《工程电磁兼容》课件-第10章

第10章EMC测量10.1概述10.2EMC测量设施10.3EMC测量设备10.4EMC测量实例习题

衡量电子、电气产品的好坏,首先需要考虑其功能性指标,也称为电性能指标,如滤波器的插入损耗。随着科学技术的发展,电子、电气产品的工作环境发生了变化,其非功能性指标(电磁兼容性、可靠性)显得越来越重要。特别是在复杂电磁环境下,电子、电气产品的电磁兼容性已成为保障其功能性指标正常和生存能力的重要非功能性指标。

判断电子、电气产品的电磁兼容性,需要依据EUT的EMC测量结果是否通过指定EMC标准来确定。EUT的EMC测量结果能够给出产品是否通过了指定EMC标准及其安全裕量;或者给出没有达标产品的具体超标频点及其超标量值。因此,EMC测量是产品获得EMC认证的唯一途径,也是产品EMC整改和加固的重要步骤,贯穿于电子、电气产品研制的整个过程。

10.1概述

电磁兼容性测量依据不同的标准,有许多测量方法。一般地,EMC测量可以分为四类:传导发射测量(ConductedEmission,CE)、辐射发射测量(RadiatedEmission,RE)、传导敏感度(抗扰度)(ConductedSusceptibility,CS)和辐射敏感度(抗扰度)(RadiatedSusceptibility,RS)。下面以国家军用EMC标准测量要求(GJB151A-97)和测量方法(GJB152A-97)为例,简要介绍EMI和EMS测量项目及方法。

10.1.1EMC测量分类

依据测量项目要求,EMC测量可以分为四类:传导发射测量、辐射发射测量、传导敏感度(抗扰度)测量和辐射敏感度(抗扰度)测量,或者分为两类:EMI测量(包括传导发射测量和辐射发射测量)和EMS测量(包括传导敏感度测量和辐射敏感度测量),如图10－1所示。

传导发射测量考察交、直流电源线上存在的EUT产生的传导干扰,这类测量的频率范围通常为25Hz~30MHz。图10－1EMC测量类型示意图

10.1.2EMC预测量与EMC标准测量

依据EMC测量目的的不同,EMC测量也可分为EMC预测量与EMC标准测量(EMC认证测量)。

满足EMC标准要求的实验室,其工程建设费用昂贵,测量系统费用更高。满足相关EMC标准要求、具有认可资质的EMC实验室,其EMC测量结果具有法律效力,所进行的EMC测量是EMC标准测量。图10－2为某EMC实验室测量资质认证证书示例。图10－2实验室测量资质认证证书

EMC标准测量(EMC认证测量)对EUT进行严格的标准测量,定量评价EUT的EMC指标。EMC标准测量通常在产品完成、定型阶段进行,它按照产品的测量标准要求,测量产品的辐射发射和传导发射是否低于标准规定的限值,抗干扰能力(抗扰度)是否达到了标准规定的限值。EMC标准测量考核的是产品整体的电磁兼容性指标,使用标准规定的测量仪器及测量方法。

EMC标准测量的目的是考察EUT是否通过了事先选定的EMC标准要求。如果没有完全通过,则应确定哪个测量项目超标,出现在哪个频点上,超标量值多少等。这种测量具有法律效力。民用产品能否通过指定EMC标准,将决定产品能否投放市场,企业能否生存。军用产品能否通过指定EMC标准,将关系到产品能否交付使用,能否列装。这种类似产品鉴定的测量对于产品定型、形成批量生产至关重要。

EMC预测量是在产品研制过程中进行的一种EMC测量,一般情况下只能做定性测量。工程实践中,EMC预测量所使用的测量仪器相对比较简单,可以利用通用仪器(如EMI接收机、频谱分析仪)和一些必要的附件(如近场探头、测量天线)组成预测量系统,目的是确定电路板、机箱、连接器、线缆等是否有电磁干扰产生或电磁泄漏,部件组装之后其周围是否有较大的辐射电磁场存在。EMC预测量也可确定干扰源的位置、频谱,了解敏感部件周围的电磁环境,以便有针对性地采取EMC整改措施。它是产品EMI诊断、EMC加固、从样品研发成产品的必要步骤。

10.2EMC测量设施

10.2.1开阔试验场

众所周知,开阔试验场是重要的电磁兼容测量场地。由于30MHz以上高频电磁场的发射与接收完全是以空间直射波与地面反射波在接收点相互叠加的理论为基础的,场地不理想,必然带来较大的测量误差,因此,国内外纷纷建造开阔试验场。

图10－3椭圆形开阔试验场地与天线布置

用于场强测量的试验场,CISPR标准推荐用金属材料建造。鉴于钢板较铝板、铜板耐腐蚀、价格低,通常都采用花纹钢板建造。开阔试验场宜选址电磁环境干净、背景电平低的地方建造,以免周围环境中的电磁干扰给EMC试验带来影响和危害。由于城市中能辐射电磁波的各种电子设备密集,国外的开阔试验场通常选址远离城市的地方建造。国内已建开阔试验场的单位不少。

考虑到选址远郊建开阔试验场,需花费昂贵的购地费,并且给建造、试验和生活管理等带来诸多不便,因此,几乎都是在楼顶平台上,因地制宜地建造。其中具有代表性者,如某单位的开阔试验场,就建在实验楼顶。为便于维修、走线及转台安装,试验场采用架空式结构。试验场应设有转台及天线升降杆,便于全方位的辐射发射及天线升降测量。此外,还应有单独的接地系统和避雷系统。通常采用单点接地。避雷系统与地线系统应是隔开的。图10－4显示了一种典型的开阔试验场。

图10－4一种典型的开阔试验场

10.2.2屏蔽室

为了使工作间内的电磁场不泄露到外部或外部电磁场不透入到工作间内,就得把整个工作间屏蔽起来。此种专门设计的能对射频电磁能量起衰减作用的封闭室称为屏蔽室。按照GB4343-1995和其他电磁兼容标准的规定,许多试验项目必须在具有一定屏蔽效能和尺寸大小的电磁屏蔽室内进行,由它提供符合要求的实验环境。因此,屏蔽室是电磁兼容性试验中的一个重要设施。

屏蔽室除广泛用于电磁兼容性试验外,还大量地用于电子仪器、接收机等小信号灵敏电路的调测及计算机房等。图10－5为典型焊接式和拼装式屏蔽室。图10－5典型焊接式和拼装式屏蔽室

1.屏蔽室的种类

屏蔽室是一个用金属材料制成的大型六面体房间。其四壁和天花板、地板均采用金属材料(如铜板、钢板或铜箔等)制造。由于金属板(网)对入射电磁波具有吸收损耗、界面反射损耗和板中内部反射损耗,因而使屏蔽室产生屏蔽作用。

屏蔽室有多种分类方法,通常使用的有如下几种。

按功能分类:可以分为两大类。一类是用来防止电磁波泄露出去的屏蔽室,如防止大功率高频和微波设备的电磁泄漏,以免影响作业人员身体健康;或防止电子产品信号泄露,避免信息被“窃收”等。另一类是用来防止外部电磁干扰进入室内,使室内电子设备工作不受外界电磁场影响;或防止空间高电平电磁场透入室内,使室内作业人员免受有害剂量的电波照射等。后者的场源或泄漏源在屏蔽室外,故称为无源屏蔽或被动屏蔽。

按屏蔽材料分类:有钢板或镀锌钢板式、铜网式、铜箔式。

按结构形式分类:有单层铜网式、双层铜网式、单层钢板式、双层钢板式以及多层复合式等。

按安装形式分类:有可拆装式和固定式两种。前者是在生产厂用镀锌钢板或铜网制成一定尺寸的模块,到用户现场进行总装和测量。其优点是便于拆装,但拼装时需在接缝处使用导电衬垫,以尽可能保证各模块的连接无缝隙。后者是在金属板间连接时采用熔焊或翻边咬合(厚度在1mm以内的镀锌钢板)。只要拼装的焊缝是连续而无空隙的,或翻边咬合是紧密无缝的,则此种屏蔽室的泄露途径主要是在通风窗、门及电源线引入处。

2.屏蔽室的屏蔽效能

屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽体则是为阻止或减小电磁能量传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层。通常屏蔽体的屏蔽性能以屏蔽效能来进行度量。

屏蔽壁材料、拼板接缝、通风窗以及室内供电用的电源滤波器等都会影响屏蔽室的屏蔽效能。屏蔽壁材料的选择与频率使用范围和对屏蔽效能的要求有关。电磁兼容性试验用屏蔽室,通常要求工作频率范围宽,屏蔽效能好,因此多选用薄金属板(例如薄钢板)作为屏蔽壁材料。

屏蔽室的供电线路必须通过电源滤波器才能进入室内。一个屏蔽室即使在材料选择、拼板接缝、通风窗、门缝处理等项都处理得很好,若电源滤波不佳,亦将影响整个屏蔽室的屏蔽效能。电源滤波性能的好坏,除与滤波器本身性能有关外,电源滤波器的安装方法和安装质量对滤波性能影响亦很大。屏蔽室电源滤波器的安装必须遵循下列原则:进入屏蔽室的每根电源线均应装设电源滤波器;滤波器应安装在电源线穿越屏蔽壁的入口处。对于有源屏蔽室,电源滤波器应安装在屏蔽壁的内侧;对于无源屏蔽室,则应安装在屏蔽壁外侧。且所有的电源滤波器最好都集中在一起,并靠近屏蔽室的接地点处安装。这样既使滤波器的屏蔽外壳接地方便、简单,又缩短了接地线。

3.屏蔽室的接地

接地对屏蔽室的屏蔽效能是否有影响呢?就电磁屏蔽机理而言,屏蔽室对接地是没有要求的。但屏蔽室是一个轮廓尺寸很大的导体,若屏蔽室浮地,周围环境中的各种辐射干扰会在屏蔽壳体上产生感应电压。由于屏蔽壳体不是一个完整的封闭体,周围环境中的各种辐射干扰会感应耦合到室内,亦可能把室内的强电磁场感应耦合到室外,从而降低屏蔽室的屏蔽效能。这种现象在较低频率(如中波、短波)较为严重。屏蔽室接地能消除在屏蔽壁上的感应电压,明显提高低频段的屏蔽效能。

对高频段而言,由于屏蔽室与大地间的分布电容几乎把屏蔽室与大地短路,安装在地面上的屏蔽室接地与否对屏蔽效能影响不大。甚至当接地线长度为1/4工作波长的奇数倍时,接地线呈现的阻抗很高,可能反而使屏蔽效能大为降低。

通常对屏蔽室接地有如下要求:

(1)屏蔽室宜单点接地,以避免接地点电位不同造成屏蔽壁上的电流流动。此种电流流动,将会在屏蔽室内引起干扰。

(2)为了减少接地线阻抗,接地线应采用高导电率的扁状导体,如截面为100mm×1.5mm的铜带。

(3)接地电阻应尽可能地小,一般应小于1Ω。

(4)接地线应尽可能短,最好小于λ/20。对于设置在高层建筑上的微波屏蔽室,可采用浮地方案。

(5)必要时对接地线采取屏蔽措施。

(6)严禁接地线和输电线平行敷设。

4.屏蔽室的谐振

任何封闭式金属空腔都可能产生谐振现象。屏蔽室可视为一个大型的矩形波导谐振腔,根据波导谐振腔理论,其固有谐振频率按下式计算:

式中,f0

为屏蔽室的固有谐振频率,单位为MHz;l、w、h分别为屏蔽室的长、宽、高,单位为m;m、n、k分别为0,1,2,…等正整数,但不能同时取三个或两个为0。对于TE型波,m不能为0。

由此可见:m、n、k取值不同,谐振频率也不同,亦即同一屏蔽室有很多个谐振频率,分别对应不同的激励模式(谐振波形)。对一定的激励模式,其谐振频率为定值。TE型波的最低谐振频率对应TE110(即m=1,n=1,k=0),其谐振频率为

由于屏蔽室中场激励方向的任意性,若要fTE110

是屏蔽室的最低谐振频率,必须使l和w是屏蔽室三个尺寸中较大的两个。

屏蔽室谐振是一个有害的现象。当激励源使屏蔽室产生谐振时,会使屏蔽室的屏蔽效能大大下降,导致信息的泄露或造成很大的测量误差。为避免屏蔽室谐振引起的测量误差,应通过理论计算和实际测量来获得屏蔽室的主要谐振频率点,把它们记录在案,以便在以后的电磁兼容试验中避开这些谐振频率。

GB/T12190-1990《高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法》规定了高性能屏蔽室屏蔽效能的测量和计算方法。

10.2.3电波暗室

电波暗室(AnechoicChamber)又称电波消声室或电波无反射室。它有两种结构形式:电磁屏蔽半电波暗室(ElectromagneticShieldedSemi-AnechoicChamber)和微波电波暗室(MicrowaveAnechoicChamber)(又称全电波暗室)。

由于开阔试验场造价较高并远离市区,使用不便,或者建在市区,背景噪声电平大而影响EMC测量,于是模拟开阔试验场的电磁屏蔽半波暗室成了应用较普遍的EMC测量场地。美国FCC、ANCIC63.6-1992、日本VCCI以及IEC、CISPR等标准容许用电磁屏蔽半电波暗室替代开阔试验场进行EMC测量。近年来,国内很多单位建成电磁屏蔽半电波暗室,通常简称EMC暗室或半电波暗室,如图10－6(a)所示。

半电波暗室和微波电波暗室不同。半电波暗室五面贴吸波材料,主要模拟开阔试验场地,即电波传播时只有直射波和地面反射波。微波电波暗室六面贴吸波材料,模拟自由空间传播环境,而且可以不带屏蔽,把吸波材料粘贴于木质墙壁,甚至建筑物的普通墙壁和天花板上,如图10－6(b)所示。图10－6典型EMC暗室和微波电波暗室

10.2.4横电磁波小室

横电磁波室(TEMtransmissionCell,TEMCell)是20世纪70年代中期问世,而后不断发展起来的一种EMI/EMC测量设施,如图10－7所示。图10－7典型横电磁波室

EM小室按其横截面形状可分为正方形及长方形两种。正方形TEM小室的优点是在相同可用空间条件下使用频率较宽,或在相同的使用条件下可用空间较大。长方形TEM小室的优点是场的均匀性较好。

TEM小室的尺寸由其所能够测量的最高频率限制,如果超出这个限制,TEM小室中就会出现高次模。因此,频率越高,可允许的小室尺寸越小。另外,TEM小室中受试设备的尺寸是受限制的,它必须使由于ETU的存在而引起的TEM小室特性阻抗的改变量最小。

10.2.5混响室

一般来说,混响室是指在高品质因素(Q)的屏蔽壳体内配备机械的搅拌器(ModeStirrer),用以连续地改变内部的电磁场结构。混响室内任意位置的能量密度的相位、幅度、极化均按某一固定的统计分布规律随机变化。在混响室内的测量可以视为一个受试设备对场的平均响应,是在搅拌器至少旋转一周的时间内响应的积分。混响室的工作原理基于多模式谐振混合,典型混响室如图10－8所示。混响室提供的电磁环境是:①空间均匀,即室内能量密度各处一致;②各向同性,即在所有方向的能量流是相同的;③随机极化,即所有的波之间的相角以及它们的极化是随机的。图10－8典型混响室

由于混响室能够对外部电磁环境进行良好的隔离,所以用它进行RS或RE测量。混响室的造价相对较低,并且能够产生有效的场变换,使得在高场强下进行RS测量成为可能。另一方面,要将混响室中的测量与真实的工作条件联系起来是有难度的,并且极化特性也无法保持。通过在封闭空间(屏蔽室内)中使用模式搅拌器,混响室能够真实地模拟自由空间条件。在混响室内进行抗扰度测量的照片如图10－9所示。图10－9混响室内的抗扰度测量

图1010为一个使用混响室进行辐射发射测量的简单框图,这里所描述的为一种替代方法。经过校准的信号源和衰减器连接起来为已知增益特性的天线馈电,天线和经过供电连接的受试设备都置于混响室内。要进行两次测量:首先,混响室外部的信号源关机,保持EUT处于开机状态,使用接收天线和EMI接收机来测量混响室内部的场强;其次,将EUT断电,但断电动作必须小心,以保证其在混响室内的位置不会发生改变,然后将经过校准的信号源开机,并借助于经过精确校准的衰减器来调整其功率电平,以使混响室内的场强与之前所测得的相同。

进行两次测量时,模式搅拌器都必须是连续转动的,其转动速度要足够慢,以使受试设备有足够的时间来响应测量场方向图的变化。经过两次测量,就可以计算出受试设备的辐射发射电平。

图10－10所示的试验框图也可以用来进行辐射敏感度测量,此时,必须对受试设备进行一些附加连接,从而能够对标准中所要求的可反映其由敏感度而引发故障的性能或性能参数进行监测。借助于信号源和衰减器可以在混响室中得到所需的电场强度,搅拌器也要连续转动。在不同的场强下,观察受试设备的性能并记录受试设备发生故障时的场强。当每次场强发生变化时,一定要确保留有足够的时间以使场强和受试设备的性能能够趋于稳定,这一点是很重要的。对于不同的频率可以进行重复测量。图10－10使用混响室进行辐射发射测量的基本框图

混响室可用于多种涉及辐射场的测量,其主要特性及参数为模的数目、模分裂、品质因素、K系数和插入损耗。它的特点体现在:混响室除了可以像电波暗室或TEMCell那样有效地隔离内外电磁环境以外,与现有通用的测量场地相比,还有如下特点:

(1)用相对较小的功率,可以在大的测量空间获得高的场强,这是由于利用了高Q的空腔谐振的原因。同时混响室能够很好地模拟复合场。

(2)在相对较小的功率下,可以获得高的动态范围。这对于高屏蔽效能的测量是十分重要的。混响室的动态范围完全可以达到电波暗室的水平,但实际上所需激励功率较小,并且与场的极化无关。

(3)除低频受限外,工作频率范围宽。因为其中无吸波材料,所以不存在由于材料性能对混响室特性的影响。但其最低工作频率应至少是空腔最低模频率的3倍。因而对应较低的工作频率,需要较大的体积。

(4)用途广泛。在设备、仪表配置变动不大的条件下就可以进行辐射发射、辐射抗扰度、天线效率以及各种屏蔽效能的测量。

(5)节约测量时间。因不需要天线扫描,不需要EUT旋转,不需要改变极化,因而大大节约了测量时间。

(6)节省经费。由于不需天线扫描,因而降低了屏蔽外壳的高度;无吸波材料,除了节省吸波材料费用外,还减少了整体重量及结构承重。此外,在形成相应场强下,要求的激励功率减少,从而大大节省了功率放大器的投资,尤其是高于吉赫兹的频率。

(7)EUT失去了其方向特性(实际上其方向性增益呈现为1)。某些情况下,可能需要了解EUT的方向特性(不论是发射还是抗扰度),但混响室的测量结果不能提供这方面的信息。

(8)某些电磁波吸收体可能给混响室加载。混响室是在高Q下工作的,如在室内存在吸收电磁波的材料(例如木制的支架、桌子或塑料的EUT外壳等),都会使混响室的Q值下降,称为加载。这是我们所不希望的。

10.3EMC测量设备

10.3.1测量接收机

测量接收机实际上是一台测量动态范围大、灵敏度高、本身噪声小、前级电路过载能力强,而在整个测量频段内测量精度能够满足要求的专用接收机。CISPR16和GB/T6113.1-1995规定了测量接收机的带宽、检波方式、充放电时间常数、脉冲响应等主要指标。

测量接收机与用于一般通信用的接收机有相当大的不同。通信接收机用于再现一个信号,在接收这种信号时,灵敏度和速度起着重要的作用。与此相反,测量接收机用来测量射频功率的幅度和频率,它可能是干扰源,也可能是信号的载波。因此,对这种仪器的测量准确度提出了很高的要求。由于在干扰测量中经常出现具有不同带宽特性的信号,所以对测量接收机的互调特性也有严格的要求。

在民用无线电干扰测量领域,采用加权干扰测量方法(CISPR为准峰值加权),因为该方法在显示时考虑了收听者和收看者所感觉到的干扰。例如,幅度固定的脉冲型干扰按照脉冲的频率进行显示。降低脉冲的重复频率时,干扰对人的烦扰变得愈来愈小,所显示的值也愈来愈小。而当频率提高时,情况则相反,显示值将增大。

通常也有用频谱分析仪来测量EMI的。由于普通频谱仪没有预选滤波器且灵敏度低,因而测量的数值是不准确的,特别是对脉冲干扰的测量。无预选功能的频谱分析仪对宽带干扰信号的加权校正测量很繁琐,且其输入不能提供测量带宽干扰信号所需的动态范围。为解决此问题,可对频谱分析仪进行改进,使它们满足上述要求。通过增加一些模块,使原来的频谱仪类似一台接收机;再通过按一个键,即可简单地使之变回普通频谱分析仪。这类仪器R&S公司和Agilent公司均有生产,名称为接收机,但实质上是由频谱仪改造而来的。

频谱分析仪改造的接收机与传统的EMI接收机相比,明显具有扫频测量速度快、覆盖同样频段的仪器体积小、价格相对便宜等优点,对所关注的频段扫描测量后,可直接给出频谱分布图形。因而,越来越多的实验室选用频谱分析仪式接收机作为EMI测量用仪器。

1.测量接收机的组成

测量接收机的电路框图如图10－11所示。图10－11测量接收机的电路框图

其主要部分的功能如下:

(1)输入衰减器。输入衰减器可将外部进来的过大信号或干扰电平进行衰减,调节衰减量大小,保证输入电平在测量接收机可测范围之内,同时也可避免过电压或过电流造成测量接收机的损坏。

(2)校准信号源。该校准信号源即测量接收机本身提供的内部校准信号发生器,可随时对接收机的增益进行自校,以保证测量值的准确。普通接收机不具有校准信号源。

(3)高频放大器。高频放大器利用选频放大原理,仅选择所需的测量信号进入下级电路,而将外来的各种杂散信号(包括镜像频率信号、中频信号、交调谐波信号等)均排除在外。

(4)混频器。混频器将来自高频放大器的高频信号和来自本地振荡器的信号合成,产生一个差频信号输入到中频放大器,由于差频信号的频率远低于高频信号频率,因此中频放大器的增益得以提高。

(5)本地振荡器。本地振荡器提供一个频率稳定的高频振荡信号。

(6)中频放大器。由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频带宽度,又能获得较高的增益,因此可保证接收机的总选择性和整机灵敏度。

(7)包络检波器。测量接收机的检波方式与普通接收机有很大差异。测量接收机除可接收正弦波信号外,更常用于接收脉冲干扰信号,因此测量接收机除具有平均值检波功能外,还增加了峰值检波和准峰值检波功能。

(8)输出指示。早期的测量接收机采用表头指示电磁干扰电平,并用扬声器播放干扰信号的声响。近几年已广泛采用液晶数字显示代替表头指示,且具备程控接口,使测量数据可存储在计算机中进行处理或打印出来供查阅。

2.测量接收机的工作原理

接收机测量信号时,先将仪器调谐于某个测量频率fi,该频率经高频衰减器和高频放大器后进入混频器,与本地振荡器的频率fl混频,产生很多混频信号。这些混频信号经过中频滤波器后仅得到中频f0=fl-fi。中频信号经中频衰减器、中频放大器后由包络检波器进行包络检波,滤去中频,得到低频信号。对这些信号再进一步进行加权检波,根据需要选择检波器,可得到峰值(Peak)、有效值(Rms)、平均值(Ave)或准峰值(QP)。这些值经低频放大后可推动电表指示或在数码管屏幕上显示出来。

测量接收机测量的是输出到其端口的信号电压,为测场强或干扰电流需借助一个换能器,在其转换系数的帮助下,将测到的端口电压变换成场强(单位为μV/m或dBμV/m)、电流(单位为A或dBμA)或功率(单位为W或dBm)。换能器依测量对象的不同可以是天线、电流探头、功率吸收钳或电源阻抗稳定网络等。

3.测量接收机使用中应注意的问题

(1)防止输入端过载。

(2)选用合适的检波方式。

(3)测量前的校准。

(4)关于预选器。

4.测量接收机的技术要求

(1)幅度精度:±2dB。

(2)带宽要求:6dB。

(3)国标EMI测量:见表10－1。

(4)国军标EMI测量:见表10－2。

(5)检波器:峰值、准峰值和平均值检波器。

(6)输入阻抗:50Ω。

(7)灵敏度:-30dBμV(典型值)。

为满足脉冲测量的需要,接收机还应具有预选器,即输入滤波器,对接收信号频率进行调谐跟踪,以避免前端混频器上的宽带噪声过载。另外接收机还应有足够低的灵敏度,以实现小信号的测量。

5.测量接收机与场强仪的差异

场强仪主要用于测量广播、电视信号场强或者ISM设备的辐射场强,这些信号都为正弦波电磁场;而EMI测量接收机主要测量电气、电子产品工作时产生的连续波骚扰、脉冲骚扰以及其他各种来自自然界骚扰源的频谱很宽的电磁骚扰。因而,应对测量接收机与场强仪提出不同的性能要求。二者的主要差异为:带宽不同;检波方式各异;脉冲响应等指标的特殊性。

(1)带宽。场强仪用于测量正弦波信号,为减低噪声,通常带宽较窄。而测量接收机是处理宽带信号的,对带宽要求视测量频段而定,带宽的宽窄直接影响测量结果。为了保证测量结果的可比性,CISPR16和GB/T6113.1-1995规定了测量接收机的带宽。

(2)检波方式。场强仪的检波器通常采用平均值检波或有效值检波,因为平均值检波能够正确地反映正弦信号的变化。而测量接收机检波必须具有能够对脉冲骚扰作出反应的准峰值检波或峰值检波,平均值检波不能反映脉冲幅度的变化。

(3)脉冲响应特性。场强仪对脉冲响应没有专门要求,而测量接收机对脉冲响应有严格的规定,该特性是电磁骚扰测量成功与否的关键。

10.3.2电磁干扰测量设备

1.电流探头

在被测导体不允许断开的情况下,可利用电流探头(钳)进行非对称测量。通常利用被测量导体作为电流钳的初级绕组,环形铁芯与次级绕组置于屏蔽环中。电流探头的灵敏度可用传输阻抗表示,其定义为次级感应电压与初级电流之比。也就是说,电流探头为圆环形卡式结构,能方便地卡住被测导线。其核心部分是一个分成两半的环形高磁导率磁芯,磁芯上绕有N匝导线。当电流探头卡在被测导线上时,被测导线充当一匝的初级线圈,次级线圈则包含在电流探头中。典型电流探头外形如图10－12所示。图10－12电流探头

2.电源阻抗稳定网络

电源阻抗稳定网络也称人工电源网络,它能够在射频范围内,在受试设备端子与参考地之间或者端子之间提供一个稳定的阻抗,同时将来自电源的无用信号与测量电路隔离开来,而仅将受试设备的干扰电压耦合到测量接收机输入端。电源阻抗稳定网络对每根电源线提供三个端口,分别为供电电源输入端、到被测设备的电源输出端和连接测量设备的干扰输出端,其结构示意图如图10－13所示。图10－13电源阻抗稳定网络的结构示意图

3.功率吸收钳

功率吸收钳适用于30~1000MHz频段传导发射功率的测量。对于带有电源线或引线的设备,其干扰能力可以用起辐射天线作用的电源线(指机箱外部分)或引线所提供的能量来衡量。当功率吸收钳卡在电源线或引线上时,环绕引线放置的吸收装置能吸收到的最大功率,近似等于电源线或引线所提供的干扰能量。

功率吸收钳由宽带射频电流变换器、宽带射频功率吸收体及受试设备引线的阻抗稳定器和吸收套筒(铁氧体环附件)组成。电流变换器与电流探头的作用相当;功率吸收体用于隔离电源与被测设备之间的功率传递;吸收套筒则用来防止被测设备与接收设备之间发生能量传递。射频电流变换器、射频功率吸收体等做成可分开的两半,并带有锁紧装置,便于被测导线卡在其中,又保证磁环的磁路紧密闭合。测量时,功率吸收钳与辅助吸收钳配合使用。功率吸收钳的组成示意图如图10－14,实物如图10－15所示。图10－14功率吸收钳组成示意图图10－15功率吸收钳

4.测量天线

天线是把高频电磁能量通过各种形状的金属导体向空间辐射出去的装置。同样,天线亦可把空间的电磁能量转化为高频能量收集起来。下面描述EMC测量用天线的类型与参数。

1)磁场天线

磁场天线用于接收被测设备工作时泄漏的磁场、空间电磁环境的磁场并测量屏蔽室的磁场屏蔽效能,测量频段为25Hz~30MHz。根据用途的不同,磁场天线类型分为有源天线和无源天线。通常有源天线因具有放大小信号的作用,所以非常适合测量空间的弱小磁场,此类天线有带屏蔽的环天线。近距离测量设备工作时泄漏的磁场通常采用无源环天线。

与有源环天线相比,无源环天线的尺寸较小。测量时,环天线的输出端与测量接收机或频谱仪的输入端相连,测量的电压值(单位为dBμV)加上环天线的天线系数,即得所测磁场(单位为dBpT)。环天线的天线系数是预先校准出来的,通过它才能将测量设备的端口电压转换成所测磁场。下面以常用天线为例,给出两种环天线的技术指标。

有源环天线(如图10－16)的技术指标是:测量频段为10kHz~30MHz;阻抗为50Ω;环直径为45.7cm;重量为2.59kg。

无源环天线的技术指标是:测量频段为20Hz~100kHz;环直径为13.3cm;匝数为36;导线规格为7×ϕ0.07mm;静电屏蔽。图10－16有源环天线

2)电场天线

电场天线用于接收被测设备工作时泄漏的电场、环境电磁场并测量屏蔽室(体)的电场屏蔽效能,测量频段为10kHz~40GHz。电磁兼容测量中通常使用宽带天线,配合测量接收机进行扫频测量。根据用途的不同,电场天线分为有源天线和无源天线两类。有源天线是为测量小信号而设计的,其内部的放大器将接收到的微弱信号放大至接收机可以测量的电平,主要用在低频段,天线的尺寸远小于被测信号的波长,且接收效率很低。下面介绍几种常用的电场天线。

(1)杆天线。杆天线的杆长1m,用于测量10kHz~30MHz频段的电磁场,形状为垂直的单极子天线。它由对称阵子中间插入地网演变而来,所以测量时一定要按天线的使用要求安装接地网(板)。杆天线分为无源杆天线和有源杆天线(如图10－17),二者的区别在于测量的灵敏度不同。图10－17有源杆天线

对于无源杆天线,10kHz~30MHz需分多个频段分别调谐,测量场强一般为1V/m以上;而有源杆天线因配有前置放大器,灵敏度大大提高,可达10μV/m,但测量的场强上限最大为1V/m左右,否则会出现过载现象。有源杆天线还具有宽频段的特点,无需转换波段,其前置放大器增益在整个测量频段内基本保持不变,在手动测量中可免去查天线系数的麻烦。

进行电磁场辐射发射测量时,所测场强可通过下式计算:

式中:E为场强,单位为dBμV/m;U为接收机测量电压,单位为dBμV;AF为杆天线的天线系数,单位为dB/m。对于无源杆天线,其天线系数与有效高度相对应,为6dB。有源杆天线的天线系数则需通过校准得到,其值与前置放大器的增益有关。

(2)双锥天线。双锥天线的形状与偶极子天线十分接近,它的两个振子分别为六根金属杆组成的圆锥形(如图10－18)。双锥天线通过传输线平衡变换器将120Ω的阻抗变为50Ω。双锥天线的方向图与偶极子天线类似,测量的频段比偶极子天线宽,且无需调谐,适合与接收机配合,组成自动测量系统进行扫频测量。图10－18双锥天线

(3)半波振子天线。半波振子天线是最简单的天线,当信号频率在30MHz以上时,随着工作波长的缩短,使用谐振式对称振子天线进行场强测量成为可能。早期国产干扰测量仪配备的就是这种天线。半波振子天线主要由一对天线振子、平衡/不平衡变换器及输出端口组成。天线振子根据所测信号频率对应的波长,将天线振子的长度调到半波长,同时调节平衡/不平衡阻抗变换器(50~75Ω),使天线的输出端具有小的电压驻波比。

半波振子天线的技术指标如下:增益为1.64;阻抗为73+he=λ/π,λ为波长;波瓣宽度为78°。其示意图如图10－19所示。图10－19半波振子天线示意图

(4)对数周期天线。对数周期天线的结构类似八木天线,如图10－20。它上下有两组振子,从长到短依次排列,最长的振子与最低的使用频率相对应,最短的振子与最高的使用频率相对应。对数周期天线有很强的方向性,其最大接收/辐射方向是锥底到锥顶的轴线方向。对数周期天线为线极化天线,测量中可根据需要调节极化方向,以接收最大的发射值。它还具有高增益、低驻波比和宽频带等特点,适用于电磁干扰和电磁敏感度测量。图10－20对数周期天线

(5)双脊喇叭天线。双脊喇叭天线的上下两块喇叭板为铝箔,铝板的中间位置是扩展频段用的弧形凸状条,两侧为环氧玻璃纤维的覆铜板,并刻蚀成细条状,连接上下铝板(如图10－21)。双脊喇叭天线为线极化天线,测量时通过调整托架来改变极化方向,因而测量频段较宽,可用于0.5~18GHz辐射发射和辐射敏感度测量。图10－21双脊喇叭天线

(6)喇叭天线。喇叭天线中最常见的是角锥喇叭天线,如图10－22,它的使用频段通常由馈电口的波导尺寸决定,比双脊喇叭天线窄很多,但方向性、驻波比及增益等均优于双脊喇叭天线。在1GHz以上高场强(如200V/m)的辐射敏感度测量中,为充分利用放大器资源,选用增益高的喇叭天线作发射天线,较容易达到所需的高场强值。图10－22喇叭天线

5.测量系统及测量软件

EMI自动测量系统主要由测量接收机和各种测量天线、传感器及电源阻抗稳定网络组成,用于测量电子、电气设备工作时泄漏出来的电磁干扰信号,测量频段为20Hz~40GHz。干扰信号的传播途径分为两种:一种是传导干扰,它通过电源线或互连线传播;另一种是辐射干扰,它通过空间辐射传播。测量接收机借助不同的传感器测量传导和辐射干扰。如利用测量天线接收来自空间的干扰信号,利用电流钳探测电源线上的干扰电流。对时域干扰,如开关闭合产生的瞬态尖峰干扰,则需通过示波器采样来捕捉、测量。国军标EMI自动测量系统的组成框图如图10－23。图10－23电磁干扰自动测量系统组成框图

10.3.3电磁敏感度测量设备

用于电磁抗扰度或电磁敏感度测量的设备由三部分组成:一是干扰信号产生器和功率放大器类设备;二是天线、传感器等干扰信号辐射与注入设备;三是场强和功率监测设备。详细情况可查阅其他参考文献。

10.4EMC测量实例

10.4.1测量步骤和过程

以CE10125Hz~10kHz电源线传导发射测量为例。

1.测量设备测量设备的情况见表10－3。

2.校准

按图10－24布置测量配置以便于检查测量系统。

(1)设备在通电预热之前,由操作人员负责按照图1024将所有设备和互连线连接好,经仔细检查后告知测量记录人员,由记录人员详细检查设备及互连线连接情况后方可通电预热。

(2)打开EMI测量专用计算机,双击Windows桌面上的CE101项目图标,进入EMC32自动测量系统中。图10－24CE101校准配置图

(3)进入测量系统后,用鼠标点击软件菜单项目Extras→SelfCheck(如图10－25)。

(4)点击SelfCheck后,出现如图10－26所示界面,再点击Testall按钮;分别对照在校准过程中所使用的设备TS-RSP_EMI、EZ17、ESIB40、DummyCurrentProbe、AG33250A,分别在其状态栏中显示“Physical”;若通过检查以上硬件设备均显示“Physical”,则表示以上设备已经受控,若不显示“Physical”而显示“Visual”,则表示仪器设备未受控,应由操作人员与记录人员协同工作检查错误。具体的软件使用方法见“EMC32自动测量系统软件设置指导书”。图10－25软件操作指导一图10－26软件操作指导二

(5)点击树状目录下的FrequencyLists→CE101Cal,出现如图10－27所示的软件界面。检查频率设置点是否为1kHz、3kHz和10kHz。若频率点检查正确,则进行下面的操作;若频率点检查不正确,则由操作人员依据“EMC32自动测量系统软件设置指导书”分别将频率点设置到1kHz、3kHz和10kHz。

(6)由测量人员对照“测量委托单”,查看进行测量产品所属类别,从而确定被测产品校准和测量满足的极限值(极限要求可依据GJB151A-97中所规定的极限)。

图10－27软件操作指导三

(7)双击树状目录HardwareSetup→EMIConducted→CE101,出现如图10－28所示的软件界面。将复选框SystemCheck选中,而后点击SystemCheck/NSASettings,出现如图10－29所示的软件界面。点击FrequencyLists下的添加按钮,后选择CE101Cal;将Mode菜单下的复选框Viatransmittingandrecevingprobes选中;将GeneratorLevel下的复选框Belowthe1stlimitline选中,并将值设为6dB;将复选框PartialSystemCheck选中,且将PercentageofCenterFrequency设为10%。当以上设置全部检查无误后,点击“OK”按钮。图10－28软件操作指导四图10－29软件操作指导五

(8)根据由第(6)步确定的测量极限,在树状目录TestTemplates→EMIScan下寻找适合测量的测量模板,比如CE101_lessthan1KVA;而后双击树状目录TestTemplates→EMIAutoTests→CE101,出现如图10－30所示的软件界面。将指示PreviewMeasurements的测量图标选中,出现如图10－31所示的软件界面,在其复选框ScanTestTemplate目录下选择由刚刚确定的EMIScan下的测量模板,比如CE101_Lessthan1KVA,在确认无误后,选择“OK”按钮。图10－30软件操作指导六图10－31软件操作指导七

点击DataReduction下的数据处理图标,出现如图10－32所示的设置界面。分别选中复选框Detector1(MaxPeak)和Detector2,添加需要校准的测量极限值(检波器1)和低于极限值6dB的极限值(检波器2)。比如在复选框Detector1下添加“CE102_Lessthan1KVA”,在复选框Detector2下添加“CE102_Lessthan1KVA-6dB”即可。以上设置在确认无误后点击“OK”按钮。回到上一级操作流程(图10－30所示的操作流程),且选择“OK”按钮后,即完成校准测量过程中的EMIAutoTest模板设置。图10－32软件操作指导八

(9)用鼠标左键单击TestTemplate→EMIAutoTest→CE101,将CE101的颜色指示变为蓝色后,将鼠标置于蓝色框范围内的任何位置并点击鼠标右键,同时选择“NewTest”,此时便已经打开测量软件进行正常的校准测量,而后在打开的菜单中选择“OK”按钮,产生如图10－33所示的校准测量界面。图10－3软件操作指导九

(10)选择测量的数据,分别点击菜单File→SaveTest或快捷键命令,选择保存文档目录。保存文档的目录依据单位→样品型号→测量项目序号进行存储,比如206所→SX001→CE101C01。

(11)在树状目录Tests下找出存储的校准数据曲线并双击打开(比如Test→206所→SX001→CE101C01),在频率点1kHz、3kHz和10kHz上双击鼠标左键得到该频率点上的测量电平,观察测量数据是否满足±3dB的范围。如果数据在范围内,则可以终止校准流程进行测量;否则,应该由测量人员