电磁兼容测试和控制技术

电磁兼容测试和控制技术

北京交通大学抗电磁干扰研究中心沙斐

1.电磁兼容测试

电磁兼容测试贯穿在产品的设计、开发生产、使用和维护的整个周期，对设备达到电磁兼容起到至关重要的作用。

电磁兼容(EMC)测试按其目的可分为诊断测试和达标测试。诊断测试的目的是调查产生电磁兼容问题的原因，确定产生噪声和被干扰的具体部位，从而为采取抑制措施做准备。达标测试是根据有关电磁兼容标准规定的方法对设备进行测试，评估其是否达到标准提出的要求。产品在定型和进人市场之前必须进行达标测试。

电磁兼容(EMC)测试按其内容可分为电磁骚扰（EMI）发射测试和设备的抗扰度（EMS）测试。EMI测试是测量设备向外界发射的骚扰，EMS测试时给设备外加各种骚扰，测试设备的敏感度，即抗干扰能力。

应该指出的是电磁兼容测试并不仅仅是根据标准的规定进行的简单操作。同样的测量仪器、场地和测试步骤，不同的人操作得出的结果可能大相径庭，这主要取决于操作人员的素质。电磁兼容测试人员应具备广泛的知识，因为电磁兼容问题涉及到电磁场、微波、传输线、天线、电波传播、电路、计算机等基础理论；同时还应对各种被检测的设备的工作原理要有大概的了解，对标准规定的方法要进行仔细的研究，知其然，还要知其所以然。在实际测试中，要善于发现问题，并且能用所学原理解决问题，从而不断地积累经验。

1.1电磁骚扰发射测试

电磁骚扰发射（EMI）包括辐射发射（RE）和传导发射（CE）。辐射发射测试是测量受试设备（EUT）通过空间传播的骚扰辐射场强。传导发射测试是测量受试设备（EUT）通过电源线或信号线向外发射的骚扰电压和电流。

1.1.1 骚扰的辐射发射测试（9KHz～18GHz）

在30MHz～18GHz频率段，测量骚扰的电场强度。1GHz以下使用开阔场地或半电波暗室，模拟半自由空间；1GHz以上使用全电波暗室，模拟自由空间。如采用替代法测量，则测试场地可用开阔场地、半电波暗室或全电波暗室，测量结果用发射功率表示。

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在9KHz～30MHz频率段，测量骚扰的磁场强度。如果EUT较小，则将其放在大磁环天线（LLA）中，测量骚扰磁场的感应电流。如果EUT较大，则采用远天线法，用单小环在规定距离测量骚扰的磁场强度。

1.1.1.1 30MHz～1000MHz频率段的辐射发射测试

为了对辐射骚扰有一个统一的度量，标准不但对测量布置、测量方法作了规定，而且对骚扰测量仪、天线和测量场地都作了严格的规定，现分别加以讨论。

(1) 测量布置和测量方法

标准要求测试在开阔场地或半电波暗室内进行，场地必须符合NSA（归一化场地衰减）的要求。测试布置如图1所示。

测试天线和受试设备（EUT）之间的距离应符合远场条件，标准规定为3、10m或30m。远场的场结构比较简单，电场方向、磁场方向和电波传播方向三者互相垂直，波阻抗即电场强度与磁场强度之比为377Ω，场强随距离一次方衰减。近场的场结构比较复杂，在电波传播方向存在电场或磁场的分量，三者不一定互相垂直，波阻抗不为常数而是随距离变化，场强随距离平方或三次方衰减。

图1 30MHz～1000MHz辐射发射测试的布置

比较近场和远场的特性可知，在远场条件下测量场强一致性和重复性较好，测量误差较小。在远场条件下测试距离d应满足下列情况：

a) d ≥λ/2π, 如EUT被看作是偶极子天线，则误差为3dB。

b) d ≥λ，可看作是平面波，如EUT被看作是偶极子天线，则误差为0.5dB。

c) d ≥ 2D2/λ， D为EUT的最大尺寸，该条件仅适用于D>>λ的情况。

在30MHz～1000MHz频率段，λ为10m～0.3m, d=3m、10m、30m时都符合上述远场条件。

国内暗室绝大部分只能进行3m法测试,而标准上给出的限值很多都是针对10m法测试的,所以应该将它们转换为3m法的限值,转换公式为：L2＝L1 (d1/d2)或L2 (dB) ＝ L1 (dB)+ 20lg(d1/d2)

式中L1和 L2分别为测试距离为d1和d2时的辐射限值,例如GB9245中仅规定了信息技术设备在10m 测量距离处的辐射骚扰限值，由此可转换为3m处限值，如表1所示。

表1 B级ITE在10m和3m处的辐射限值

30dB(µV/m)（10m法），40dB(µV/m)(3m 法)。

在确定测试距离时常遇到起始点和终止点的问题，起始点是被测设备（EUT）的边框，这在标准上有明确的规定。终止点应该在天线的什么部位？当天线是对称振子天线或双锥天线时，终止点在天线的中间部位。当天线是喇叭天线时,终止点应为喇叭口。但当天线是对数周期天线和混合宽带天线时，终止点就不好确定，标准中也没有明确规定。对数周期天线，根据其工作原理，在频率较高时是短振子起作用，；频率较低时是长振子起作用。如果把终止点定在对数天线的顶端，则高频测量时距离约为3m，而低频测量时距离偏移较大。由于天线接收的场强E∝f/d，而由距离引起的测量误差为△E∝f△d/d2，显然对于同样的距离偏移，频率越高，产生的场的测量误差就越高，所以笔者认为终止点放在对数周期天线的顶端比较合适。如果天线上已有天线中心的标记，则终止点放在天线中心的标记处。

由于达标测试是测量EUT可能辐射的最大值，所以EUT应放在转台上（可360°旋转）以便寻找EUT的最大骚扰辐射方向。台式EUT离地面高度通常为0.8m，立式EUT则直接放置地面，接触点与地面应绝缘。接收天线的高度应该在1～4m（如测试距离为3m或10m）或2～6m（如测试距离为30m）内扫描，记录最大辐射场强。EUT的辐射电磁波到达天线有两条途径，如图2所示。一条是直达波

A E ，一条是通过地面的反射波

B E ，天线接收到的总场强为直达波和反射波的矢量和，即

B A E E E +=

由于二条路径长度不同，电磁波到达天线所需时间不同，因此A E 和B E 有一定相位差Δφ，总场强与Δφ有关。如果A E 和B E 同相，则两者相加，总场强最大；如果A E 和B E 反相，则两图2 辐射电磁

波的直达波和反射波 者相减，总场强最小。Δφ与天线高度有关， 当接收天线在1～4m 之间移动时，接收到的场强也以驻波方式变化，波峰和波谷间的高度差约为λ/2，

因此可以保证在30MHz 仍能找到最大场强。

由于骚扰场强的水平极化分量和垂直极化分量是不同的，所以测量时应把天线水平放置测水平极化分量，垂直放置测垂直极化分量。垂直放置时天线的最低端离地应大于25cm,以免影响天线的性能。整个测试系统是同轴传输系统，应该保持阻抗匹配，即天线的阻扰、同轴电缆的特性阻抗和干扰测量仪的输入阻抗都应相等，一般为50Ω。阻抗不匹配将引起反射，从而影响读数的准确性。目前自动化的EMI 测试系统己普遍使用，测量仪、天线塔、转台都用GPIB （IEEE-488）接口连接，由计算机控制，进行自动测试、数据处理和报告生成。

(2) 骚扰测量仪

骚扰测量仪实际上是一台超外差式选频电压表。骚扰波形通常是由很多频率组成的，骚扰测量仪可用来测量这些频率的电压幅值。图3是其电路方框图。

其电路结构类似于半导体收音机。测量时先将测量仪调谐，对准某个频率f i 。该频率经高频衰减器和高频放大器后进人混频器，与本地振荡器的频率f l 混频，产生很多混频信号。经过中频滤波器以后仅得到中频f 0＝f l －f i 。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，滤去中频得到其低频包络信号A （t ）。A （t ）再进一步进行加权检波，加权可根据需要获得A （t ）的峰值（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。测量前如果用校准信号发生器的信号进行预先校准， 则可以直接读数。骚扰信号的读数等效于正弦信号的有效植。