EMC第三章测试设备与相关测试

1第三章电磁兼容测量测试设备与相关测试1、电磁干扰测量设备2、电磁敏感度测量设备3、与EMC相关的测试4、其它定性测试设备（补充）5、汽车电子设计中的EMI预测试举例（补充）2第一节电磁干扰测量设备一、测试接收机测试接收机与用于一般系统中用的接收机有相当大的不同：一般系统中用的接收机是用于再现(恢复)信号；最关注的是：灵敏度、速度及与此相关的质量测试接收机是用来定量测试干扰存在的量值；最关注的是：干扰的能力（能量）；干扰的能力包括：幅度、频率、时间及带宽特性。因此，测试接收机不但对准确度提出了很高的要求。而且对带宽特性、互调特性也有严格的要求。3例如，幅度固定的脉冲型干扰按照脉冲的频率进行显示：当降低脉冲的重复频率时，对干扰的烦扰变得愈来愈小，所显示的值也愈来愈小；当提高频率时，情况则相反，显示值将增大。在民用无线电干扰测量领域中，采用了加权干扰测量方法(对CISPR为准峰值加权)，它在显示时考虑了收听者和收看者所感觉到的干扰。41．测量接收机的组成与工作原理图3.1测量接收机组成框图一般组成有八个部分：(1)输入衰减器(2)校准信号发生器(3)高频放大器(4)混频器(5)本地振荡器(6)中频放大器(7)检波器(8)输出指示关键点：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uV／m或dBuV／m)、电流(单位A，dBuA)或功率(单位W，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。52．测量接收机使用中应注意的四个问题：(1)防止输入端过载输入过载有两方面的含义：测量失真和烧毁。输入到测量接收机端口的电压过大时，轻者引起系统线性的改变，使测量值失真，重者会损坏仪器，烧毁混频器或衰减器。因此测量前需小心判别所测信号的幅度大小，没有把握时，接上外衰减器，以保护接收机的输入端。另外，一般的测量接收机是不能测量直流电压的，使用时一定先确认有无直流电压存在，必要时串接隔直电容。(2)选用合适的检波方式依据不同的EMC测量标准，选择平均值、有效值、准峰值或峰值检波器对信号进行分析。实际干扰信号基本形式可分为三类：连续波、脉冲波和随机噪声。连续波干扰如载波、本振、电源谐波等，属于窄带干扰，在无调制的情况下，用峰值、有效值和平均值检波器均可检测出来，且测量的幅度相同。6关键要点——检波方式对于脉冲干扰信号，峰值检波可以很好地反映脉冲的最大值，但反映不出脉冲重复频率的变化。这时，采用准峰值检波器最为合适，其加权系数随脉冲信号重复频率的变化而改变，重复频率低的脉冲信号引起的干扰小，因而加权系数小，反之加权系数大，表示脉冲信号的重复频率高。而用平均值、有效值检波器测量脉冲信号，读数也与脉冲的重复频率有关。随机干扰的来源有热噪声、雷达目标反射以及自然环境噪声等，这里主要分析平稳随机过程干扰信号的测量，通常采用有效值和平均值检波器测量。利用不同检波器的特性，通过比较信号在不同检波器上的响应，就可以判别所测未知信号的类型，确定干扰信号的性质。例如用峰值检波测量某一干扰信号，当换成平均值或有效值检波时幅度不变，则信号是窄带的；而幅度发生变化，则信号可能是宽带信号(即频谱超过接收机分辨带宽的信号，如脉冲信号)。7(3)测试前的校准所谓测试前的校准就是通过比对的方法确定被测信号强度。测量接收机的校准信号是一种具有特殊形状的窄脉冲，以保证在接收机工作频段内有均匀的频谱密度。测量接收机都带有校准信号发生器，测量中每读一个频谱的幅度之前，都必须先校准，否则测量值误差较大。频谱分析仪的校准信号是正弦信号，其频谱常可见各次偕波，测量前校准一次即可，通常频谱分析仪启动自动校准时校准的内容比较多，如带宽、参考电平、衰减幅度、频率等，约需5-10min。做测量接收机用时，有些频谱分析仪也配有脉冲校准源。8(4)测试信号的预选在测试中，无论是高电平的窄带信号还是具有一定频谱强度的宽带信号，都可能导致测量接收机输入端第一混频器过载，产生错误的测量结果。对于脉冲类的宽带信号，在混频器前进行滤波(也称为预选)，可避免发生过载现象。不经预选时，宽带信号的所有频谱分量都同时出现在混频器上，若宽带信号的时域峰值幅度超过混频器的过载电平，便会发生过载情况。由于进行了跟踪滤波，故输入信号频谱只有一部分进入预选器的通带内，到达混频器的输入端，输入信号的频谱强度不会因滤波而改变。这种靠滤波而不是靠衰减来实现的幅度减小，改变了宽带信号测量的动态范围，同时又能维持接收机测量低电平信号的能力。若窄带信号(如连续波信号)处在预选滤波器的通带内，则预选的过程不会改变测量窄带信号的动态范围。93．测量接收机的技术要求幅度精度：±2dB6dB带宽国标EMI测试：9～150kHz200Hz150kHz～30MHz9kHz30～1000MHz120kHz国军标EMI测试25Hz～1kHz10Hz1～10kHz100Hz10～250kHz1kHz250kHz～30MHz10kHz30MHz～1GHz100kHz1GHz1MHz检波器：峰值、准峰值和平均值检波器输入阻抗：50灵敏度：优于-30dBuV(典型值)动态范围：90dB/50dB为满足脉冲测量的需要，接收机还应具有预选器。10图例：全自动EMI测试接收机全自动的测试接收机，是目前EMI测试的主要工具。当配置天线（或其他辅助测量设备）后，就是一部全自动标准场强测量仪。可用以测量空间的无用或有害的相关干扰信号；也可以测量空间电台、电视台发出的有用无线电信号的场强；可直接读出所测的场强值（天线系数补偿）；可作频谱仪，实现全景扫描空间电磁场的场强；能实现步进的、离散的、逐点的多频点场强测量；符合国标GB/T6113.1G和国际标准CISPR26-1114、现代测试接收机发展趋势与传统测试接收机不同：采用数字中频+DSP方式12二、电磁干扰测试附件1．电流探头电流探头是测量线上非对称干扰电流的卡式电流传感器；它可在不打乱正常工作或正常布置的状态下，对复杂的导线系统、电子线路等的干扰进行无接触测量。国军标的低频传导发射或敏感测试主要用电流探头做换能器，将干扰电流转换成干扰电压，再由测量接收机测量，测量传导干扰时的最高频率可达30MHz。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—匝的初级线圈，次级线圈则包含在电流探头中。13电流探头使用时，需先测出其传输阻抗，然后才能用于传导干扰的测量。当电流探头卡在被测电源线上时，其输出端与测量接收机相连，线上的干扰电流值等于接收机测量的电压除以传输阻抗。其技术指标如下：测量频段：20Hz～30MHz输出阻抗：50Ω内环尺寸：32～67mm142．电源阻抗稳定网络电源阻抗稳定网络(也称人工电源网络)在射频范围内向被测设备提供一个稳定的阻抗，并将被测设备与电网上的高频干扰隔离开，然后将干扰电压耦合到接收机上。15使用步骤：1、将电源网络与测试接收机的地线连接起来，接地；2、把人工电源网络和电网连接起来；3、接上被测设备；4、连接上人工电源网络和测试接收机。注意：当干扰输出端没有与测量接收机相连时，该输出端应接50Ω负载阻抗。静态测试时，应以等效电阻负载取代被测设备。主要技术指标：1、频率范围：9kHz~30MHz；2、阻抗50欧姆，电感量50μH；3、最大电流：10A/50Hz；4、干扰输出端为BNC插座；163．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。(1)衡量天线特性的主要参数（共五项）：①输入阻抗(ZA)天线在馈电点的电压U(V)与电流I(A)之比，表达式如下：ZA=U/I(Ω)②天线系数(AF)接收点的场强E(V／m)与此场强在该天线输出端生成的电压U(V)之比，表达式如下：AF=E/U(m-1)17③天线增益(G)指在观察点获得相同辐射功率密度时，方向性天线的输入功率小于均匀辐射天线的输入功率的倍数。天线增益除包含天线的方向性特征外，还包含天线由输入功率转化为场强的转换效率。AFdB=-29.75+20lgf-10lgG或GdB=-29.75-AFdB+20lgf④天线方向图天线最大辐射方向与半功率点(—3dB)之间的夹角/又称天线波瓣的夹角。⑤电压驻波比(VSWR)驻波比是表征传输线阻抗与负载阻抗不匹配的失配程度的系数，表达式为：VSWR=(1+)/(1-)式中：—反射系数，即反射电压与入射电压之比。匹配时，=0，则VSWR=1；失配时，0，则VSWR1。18(2)天线计算中常用的公式①功率与电压转换P=U2/R式中：P——功率，W；U——电压，V；R——电阻，Ω。当功率单位用mW，电压单位用uV，阻抗为50Ω时，可得式：UdBuV=PdBm+107②功率密度与场强的转换(远区场)Pd=E2/120式中：E—场强，V／m；Pd—功率密度，W／m2。E为100V／m时，对应功率密度Pd=2.65mW／cm2；E为10V／m时，对应功率密度Pd=26.5uW／cm2；E为1V／m时，对应功率密度Pd=0.265uW／cm2；19③天线增益与天线系数的转换由AFdB=-29.75+20lgf-10lgG可得天线增益（dB）为：GdB=20lgfMHz-AFdB(m-1)-29．75④场强与发射功率转换公式(远区场)式中：Pt——发射功率，W；Gt——发射天线增益；r——远离发射点距离，m。20⑤环天线的基本关系式设接收环天线的面积为S，匝数为n，当它置于平面波场中且天线平面与磁场方向垂直时，环天线的感应电压为e=2πfu0SnH式中：f—被测磁场频率，Hz；u0—真空磁导率，4πxl0-7H／m；S—天线环面积，m2；n—环天线匝数；H—磁场强度，A／m。对于平面波，电场E与磁场H之间可通过波阻抗Z0进行换算Z0=E/H=120π(Ω)将式代入，并把频率换算为对应的波长入可得e=2πSnE/λ有时为了由环天线感应电压直接得出磁通密度B，通过式(6．9)可得另一种换算方法:e=2πfSnB式中：B=u0H21(3)天线类型及参数（2大类）A、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及测量屏蔽室的磁场屏蔽效能，测量频段为25Hz～30MHz。磁场天线又可分为有源天线和无源天线。有源天线因具有放大小信号的作用，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；无源环天线的尺寸较小。近距离测量设备工作时泄漏的磁场通常采用无源环天线。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(dBuV)加上环天线的天线系数，即得所测磁场(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。22常用的两种环天线的技术指标：1)有源环天线(见图)测量频段：10kHz～30MHz增益：85～125dB灵敏度：-1dB(uA／m)，10kHz；-42dB(uA／m)，1MHz阻抗：50Ω环直径：60cm2)无源环天线测量频段：20Hz～100kHz(2M)环直径：13．3cm匝数：3623B、电场天线电场天线用于接收被测设备工作时泄漏的电场、环境电磁场及测量屏蔽室(体)的电场屏蔽效能，测量频段为10kHz—40GHz。根据用途不同，电场天线也可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，测量天线的尺寸远小于被测信号的波长，且接收效率很低的情况。电磁兼容测量中通常需要宽带天线，配合测量接收机进行扫频测量。介绍几种常用的电场天线（6种）：241)杆天线天线杆长1m，用于测量10kHz～30MHz频段的电磁场，形状为垂直的单极子天线，由对称振子中间插入地网演变而来，所以测试