CN101458283A - 诊断辐射emi机理的实验台及辐射emi机理的简易诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种诊断辐射EMI机理的实验台及简易诊断方法，实验台由工作台、电场探头和磁场探头组、频谱分析仪和计算机构成；电场探头和磁场探头组可以在工作台上方三维移动；电场探头和磁场探头组交替连接频谱分析仪输入端，频谱分析仪的输出端接计算机。诊断步骤：将被测电路平面区域划分为若干辐射干扰单元；确定辐射电/磁场精测频段。辐射干扰单元辐射干扰精测，根据辐射电/磁场精测频段调整频谱分析仪的扫描频段，分别用电/磁场探头依次测量各辐射干扰单元的电平值，计算各辐射干扰单元的辐射电/磁场强度。本发明实验台结构简单、成本低。本发明方法能快速简便地检测出电子系统的辐射EMI噪声种类，为辐射EMI噪声抑制方案提供理论依据。

Description

诊断辐射EMI机理的实验台及辐射EMI机理的简易诊断方法

技术领域

本发明涉及一种诊断辐射电磁干扰(EMI)机理的实验台及辐射电磁干扰(EMI)机理的简易诊断方法，属于电磁兼容技术领域。

技术背景

现代电力电子产品正面向微型化、智能化，系统的设计也越来越复杂，加上电力电子设备中开关元件的高速开关产生的系统寄生参数，致使设备遭受传辐射型干扰愈加严重，而且对系统抗电磁干扰能力的要求越来越高。因而，为了节省开发时间，节约开发费用，同时也为产品通过质检部门的检验做好前期准备，对产品进行辐射EMI测试是必不可少的。

辐射EMI测试实质上是一种过程测试，而非一个简单的检验测试，应将之贯穿于产品的整个生产、设计过程中。同时，辐射EMI测试平台对于这个过程测试来讲又是必不可少的。可见，为了进行一系列的近场电磁辐射测量，实验平台的搭建是尤为重要的。目前，市场上的扫描系统大都采用阵列探头来探测由于高频电流发生变化而引起的电磁场的变化，从而提供出电磁场在空间分布的视觉图像。然而此类仪器均较为昂贵，中小企业难以承受，从经济角度来讲，有必要设计出价格便宜而又实用的近场辐射测试平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于频谱分析仪和近场探头测量电子系统辐射干扰的诊断辐射EMI机理的实验台及辐射EMI机理的简易诊断方法。通过电子系统辐射电磁场的全域扫描，并初步分析得到该系统辐射电磁干扰(EMI)的机理。通可以快速、有效、简易地检测出电子系统的辐射性电磁干扰噪声的种类(包括辐射共模噪声和辐射差模噪声)，为辐射性电磁干扰噪声(包括共模辐射噪声和差模辐射噪声)的抑制方案提供了充分的理论依据。

本发明诊断辐射EMI机理的实验台，由工作台、电场探头和磁场探头组、频谱分析仪和计算机构成；工作台采用绝缘材质(如木材、硬质塑料等)，工作台台面设有门字形探头支架，探头支架可沿工作台台面边缘水平行走；门字形探头支架的横梁上设有探头支杆，探头支杆可沿支架横梁水平移动和垂直移动；电场探头和磁场探头组设于探头支杆下端部；电场探头和磁场探头组交替连接频谱分析仪输入端，频谱分析仪的输出端接计算机。

本发明为一种使用上述诊断辐射EMI机理的实验台进行诊断辐射电磁干扰机理的简易方法，其步骤是：

第一步：将被测电路放置于诊断辐射EMI机理的实验台的工作台台面上；

第二步：将被测电路平面区域划分为若干辐射干扰单元n_ij；

第三步：辐射干扰单元n_ij辐射干扰初测，即：将频谱分析仪的扫描频段调至全频扫描，将电场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，找到各辐射干扰单元n_ij的频谱变化明显的频段，并将这些频段下限值的最小值作为辐射电场精测频段的下限值，将这些频段上限制的最大值作为辐射电场精测频段的上限制；从频谱分析仪的输入端取下电场探头，将磁场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，找到各辐射干扰单元n_ij的频谱变化明显的频段，并将这些频段下限值的最小值作为辐射磁场精测频段的下限值，将这些频段上限制的最大值作为辐射磁场精测频段的上限制。

第四步：辐射干扰单元n_ij辐射干扰精测，即：根据第三步得到的辐射电场精测频段调整频谱分析仪的扫描频段，将电场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各辐射干扰单元n_ij进行测量，得到对应的电平值，根据得到的电平值，计算各辐射干扰单元n_ij的辐射电场强度：

$E_{(V/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μV}/m)}}{20}-6)};$

从频谱分析仪的输入端取下电场探头，将磁场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，得到对应的电平值，根据得到的电平值，计算各辐射干扰单元n_ij的辐射磁场强度：

$H_{(A/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μA}/m)}}{20}-6)}.$

辐射场场强计算原理：

电场探头和磁场探头组可以向频谱分析仪输出一个与射频场强成比例的电压，比例系数称之为天线系数AF，通过天线系统，可以得到场强的计算公式。

在实际应用中，为了关注测量结果的相对大小和简便经常略去这些量的单位，而采用分贝为单位。

由于目前大多频谱分析仪和接收机是以dBμV或dBmV等单位作为读数的，另外，由于线缆损耗L_dB相当小，在对测量精度要求不高的时候可以略去。我们可以将电场和磁场的数值转化为标准物理量单位V/m和A/m：

$E_{(V/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μV}/m)}}{20}-6)}---\left(1\right)$

$H_{(A/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μA}/m)}}{20}-6)}---\left(2\right)$

根据式(1)和(2)把实验平台获得的数据用信号分析软件进行处理，即可得到相应测试距离电路辐射出的最大电场强度和磁场强度。

辐射干扰单元机理简易诊断原理：

与传导电磁干扰(EMI)噪声机理类似，辐射电磁干扰噪声也由两种噪声分量构成，即主要由于非良好接地或接地反射电位引起的等效短直天线构成的电偶极子共模辐射噪声，以及没有很好控制的大信号环路引起的等效环行天线构成的磁偶极子差模辐射噪声。

附图3是共模辐射模型。其中，10为电路板；11为等效短直天线。图片描述的是主要由于非良好接地或接地反射电位引起的等效短直天线构成的电偶极子共模辐射噪声。信号地的电位不为零，使得电流返回路径受到影响，这样相当于有一电流从接地电流出，继而产生出共模辐射噪声，此时的电路模型为电偶极子共模模型。

附图4是差模辐射模型。其中，12为等效环形天线。图片描述的是没有很好控制的大信号环路引起的等效环行天线构成的磁偶极子差模辐射噪声。电路的大环路走线等效为环状天线，此时的电路模型为磁偶极子差模模型。

高频情况下，信号地的电位不为零，使得电流返回路径受到影响，这样相当于有一电流从接地点流出，继而产生出共模辐射噪声，此时的电路模型为电偶极子共模模型。同样在高频情况下，电路的大环路走线等效为环状天线，模型为磁偶极子差模模型。

根据电偶极子模型(共模辐射)，可知场强 $E\∝\frac{1}{r^3},$ $H\∝\frac{1}{r^2},$ 此时近场辐射场以电场为主，电场的大小与导线长度成正比。近场波阻抗为：

$Z=\frac{E}{H}\≈\frac{1}{r}---\left(3\right)$

根据磁偶极子模型(差模辐射)，可知场强 $H\∝\frac{1}{r^3},$ $E\∝\frac{1}{r^2},$ 此时近场辐射场以磁场为主，磁场的大小与环路面积成正比。近场波阻抗为：

$Z=\frac{E}{H}\≈r---\left(4\right)$

显然，由式(3)和(4)可推出，在共模辐射中，波阻抗随着距离的增加而减小。相反，在差模辐射中，波阻抗会随着距离的增加而增大。正是因为近场波阻抗与辐射机理有这样的对应关系，我们可以通过观察近场波阻抗随距离的变化规律来判断待测电路在近场中以何种辐射占主要地位，如果测得的波阻抗有随着距离增大而减小的趋势，则说明该被测电路以共模辐射为主；反之，如果波阻抗的变化趋势为随距离增大而增大，则说明被测电路以差模辐射为主。

本发明实验台，结构简单、制作成本低廉，用于辐射EMI机理的诊断简介方便。本发明方法能够快速、有效、简易地检测出电子系统的辐射性电磁干扰噪声的种类(包括辐射共模噪声和辐射差模噪声)，为辐射性电磁干扰噪声的抑制方案提供了充分的理论与实践依据，通过近场测量，并分析波阻抗与测量距离之间的关系，得到被测电路的辐射特性。

附图说明

图1是本发明诊断辐射EMI机理的实验台结构示意图。其中，1为探头支杆，2为电场探头和磁场探头组，3为连接线缆，4为工作台，5为被测电路，6为频谱分析仪，7为计算机。

图2是被测电路平面区域划分示意图。其中，8为工作台，9为被测电路。

图3是共模辐射模型。其中，10为电路板；11为等效短直天线。图片描述的是主要由于非良好接地或接地反射电位引起的等效短直天线构成的电偶极子共模辐射噪声。信号地的电位不为零，使得电流返回路径受到影响，这样相当于有一电流从接地电流出，继而产生出共模辐射噪声，此时的电路模型为电偶极子共模模型。

图4是差模辐射模型。其中，12为等效环形天线。图片描述的是没有很好控制的大信号环路引起的等效环行天线构成的磁偶极子差模辐射噪声。电路的大环路走线等效为环状天线，此时的电路模型为磁偶极子差模模型。

图5是被测电路平面区域示意图。其中，13为工作台，14为被测电路

图6是电路S1(回路面积60cm²)的磁场和电场的变化趋势。

图7是电路S2(回路面积24cm²)的磁场变化趋势。

图8是电路S3(回路面积24cm²，并在接地点连接一段长40cm的导线)的电场变化趋势。

图9是电路S1(回路面积60cm²)的辐射波阻抗(E/H)变化趋势。

图10是电路S3(回路面积24cm²，并在接地点连接一段长40cm的导线)的辐射波阻抗(E/H)变化趋势。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1、如图1所示，诊断辐射EMI机理的实验台，由工作台、电场探头和磁场探头组、频谱分析仪和计算机构成；工作台采用绝缘材质(如木材、硬质塑料等)，工作台台面设有门字形探头支架，探头支架可沿工作台台面边缘水平行走；门字形探头支架的横梁上设有探头支杆，探头支杆可沿支架横梁水平移动和垂直移动；电场探头和磁场探头组设于探头支杆下端部；电场探头和磁场探头组交替连接频谱分析仪输入端，频谱分析仪的输出端接计算机。采用满足CISPR16-1:1993(该标准与GB/T6113.1-1995等同)要求的频谱分析仪GWINSTEK GSP-827(最高频率可到2.7GHz)。工作台台面长150cm，宽70cm，高50cm，台面上的支架高100cm，电场探头和磁场探头选用ROHDE&SCHWARZ公司生产的近场探头组HZ-11，固定在探头支杆的底部，可以在120Gm×50cm×100cm的三维空间内移动，可以在有效范围内对待测物进行扫描。工作台、探头支架及探头支杆全部用木料制成，不采用任何金属材料，这样可以避免电磁波的反射和吸收对实验结果的影响。

实施例2、使用本发明诊断辐射EMI机理的实验台，进行电子系统辐射干扰机理的简易诊断。

1、将被测电路放置于实验台上。被测电路则采用十分频电路，并设计了三种不同的电路走线方式：①S1-回路面积60cm²；②S2-回路面积24cm²；③S3-回路面积24cm²，并在接地点连接一段长40cm的导线。

2、对被测电路进行平面区域划分。采用3×3的划分方法，将被测电路平面区域划分为9个辐射干扰单元n_ij(1≤i≤3，1≤j≤3)，并按照平面坐标进行标号，S1对应n₁₁，S2对应n₁₃，S3对应n₃₁。

对被测电路的平面区域划分关系着的精确度。为了降低本发明所述方法的不确定度，应依据不同的被测电路，进行不同的区域划分，本发明常用的划分方法为3×3，4×4，5×5等。在划分过程中，要尽量将不同电子元器件划分至不同的辐射干扰单元中。

3、辐射干扰单元n_ij辐射干扰初测，即：将频谱分析仪的扫描频段调至全频扫描，将电场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，找到各辐射干扰单元n_ij的频谱变化明显的频段，选取这些频段中下限值的最小值作为辐射电场精测频段的下限值，选取这些频段中上限值的最大值作为辐射电场精测频段的上限制，从而确定了辐射电场精测频段；从频谱分析仪的输入端取下电场探头，将磁场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，找到各辐射干扰单元n_ij的频谱变化明显的频段，选取这些频段中下限值的最小值作为辐射磁场精测频段的下限值，选取将这些频段中上限制的最大值作为辐射磁场精测频段的上限制，从而确定了辐射磁场精测频段。按照本例所示被测电路，在实际测量中，电磁场精测频段均为

。

第四步：辐射干扰单元n_ij辐射干扰精测，即：根据第三步得到的辐射电场精测频段调整频谱分析仪的扫描频段，将电场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各辐射干扰单元n_ij进行测量，得到对应的电平值，根据得到的电平值，计算各辐射干扰单元n_ij的辐射电场强度：

$E_{(V/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μV}/m)}}{20}-6)};$

从频谱分析仪的输入端取下电场探头，将磁场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，得到对应的电平值，根据得到的电平值，计算各辐射干扰单元n_ij的辐射磁场强度：(一般情况下，电场精测频段与磁场精测频段不一致，在测量之前应当按照磁场精测频段再次调整频谱分析仪的扫描频段。本例中，电磁场精测频段一致。)

$H_{(A/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μA}/m)}}{20}-6)}.$

辐射场场强计算原理：

电场探头和磁场探头组可以向频谱分析仪输出一个与射频场强成比例的电压，比例系数称之为天线系数AF，通过天线系统，可以得到场强的计算公式。

在实际应用中，为了关注测量结果的相对大小和简便经常略去这些量的单位，而采用分贝为单位。

由于目前大多频谱分析仪和接收机是以dBμV或dBmV等单位作为读数的，另外，由于线缆损耗L_dB相当小，在对测量精度要求不高的时候可以略去。我们可以将电场和磁场的数值转化为标准物理量单位V/m和A/m：

$E_{(V/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μV}/m)}}{20}-6)}---\left(1\right)$

$H_{(A/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μA}/m)}}{20}-6)}---\left(2\right)$

根据式(1)和(2)把实验平台获得的数据用信号分析软件进行处理，即可得到相应测试距离电路辐射出的最大电场强度和磁场强度。

辐射干扰单元机理简易诊断原理：

与传导电磁干扰噪声机理类似，辐射电磁干扰噪声也由两种噪声分量构成，即主要由于非良好接地或接地反射电位引起的等效短直天线构成的电偶极子共模辐射噪声，以及没有很好控制的大信号环路引起的等效环行天线构成的磁偶极子差模辐射噪声。

附图3是共模辐射模型。其中，10为电路板；11为等效短直天线。图片描述的是主要由于非良好接地或接地反射电位引起的等效短直天线构成的电偶极子共模辐射噪声。信号地的电位不为零，使得电流返回路径受到影响，这样相当于有一电流从接地电流出，继而产生出共模辐射噪声，此时的电路模型为电偶极子共模模型。

附图4是差模辐射模型。其中，12为等效环形天线。图片描述的是没有很好控制的大信号环路引起的等效环行天线构成的磁偶极子差模辐射噪声。电路的大环路走线等效为环状天线，此时的电路模型为磁偶极子差模模型。

高频情况下，信号地的电位不为零，使得电流返回路径受到影响，这样相当于有一电流从接地点流出，继而产生出共模辐射噪声，此时的电路模型为电偶极子共模模型。同样在高频情况下，电路的大环路走线等效为环状天线，模型为磁偶极子差模模型。

根据电偶极子模型(共模辐射)，可知场强 $E\∝\frac{1}{r^3},$ $H\∝\frac{1}{r^2},$ 此时近场辐射场以电场为主，电场的大小与导线长度成正比。近场波阻抗为：

$Z=\frac{E}{H}\≈\frac{1}{r}---\left(3\right)$

根据磁偶极子模型(差模辐射)，可知场强 $H\∝\frac{1}{r^3},$ $E\∝\frac{1}{r^2},$ 此时近场辐射场以磁场为主，磁场的大小与环路面积成正比。近场波阻抗为：

$Z=\frac{E}{H}\≈r---\left(4\right)$

显然，由式(3)和(4)可推出，在共模辐射中，波阻抗随着距离的增加而减小。相反，在差模辐射中，波阻抗会随着距离的增加而增大。正是因为近场波阻抗与辐射机理有这样的对应关系，我们可以通过观察近场波阻抗随距离的变化规律来判断待测电路在近场中以何种辐射占主要地位，如果测得的波阻抗有随着距离增大而减小的趋势，则说明该被测电路以共模辐射为主；反之，如果波阻抗的变化趋势为随距离增大而增大，则说明被测电路以差模辐射为主。

通过实验以及数据分析、处理后，我们发现S1附近的辐射磁场强度很大，S2附近的辐射磁场强度较大，并确定该两个区域的辐射电磁干扰以差模噪声为主；同时我们发现S3家附近的辐射电场强度最很大，并确定该区域的辐射电磁干扰以共模噪声为主。然后通过S1、S2来比较差模辐射噪声的变化以及S2、S3来比较共模辐射噪声的变化。其中，①S1-回路面积60cm²；②S2-回路面积24cm²；③S3-回路面积24cm²，并在接地点连接一段长40cm的导线。附图6所示为S1-回路面积60cm²，电路的磁场和电场的变化趋势。附图7所示为S2-回路面积24cm²，电路的磁场变化趋势。附图8所示为S3-回路面积24cm²，并在接地点连接一段长40cm的导线，电路电场变化趋势。附图9所示为S1-回路面积60cm²，电路辐射波阻抗(E/H)变化趋势。附图10所示为S3-回路面积24cm²，电路辐射波阻抗(E/H)变化趋势。

S1电路与差模辐射模型等效，而S3电路则等效为共模辐射模型；无论是差模辐射还是共模辐射，随着测量距离的增加，电场和磁场场强有减小的趋势。这与本发明所述理论是一致的；环路面积为60cm²电路的磁场辐射场强最大可以到23μV/m，而当环路面积减小到24cm²后辐射场强最大只有21μV/m，说明减小信号回路面积，可以抑制辐射磁场。同样，连接长导线前后辐射电场场强大小增加了0.7μA/m，说明短直天线可以增大共模噪声的强度；在S1电路中，随着测量距离的增加，波阻抗会随之增大；而在S3电路波阻抗则随着距离增大而减小。由本发明所述理论可知，S1电路以差模辐射为主，S3电路以共模辐射为主。因此，经由本发明所设计的实验平台测得数据得到的电场、磁场随距离的变化趋势和波阻抗变化趋势与理论相吻合。

Claims (2)

1、诊断辐射EMI机理的实验台，由工作台、电场探头和磁场探头组、频谱分析仪和计算机构成；其特征是：工作台采用绝缘材质，工作台台面设有门字形探头支架，探头支架可沿工作台台面边缘水平行走；门字形探头支架的横梁上设有探头支杆，探头支杆可沿支架横梁水平移动和垂直移动；电场探头和磁场探头组设于探头支杆下端部；电场探头和磁场探头组交替连接频谱分析仪输入端，频谱分析仪的输出端接计算机。

2、一种权利要求1所述的诊断辐射EMI机理的实验台进行诊断辐射EMI机理的简易方法，其步骤是：

第一步：将被测电路放置于诊断辐射EMI机理的实验台的工作台台面上；

第二步：将被测电路平面区域划分为若干辐射干扰单元n_ij；

第三步：辐射干扰单元n_ij辐射干扰初测，即：将频谱分析仪的扫描频段调至全频扫描，将电场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，找到各辐射干扰单元n_ij的频谱变化明显的频段，并将这些频段下限值的最小值作为辐射电场精测频段的下限值，将这些频段上限制的最大值作为辐射电场精测频段的上限制；从频谱分析仪的输入端取下电场探头，将磁场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，找到各辐射干扰单元n_ij的频谱变化明显的频段，并将这些频段下限值的最小值作为辐射磁场精测频段的下限值，将这些频段上限制的最大值作为辐射磁场精测频段的上限制；

第四步：辐射干扰单元n_ij辐射干扰精测，即：根据第三步得到的辐射电场精测频段调整频谱分析仪的扫描频段，将电场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各辐射干扰单元n_ij进行测量，得到对应的电平值，根据得到的电平值，计算各辐射干扰单元n_ij的辐射电场强度：

$E_{(V/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μV}/m)}}{20}-6)};$

从频谱分析仪的输入端取下电场探头，将磁场探头连接至频谱分析仪的输入端，依次对各个辐射干扰单元n_ij进行测量，得到对应的电平值，根据得到的电平值，计算各辐射干扰单元n_ij的辐射磁场强度：

$H_{(A/m)}={10}^{(\frac{E_{\mathrm{dB}(\mathrm{\μA}/m)}}{20}-6)}.$

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