电磁干扰辐射发射的测量

频率管理对于蜂窝通信设备供应商具有两种不同的意义。对于蜂窝网运行而言它可以使大量用户共享有限的资源。然而也许更为重要的是需要防止由一种电子设备发射的信号干扰其它电子设备的工作。对电磁干扰(EMI)辐射的测量可以对元线设备所“传输”的能量值进行规范从根本上防止干扰的产生。
  测量辐射电磁发射可能采取两种形式即相容性测试和预相容性测试。相容性测试通常是在产品设计周期结束时在已校准的测试实验室中进行。这种测试的时间较长并且当发现产品超过政府制订的辐射发射条例标准范围时即便进行重新设计克服电磁辐射问题但却往往延误了产品的上市时间和销售的“最佳”时机给产品销售带来巨大压力。
  预相容性测试是代表评估电气产品辐射电磁发射的一种更实用的方法。电气产品辐射发射的预相容性测试对由电子设备散发出的电磁辐射提供重要的初步检查并帮助隔离和控制产品内部的各种电磁辐射源。与在经仔细控制和己校准环境下进行的相容性测试不同预相容性测试通常是在制造厂商自己的工厂内部、在不太严格的受控条件下进行的当然进行两类测试的测量设备也可能相类似。
  电磁干扰测试的传统方法对一台样机进行预相容性测试希望其辐射发射水平处在规定的极限之下。相容性测试成本相当昂贵:在独立测试实验室进行相容性测试的产品费用每天可能达2000美元或更多还不包括排除电磁干扰问题的附加产品开发费用。
  相容性测试是按照由一些主管机构如美国的联邦通信委员会(FCC)和设在瑞士日内瓦的国际无线电干扰专门委员会(CISPR)所制订的技术指标来进行。预相容性测试可能遵循相同的辐射发射规则以便在样机阶段和在产品进入生产线之前隔离和排除有关问题。特别是随着计算机和其他微处理器驱动的电子设备中时钟频率的提高在更高频率处出现不需要的发射的可能性也相应增加。例如若在被测设备(EUT)中产生或使用的最高频率处在108~500MHz(5次谐波)范围则目前FCC要求测试到2GHz。若被测设备产生或使用500~1000MHz范围的信号则辐射发射测试必须进行到5GHz。测试的基础是对最高基本工作频率或40GHz两者中较低的一个的5次谐波信号电平进行分析。
  由于相容性测试是在传统设计过程的结束处开始的故最终产品设计在首次测试期间不能达到电磁相容性(EMC)目标的概率很高而需要一些辅助工程手段如添加衬垫材料这是一种比较容易办到的事情;也可能会遇到巨大困难如重新设计印制电路板(PCB),德图330烟气分析仪使起类似天线作用的电路板布线重新设计绕行。
  预相容性测试适用于评估主管机构制订的规则未涉及到的电子设计并能以相容性测试一部分费用来完成。预相容性测试的目的是实现可能的最高精度以使十分接近相容性测试系统的性能。评估辐射发射的典型预相容性测试系统由EMC接收机或频谱分析仪,SKF振动分析仪国产替代宽带天线、近场探头和测量软件组成。必要时可以增加低噪声放大器(LNA)以提高接收机/分析仪的灵敏度。此外对于传导发射测试还需要使用线路阻抗稳定网络(LISN)。USN可对来自交流电源输入功率滤波防止线路传导噪声到达被测设备并传导发射从被测设备行进到测量接收机。
  测量天线将人射电场或磁场强度变换成可由接收机加以测量的电压。场强与天线输出端的电压之比称为天线因子。通过将天线因子(dB/m)追加到接收机读数(dBμV)上结果得到如在天线辐射元上测得的电场强度(dBμV/m)。
  选择供EMI测试用的天线涉及到在天线增益与带宽之间进行折衷。给出高测量灵敏度的高天线增益只对有限带宽才有可能。因此传统上EMI测量使用了两种天线即用于30~300MHz频率的双锥形天线和用于200~1000MHz频率的对数周期天线。单一天线可以覆盖频率范围30~1000MHz尽管这类天线的设计往往比双锥形天线对数周期天线的总价格更高。
  由于天线相对于被测设备的移动对检测最坏情况的发射十分重要故用在屏蔽室中的EMI测试天线的安装必须能旋转到某个角度(通常为90°)以改变其极化性能。在屏蔽罩内天线则应升高到外罩的接地平面上方。高度应在1~4m之间可调以便遵从一些重要的EMI条例(如CISPR制订的条例)。这些测试天线还应能以垂直极化和水平极化方式工作以便易于检测最坏情况的电磁干扰信号。
  除天线之外当试图隔离和识别被测设备中的电磁辐射源时可以用近场探头来进行诊断。顾名思义近场探头常用在离被测设备几英寸范围内以检测高场强。近场探头在规定频率上以磁场强度单位dBμA/m/μV加以校准。它们还能评估EMI的抗扰度以及封装和外罩的屏蔽效果。安捷伦科技公司生产的用于9kHz ~30MHz的11941A型以及用于30MHz~1GHz的11940A型近场探头便是其中之一二。
  用于辐射发射的EMI预相容性测试系统的最关键部分之一是测试接收机或频谱分析仪。EMI测试接收机能显示电压随频率变化的关系。测量结果通常以对数值给出以便显示对1μV归一化(dBμV)的宽动态范围。按相应EMC主管机构所要求那样EMC分析仪实质上是一种具有滤波器和检波器的无线电接收机。EMI接收机通常被调谐到固定频率或以频率步进调节因而一般称之为固定调谐接收机或步进调谐接收机。具有适当滤波器和检波器的频谱分析仪也能完成EMC测量。频谱分析仪(也称为扫频接收机)能在整个带宽的频率间隔内进行快速模拟扫描。
  无论EMI接收机或是频谱分析仪均采用超外差结构。在这类配置中频率转换(从高输入信号转换到较低的中频(IF)是靠将输入信号与来自接收机或分析仪内部精密本振LO的混频来完成的。固定调谐方法则不具扫描接收机的速度。
  在欧洲用于相容性测试的EMI接收机必须满足CISPR Publication 16-1要求。这类接收机必须具有足够大的频率范围、供低电平测试的适当灵敏度以及足够大的动态范围使能无失真地处理高电平信号。对滤波器带宽和检测方法也作了规定使得在给定的一组条件下用一台CISPR-16EMI接收机对特定被测设备进行的测量将与在类似的一组条件下用另一台CISPR-16EMI接收机对昆士被测设备进行的测量相一致。
  一台优良的频谱分析仪可能增加CISPR滤波器和检波器功能而不致于使成本有明显地增加。这些滤波器必须配备CISPR16所规定的屏蔽罩。所需要的滤波器为9~150kHz、且具有用于CISPR频带A的200Hz适当隔离带宽、150kHz ~30MHz且具有用于CISPR频带B的9kHz带宽以及30MHz~1GHz且具有用于CISPR频带C/D的120kHz6dB带宽的三类滤波器。然后在没有基于EMC的固化软件时频谱分析仪必须将测得的数据发送到外部计算机以绘制合适的极限线并考虑天线因子。
  为了防止过载并按照CISPR的要求对信号进行精确测量EMI接收机应具有某种形式的预选器。预选器是位于接收机前端混频器之前的一系列不可调谐或可调谐滤波器。预选滤波器的带宽比EMI接收机或频谱分析仪中所用分辨带宽滤波器更宽。
  当接收机在整个频率范围内调谐预选器也调谐到相同的瞬时频率。通过跟踪接收机的频率预选器将抑制掉在任何时候到达混频器而接收机不进行测量的那部分频谱。预选通过减小混频器上存在的脉冲信号的总能量(对这些脉冲信号的谐波进行频带限制)以及可能使用较小的输入衰减而提高了宽带灵敏度。
  安捷伦科技公司生产的8546A/8542E系列仪器是EMI测量接收机的一个实例。该类仪器工作在2.6~6.5GHz频率范围内且满足CISPR16-1要求直到2.9GHz具有±2dB的绝对幅度精度。分析仪的特点是在CISPR频带C/D对准峰值测量具有-4dBμV的低噪声电平(曲型值)。多重屏幕显示能同时显示宽扫描间隔和窄扫描间隔。
  检波器是CISPR相容性接收机的主要部分。峰值检波、准峰值检波和平均值检波均用来进行辐射发射和传导发射测量。某些技术要求包含了准峰值测量和平均值测量极限。当采用峰值检波时检波器的时间常数可以使其跟上中频正弦波信号包络的最快变化但不能反映中频正弦波的瞬时值。峰值检波器提供了三类检波方法的最佳测量速度同时能给出被测设备辐射发射的最坏情况读数。当采用峰值检波进行测量时若被测设备的发射低于特定极限那么被测设备肯定能通过利用准峰值或平均值检波测量的规定测试。在此被测信号出现在较低电平处。
  准峰值检波器的输出电平将按照被测信号的脉冲速率而变化。准峰值检波器由特定时间常数定义。在低重复频率上准峰值检波器具有适当的时间常数来对人射能量放电从而得到较小的输出电压读数。在较高的重复频率上检波器不再对足够多的入射能量放电这时检波器的输出电压读数较大。最终随着入射信号的重复频率趋近于连续波信号的重复频率准峰值检波器的读数也将趋于峰值检波器的读数。
  虽然准峰值检波器看上去似乎比峰值检波器更有利但其响应时间却比峰值检波器慢得多。一般准峰值检波的测量时间比峰值检波测量可能要增加2~3个数量级。
平均值检波器有助于测量可能被宽带干扰淹没的窄带EMI信号。对于平均值检波器而言经峰值检波的信号必须通过其带宽远小于分析仪的分辨带宽滤波器带宽的滤波器。滤波器对包络检波器输出端频率较高的信号分量(如噪声)进行积分或平均。
  CISPR接收机实质上是一台调幅(AM)接收机在这种接收机中输入信号经准峰值检波加权。接收机包括滤除掉非线性信号响应的预选。通过利用脉冲发生器建立符合CISPR规定的脉宽、重复频率和幅度电平的测试信号来进行准峰值测量可以证实EMI接收机是否满足CISPR Publication 16的技术要求。
  例如在150kHz ~30MHz范围的CISPR频带B内幅度电平为+13VDc、脉宽为12ns的脉冲可以在EMI接收机输入端提供参考测试信号。脉冲重复频(PRF)范围从单个脉冲到每秒1000个脉冲(1000Hz)?梢怨鄄斓秸飧霾馐月龀宓恼稥MI接收机幅度读数。例如对于CISPR频带B的技术要求100Hz PRF脉冲在EMC接收机上应得到60dBμV的显示幅度。若使用了1Hz PRF则对于相同的60dBμV读数需要更大的22.5dB的脉冲幅度。
  EMI测量系统的另一个关键部分是测试软件。利用适当的仪器驱动器可以对接收机编程和控制进行自动调谐和数据获取甚至调节被测设备(在旋转台上)和测量天线的位置。软件应具有全自动数据获取和使用的功能以简化记录有问题的信号和生成实用EMI报告的任务使工程师可用来解决有关的辐射发射问题。
  一旦组建起EMI测量系统就必须确定选择测试位置。 EMI的预相容性测量可以在许多不同的地点完成包括屏蔽罩、半屏蔽罩和露天测试场地(OATS)。屏蔽罩是由导电壁、底板和顶板做成的小室。通常屏蔽室由焊接或用螺栓连接的钢板制成。当然也可以用金属丝网甚至导电壁纸来制成。被测设备一般连同测试天线一起放在罩内而其余测试设备则放在屏蔽室外测试电缆和电源线的接人点经良好屏蔽以将干扰减到最小。
  屏蔽罩以适中成本提供一个稳定的环境且不受气候的影响。然而由于表面导电效应故来自被测设备的信号在屏蔽室内可能产生多次反射而形成驻波。依据房间的大小以及测试设备和测试天线的位置反射波可能引起被测信号幅度发生重大变化。
  露天测试场地不会受到屏蔽罩反射的损害。它利用金属底板来模拟正常使用中的被测设备以保证测量可处处重复。然而由于测量是在室外进行所以将存在环境信号会被测试天线和EMI接收机检拾问题。因此测试操作人员必须会判定哪些信号应当被测量而哪些信号可以忽略不计。在露天测试场地被测设备所发射的信号可能会被一些环境信号很强的信号(如广播电台发射的信号)淹没掉还有可能引起EMI接收机的过载。为了在露天测试场地中进行长年测试必须采用电磁传导材料来防止不利气候条件的影响。
  成功的露天场地测试要求注意许多因素。露天场地必须满足相应的EMC标准的要求。必须对信号的周围环境有全面的了解使之能有效地识别来自被测设备的可疑信号。在找出被测设备的最坏情况取向使信号幅度最大之后再将其与测试极限进行比较。
  部分无回波屏蔽室是一类用来模拟露天测试场地的屏蔽罩。为了消除普通无回波屏蔽室的多重反射将电磁吸收材料添加到墙壁和天花板上而地板仍维持导电表面。在某些方面(如低频性能)这类屏蔽室也很难达到露天测试场地的效果。为了使部分无回波屏蔽室接近露天测试场地的良好低频性能特别是在30~100MHz范围的性能必须使用大量具有长吸收圆锥或铁氧体瓦片形式的吸收材料。
  材料会对EMI测试场地带来什么差异呢?在对存在和不存在吸收材料的房间内所完成的测试中未屏蔽的房间表现出反映驻波和反射波可能会大到30dB 。当安装上屏蔽材料时屏蔽房间的响应性能要好得多尽管在30~8OMHz范围仍存在某些反射。这是因为屏蔽房间的尺寸太小的缘故。为了减小低频反射需要大约3米长的圆锥形吸收材料才成。
  露天测试场地的性能可能通过如ANSI C63.4中指出的现场衰减测试来检验。在这项测试中已知幅度的信号源激励处于地面上方1米的发射天线在此通常也放置被测设备。接收天线的高度从1米变化到4米直到给出最大接收机读数的位置为止。记录下每个频率的信号幅度并与发射(Tx)和接收(Rx)天线电缆连在一起时的幅度读数进行比较。对于可接受的露天场地性能现场衰减测量应处在理论响应的±4dB以内。
  若测试场地不是露天测试场地,烟气分析仪(如部分无回波屏蔽室)则必须在待测最大型设备或系统所探寻的测试区内进行归一化现场衰减(NSA)测试。TX天线放置在测试区的中心和四个正交边缘上。因此对垂直和水平天线极化要进行5次测量。
被测归一化现场衰减(AN)可以从下式求出:
  AN=VDIR-VSITE-ATX-ATR-ΔAFTOT
   =互阻抗修正系数
  式中VDIR=发射天线处发射信号测量的最大值
 。諷ITE=接收天线处发射信号测量的最大值
  ATX=发射天线的天线因子
  ATR=接收天线的天线因子
  ΔAFTOT=互阻抗修正系数
  NSA测量必须用处于水平极化和垂直极化的天线完成。在垂直极化的情况下天线的终端至少必须高于地面25米。
  对基于CISPR的辐射发射测试将设备放置在可旋转3600的、高80厘米的非导电台面上。天线被安装在天线杆上使之能在距离地面1~4米范围升降。此天线杆一般距被测设备3米或10米远视有关条例而定。天线座必须能旋转900以便能在水平极化和垂直极化场合进行测量。被测设备按通常方式与电气产品一起使用的外围设备进行连接并以反映其典型应用的方式进行工作。在有关频率范围进行扫描而且还必须对环境信号或来自被测设备的可疑信号进行识别。必须通过旋转被测设备、升降天线和改变极化方向直到找出最大幅度的方式针对每个可疑信号寻找最坏情况的位置。

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