第六章 电磁骚扰测量及常用分析仪器

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(3)30MHz~300MHz频段:对该频段电磁骚扰的测量一般容易满足远 场条件,电磁波的电场分量与磁场分量具有固定的波阻抗关系。该频段的 标准天线是双锥天线,它是宽带天线的一种,天线的增益在整个频段内均 较高。此外,平衡偶极子天线也是这一频段的标准天线。 (4)300MHz~1GHz频段:该频段的标准天线是对数周期天线,它具有 增益高、驻波比低、频带宽等特点。也可以采用偶极子天线,但是由于该 频段对应的天线尺寸较小,因此通常天线的灵敏度较低。 (5)100MHz~10GHz频段:该频段电磁骚扰的测量采用螺旋天线,它 既可以测量线极化波又可以测量圆极化波。200MHz~40GHz频段:该频段 电磁骚扰的测量采用喇叭天线,它具有增益高、方向性强和均匀度好等特 点。
测量接收机是典型的频域测量设备,即测量结果是信号 的频谱。如果将测量接收机的测量数据读出,可以用一个两 列的数据表格存放:一列数据是频率值,另一列数据是与频 率值相对应的电压值。频率值的单位可以是Hz、kHz、MHz 或GHz等,电压值的单位则既可以是绝对电压值,如V、mV 或V等,也可以是相对于某一参考电压的分贝值,如dBV、 dBmV或dBV等。
4.功率吸收钳
在高频段,电气设备的电源线和其它引线的尺寸与信号波长相当,这 些载流线将表现出明显的天线效应,从而向周围空间辐射电磁波。对于特 定的频率,一定结构的载流线辐射电磁波的能量主要取决于线上共模电流 的大小。直接采用电流探头测量这一共模电流将会因为共模阻抗的不确定 性而带来较大的误差。功率吸收钳通过具有功率吸收功能的铁氧体材料为 共模电流提供了稳定的阻抗而抑制了测量的不确定性。
(2)电流探头
为了能够在不断开被测线路的情况下实现电流的测量,电流探头均 采用卡钳式结构。其原理与电流互感器相同,被测线路为单匝的初级线 圈,而将缠绕在一个可分合的磁芯上的多匝导线作为次级线圈。
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图中的C为等 效的次级分布 电容。
图6-4 电流探头等效电路图 对电流探头技术特性的要求主要有: (1)传输阻抗的频率响应:典型电流探头的线性频率范围为: 100kHz~100MHz、100MHz~300MHz和300MHz~1GHz。传输阻抗在线性频 率范围的值为0.1~5。 (2)插入阻抗:电流探头由次级阻抗反射到初级的输入阻抗,由于该阻 抗对于初级电路而言为串联阻抗,因此称为插入阻抗。插入阻抗改变了初 级电路的电气参数,从而改变了被测电流的大小,带来测量中的引入效应。14
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1.测量接收机
有两种方法可以将某一频率点fm的电压值得到。
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方法1:是采用中心频率为fm的带通滤波器将频率点fm的电压 信号滤出,然后经过检波器将交流信号变换为直流信号,从 而得到频率点fm的电压值。 方法2:超外差接收法。 基于超外差接收技术的测量接收机的原理框图如下图所示。
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(a) 环形天线
(b) 双锥天线
(c) 对数周期天线
(d) 螺旋天线
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(e) 喇叭天线 图6-6 各类天线的图片
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6.其他常用测量仪器
(1)频谱分析仪
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频谱分析仪主要有档级滤波器式频谱分析仪、扫描式频谱分析仪、外差 式频谱分析仪、并行滤波式实时频谱分析仪、数字滤波式实时频谱分析仪、 时间压缩式实时频谱分析仪、FFT频谱分析仪、采用数字中频的外差式频谱 分析仪等。 采用数字技术的频谱分析仪由于受到采样率和存储量的影响,通常频 带较窄。在高频段仍然采用模拟技术,其中使用最广泛的是外差式频谱分 析仪。它的工作原理与测量接收机十分相似。在对测量结果的显示方面, 频谱分析仪一般采用CRT或液晶技术显示被测信号的幅频特性曲线。频谱 分析仪的技术特性主要有频率特性、幅度特性和扫描特性。
重复频率 / Hz 25 100 100 100
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(4) 频率选择特性:测量接收机的频率选择特性是指各个频段所采用的中 频滤波器的通带范围。CISPR16.1规定的各个频段的测量带宽BW为:A频 段200Hz,B频段9kHz,C频段和D频段120kHz。 (5) 过载特性:仪器的过载是指由于被测信号的幅值太大,超过了仪器的 线性工作范围,使得测量示值不能正确反映Байду номын сангаас测信号的实际值的现象。 对于测量接收机而言,由于被测脉冲噪声的脉冲尖峰可能比平均电平高 出很多,因此对测量接收机的过载特性提出了很高的要求。测量接收机 的过载特性是由过载系数衡量的。过载系数定义为电路的稳态响应离开 理想线性不超过1dB时的最高电平与指示器满刻度偏转指示所对应电平的 比值。
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表6-1 准峰值检波方式下测量接收机基准试验脉冲的特性
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频率范围 9~150kHz 0.15~30MHz 30~300MHz 300~1000M Hz
脉冲强度 / V s 13.5 0.316 0.044 0.044
均匀频谱最小 上限 / MHz 0.15 30 300 1000
(3)隔离损耗:是指人工电源网络对来自供电电源端高频骚扰的隔离能力。 如果隔离能力不能达到要求,就需要在供电电源端和人工电源网络之间加入 11 低通滤波器。
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3.电压探头与电流探头
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当需要直接测量实际供电网络上某点的电磁骚扰时,则要用到电压 探头和电流探头。
(1)电压探头
测量接收机的输入电阻为R,分压电阻的 阻值为(1500-R)。电容器的作用主要是隔离 直流,同时对低频的电源电压呈现较大的阻抗。 而对高频骚扰电压则呈现很小的阻抗。电感器 主要起保护作用,由于在低频时其感抗很小, 因此当电容器击穿时,来自被测线路的直流和 图6-3 电压探头原理图 工频电流可以由电感器分流。 在忽略电容器的容抗和电感器的感抗后,被测线路的高频骚扰电压U与 测量接收机的测量电压Ur之间的关系为
U
1500 Ur R
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在使用电压探头时应当注意以下3点:
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(1)如果采用保护措施,那么保护装置对测量精度的影响不能超过 1dB,否则应当予以校准; (2)在使用时,要确保被测骚扰电平远大于环境噪声电平,否则测 量就没有意义; (3)为了降低环境磁场的影响,连接电压探头的导线、被测电源线 和参考地之间形成的环应当尽可能小。
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(3)磁饱和特性:当初级线路的工作电流增大时,可能引起电流探头 的磁饱和,因此通常规定误差不超过1dB时初级线路的最大直流或最大 交流电源的电流限值。 (4)屏蔽特性:电流探头在工作时,其次级线圈可能受到空间电场和 磁场的影响。通常将次级线圈及其铁心置于一个高导电率的屏蔽盒内, 以实现对电场的屏蔽。关于外磁场的影响,规定当载流导体从探头孔径 内移至探头外附近时,测量值应至少减少40dB。
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下面结合CISPR16的内容介绍测量接收机的电气特性:
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(1) 频率特性:指测量接收机总的工作频带范围。现代测量接收机的工 作频带范围都涵盖9kHz~1GHz的标准频段。CISPR16标准还将这一频带 范围划分为A、B、C、D四个频段:A频段9kHz~150kHz,B频段 150kHz~30MHz,C频段30MHz ~300MHz,D频段300MHz ~1GHz。 (2) 检波特性:按照CISPR16.1的规定,测量接收机应当具有4种检波方式, 即峰值检波、准峰值检波、平均值检波和有效值检波。 (3) 脉冲特性:测量接收机的脉冲响应包括脉冲幅值关系和脉冲频率关系。 从校准的观点看,前者又称为绝对脉冲特性,是指测量接收机在所有调谐 频率上对给定的基准试验脉冲的响应与调谐频率上对未调制正弦信号的响 应相等,误差不得超过1.5dB。校准时脉冲发生器和正弦信号发生器的源 阻抗均为50。正弦信号发生器的开路电压为有效值2mV。
EMC-6 电力系统电磁兼容
第六章 电磁骚扰测量及常用分析仪器
第十一讲 王玲桃
2016年5月23日
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主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 测量接收机 人工电源网络 电压探头与电流探头 功率吸收钳 常用天线 其他常用测量仪器
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1.测量接收机
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第二个子系统是扫频与频率选择子系统,由图6-1中的本机振荡器、 混频器、中频滤波器和射频放大器构成。该系统的功能是在被测频带选 定后,通过本机振荡器的扫频作用,由混频器和中频滤波器完成对频带 内各个频点的选择。 第三个子系统是检波子系统,由图6-1中的检波器构成。该系统的 功能是对经过放大后的中频信号进行检波,获得被测频点的幅值信息。 第四个子系统是存储与显示子系统,由图6-1中的模数变换器、存储 器、显示器和指针式表头构成。其功能是完成对信号幅值的模数变换与 存储,以及测量结果的数字式显示或指针式指示。
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图6-5 功率吸收钳结构示意图 图中A为受试设备,B为受试引线,C为电流变换器,D和E为功率吸收 体。其中,电流变换器的工作原理与电流探头相同,用以测量被测引线的共 模电流。D和E由铁氧体材料制成,对射频磁场具有很强的吸收作用,同时 为共模电流提供了稳定的阻抗。D和E的作用部位不同,D是被测引线射频 磁场的吸收体,E则是减小来自电流变换器到测量接收机的同轴电缆上的共 模电流。 功率吸收钳的工作频率范围为30MHz~1GHz。在使用前,要在工作频 率范围内进行校准,以便获得其插入损耗,用以对测量结果的修正。
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图6-2 A频段V型人工电源网络的电路原理图
人工电源网络的技术参数主要有: (1)电流负载能力:是指人工电源网络的最大连续工作电流和最大允许峰 值电流; (2)串联电压降:指的是由于人工电源网络的使用引起的被试品电源电压 的下降量。CISPR16.1规定当流经受试设备的连续电流达到最大时,施加到受 试设备上的电压不得小于人工电源网络电源端电压的95%;
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2.人工电源网络
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人工电源网络有两种基本类型:用于测量共模电压的V型网络和用于测 量差模电压的型网络。 人工电源网络具有下列功能: (1)将EUT的骚扰耦合进测量接收机的输入端,同时阻止供电电压信号 进入接收机的输入端; (2)阻止EUT的骚扰进入供电电源网络,同时也阻止供电电源网络的骚 扰进入测量接收机的输入端; (3)在被测频率范围内为EUT的电磁骚扰提供一个稳定的阻抗。
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5.常用天线
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为了将空间电磁场变换为测量接收机能够测量的电压信号,需要用到天 线。天线的种类繁多,但在无线电干扰测量方面,已经基本达成了共识。根 据测量频段的不同,选用的天线已经基本标准化。 按照测量频段的不同,常使用的天线为: (1)9~150kHz频段:该频段的电磁骚扰主要是磁场分量,因此通常采用 带电屏蔽的环形天线,或采用合适的铁氧体磁棒天线。对该类天线的平衡性 有一定的要求:当天线在均匀场内旋转时,垂直于极化方向的电平应当至少 比平行于极化方向的电平低20dB。 (2)150kHz~30MHz频段:该频段的电磁骚扰既有电场分量又有磁场分 量,测量磁场分量也是采用带电屏蔽的环形天线,对天线平衡性的要求与 (1)相同。测量电场分量则采用非平衡的鞭状天线,鞭状天线的底部通常 安装有接地金属板。
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1.测量接收机
存储器 显示器 模 /数 变换器 射 频 放大器
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传感器
中 频 滤波器 中 频 放大器
衰减器
混频器
检波器
信号源
本 机 振荡器
指针式 表 头
图6-1 测量接收机的原理框图
测量接收机主要由四个子系统组成。 第一个子系统是信号变换与信号调理子系统,由图6-1中的传感器、 衰减器和射频放大器构成,该系统的功能是将被测参量变换调理成一定 幅度范围的电压信号。
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