件布局、PCB布线、阻抗匹配、接地设计以及电路的滤波等，都应该考虑EMC的要求。PCB的EMC设计技术已经成为广大硬件工程师最为关注的课题。设备的内部电缆一般用来连接PCB或其他内部子组件。在高速电路系统中，电缆能把PCB上的信号发射出去，是形成EMI的主要原因，因此，包括电缆的走线路径、屏蔽手段、固定方法、电缆长度等，都需要考虑EMC的要求。在PCB及内部电缆考虑了EMC要求后，大部分产品还需要考虑用机箱来屏蔽EMI。机箱上的缝隙、散热孔、电缆通孔、安装螺钉等的设计，需要考虑EMC的要求。最后，还应着重考虑输入电源和其他连接到外部的电缆的滤波问题。建立相对完善的EMC测试手段电磁兼容预测试的必要性电磁兼容（EMC）认证测试属于产品后期的成败型测试，通过则出厂，否则就不能出厂；从产品研制周期角度看，这时发现问题，已经太迟，解决的方法基本上是“弥补”的方法，即采用屏蔽和滤波。如果屏蔽和滤波不能解决问题，就必须重新设计电路板，解决问题的手段少、成本高、效率低。而且这种“弥补”的方法会降低产品的可靠性和稳定性等其他指标。EMC认证测试的费用是昂贵的，而且必须预约，也许需要等待数周的时间。如果测试不能通过，我们不能在认证测试中心进行各类调试，只能回来对产品进行整改后，需要再次预约，再次去认证中心进行测试。如此多次反复，会浪费大量的财力和物力，并严重影响产品的上市时间。按照现代电子产品EMC新对策的要求，应该允许设计人员在开发阶段能对其所开发产品的实施电磁兼容的摸底测试，及时发现问题并采取有针对性的措施来解决问题，降低纠错成本并提高认证测试的一次性通过率。实践证明，在产品开发过程中，越早考虑电磁兼容，所付出的成本越低，解决的手段越多，效率也越高。完整的EMC认证测试包括发射辐射、传导辐射、以及发射辐射敏感度和传导辐射敏感度测试等。在产品的EMC认证测试中，产品的发射辐射测量最难通过，问题也最难解决。发射辐射要求的环境是一个开阔场或一个半电波暗室；对发射辐射敏感度的测试，则需要使用全电波暗室；对于其他形式的EMC测试，一般的实验室环境就可以了。EMC测试手段的内容计划建立的EMC测试手段，希望能实现：在产品最初期能对产品的EMC指标进行精确的测试，发现问题后可以及时利用“EMI调试和排查手段”来排除这些问题。确保产品去认证中心测试能一次通过；能按照GJB-151A/152A的发射辐射和传导辐射等指标进行准确而精确的测试；兼顾未来发展的需要，考虑公司在未来有建标准暗室的可能，需要本次采购的设备能在未来的标准测试系统中，仍然能够作为主设备使用；由于本公司的产品经常需要进行外场试验，希望本次采购的设备能方便携带，并能适应比较复杂的测试环境。能兼顾测量本公司产品性能指标的能力。经过调研，我们列出如下三种方案：CASSPER虚拟暗室EMI测试系统CASSPER是一个同步工作的双通道EMI接收机系统，具有相关性测试功能，能执行EMC预测试。系统的最大特点是：体积小、重量轻、方便携带：CASSPER系统由计算机、接收机及两套天线组成。这些设备都很轻小，携带非常方便，能在外场进行精确的EMC测试，甚至可以作为车载的EMC测量系统。可以在恶劣的电磁环境下测量：即使有很大的背景噪声，即使被测设备产生的信号与背景噪声信号进行了调制（如载波调制、幅度调制、频率调制或者数字调制），CASSPER同样能把被测设备产生的信号检测出来。能进行传导和发射的精确测量。可以测量任意体积的被测设备的EMC：CASSPER对被测设备的体积没有限制，它构成的测量环境就象一个巨大的开阔场一样。CASSPER不仅能测量远场，还能进行近场EMI定位：把CASSPER的一个通道接上远场天线，另外一个通道接上近场探头，就可以通过识别远场和近场信号的“相关性”，准确定位EMC测试中超标频率点的位置。CASSPER是标准暗室测试系统的补充。能进行外场测试，能在普通的工作场所进行精确的测试。或者，当暗室的屏蔽性能下降时，它能提高暗室的准确性。DSI-600-27EMI测试系统DSI-600-27是目前全球最尖端的EMI接收机，频率范围为20Hz－27GHz。完全符合GJB-151A/152A的测试要求。特点是：符合各类产品及各类EMC标准测试要求的EMI接收机。全球最灵敏最精确的EMI接收机，特别适合于未来标准暗室测试系统的发射辐射测试的EMI接收机，几十年内不会被淘汰。一体化设计，特别轻巧，携带方便。采用传统的背景噪声滤除功能，对环境要求相对较高。但是由于DSI-600接收机具有音频和视频解调的能力，测试人员通过监听音频端口的输出可以辨别测量到的信号是否为电台等背景信号。DSI-2020-2EMI测试系统DSI-2020-2是标准的EMI接收机，频率范围为1kHz－2GHz，可以扩充到20Hz－2GHz。特点是：成本低，4个检波器，标准EMI接收机，完全符合民用产品EMC测试要求的EMI接收机，作为民品EMC测试，几十年内不会被淘汰。具有极高的灵敏度，极低的噪声系数，特别适合于军品传导辐射测试，作为军品传导辐射测试的EMI接收机，几十年内不会被淘汰。符合现在本公司产品发射辐射测试和传导辐射测试的全部要求，但是随着本公司产品频率的不断提高，本产品最高2GHz的频率可能不够，但是本产品在未来可以作为传导辐射测试。在发射辐射测量时，采用传统的背景噪声滤除功能，对环境要求相对较高。但是由于DSI-2020接收机具有音频和视频解调的能力，测试人员通过监听音频端口的输出可以辨别测量到的信号是否为电台等背景信号。上述三种方案最终能组成一个非常完整的EMC测试体系。方案1的重点在于“外场测试”，方案2的重点在于“发射辐射”测试，方案3的重点在于“传导辐射”的测试。当然，初期可以考虑仅选择其中一个方案，其他方案可以作为EMC建设的近期目标来考虑，逐步完善。配套的天线组及LISN计划采用美国AHSystems公司的天线，该公司的天线是目前世界上最灵敏的天线，品种非常齐全，计划采购的类型为：AK-2G，频率范围为20Hz－2GHzAK-26G，频率范围20Hz－26GHz各方案对天线的配置为：方案1：需要配备2套AK-2G方案2：需要配备一组AK-26G方案3：需要配备一组AK-2G为了能进行传导辐射的测试，按照GJB-151A/152A的标准要求，需要配备一个LISN（电源稳定网络），计划采购的型号为：英国CRANAGE公司的符合军标的产品（50A）。建立完善的EMI调试手段EMI调试和排查手段的项目内容计划建立的EMI调试和排查手段，希望能解决如下问题：能让工程师充分认识电磁干扰的形成机理和抑制机理，不断积累排除EMI问题的经验。尽可能在源头（PCB板）控制电磁干扰的强度和区域，不仅有利于轻松通过EMC测试，同时能大大提高产品的质量，并降低产品综合成本；产品去认证中心按照GJB-151A/152A进行发射辐射和传导辐射等项目的EMC测试时，如果不能通过标准测试，该手段能帮助工程师迅速定位干扰源的源头，在最短的时间内，用最简单最低廉的成本，达到符合标准的要求。产品去认证中心按照GJB-151A/152A进行发射抗扰度和传导抗扰度等项目的EMC测试时，如果不能通过标准测试，该手段能帮助工程师迅速定位电路或者电缆的敏感点，在最短的时间内，用最简单最低廉的成本，达到符合标准的要求。能评估硬件工程师的设计水平。能对工程师采取的各种抑制EMI的方法进行快速评估。根据调研，加拿大EMSCAN公司的EMSCAN电磁干扰扫描系统，非常适合于完成“电磁干扰调试、排查、EMC特性评估、EMI问题排除”等任务。EMSCAN是一种近场测量手段。除了能给出频谱图外，还能提供有关电磁干扰的空间分布的信息，也就是说，它能定位电磁干扰源以及传播途径。右图是EMSCAN的测量结果。Emscan采用阵列天线（共1280个小型H－场探头）来测量放在扫描器上的工作着的电子设备的近场辐射，由控制器和扫描器构成。能实时显示活动的电磁场。根据我单位产品特点及工作需要，拟采购如下系统：EMSCAN主系统：NPSL3.0包括：增强型控制器1台 SM-LF100扫描器一台 SM-1700扫描器一台控制器NEXUS+扫描器SM-LF100控制器NEXUS+扫描器SM-LF100扫描器SM-1700扫描器SM-3000前置放大器EMCO7405－907BN频率范围100kHz－3GHz用于提高测量的灵敏度，在测量电缆、机箱的电磁辐射时，有必要使用前置放大器。信号源安捷伦8648B频率范围9kHz－2GHz用于产生标准的电信号，通过近场探头变成电磁场信号并发射到被测设备上。本设备的目的是为了调试产品的发射抗扰度。单个的近场探头组包括3个磁场探头和2个电场探头。用于：连接信号发生器，作为场源探头使用，向被测设备发射已经频率的电磁场信号特殊情况下，可以用单个探头取代EMSCAN的扫描器，增强EMSCAN的灵活性。频谱分析仪EMSCAN需要使用频谱分析仪对扫描器接收到的RF信号进行滤波和扫频处理。一般常用的频谱分析仪均适用。计算机普通的PC即可，需要安装Windows2000或者WindowsXP操作系统。购置EMSCAN电磁干扰扫描系统的目的和意义新EMI对策的核心是“充分认识EMI形成和抑制的机理，及早考虑EMC问题”。EMSCAN是目前世界上唯一采用阵列探头和电子扫描方式的电磁场近场测量系统，也是世界上唯一能够获得被测物完整电磁场信息的设备。EMSCAN电磁干扰扫描系统，能帮助我们认识EMI的产生和抑制机理，是符合EMC设计新对策要求的设计工具，它能：能科学直观地评估PCB的设计质量和硬件工程师的设计水平，让工程师不断提高PCB设计能力。并把电磁兼容的考虑及早引入