CN102981086A - 一种电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法 - Google Patents

Abstract

电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法，对PCB电路和辐射线缆测定电路参数分析和测量电路近场辐射特性，考虑PCB电路辐射线缆小尺寸模型，根据辐射电磁场E场强与辐射线缆共模电流I_CM之间的关系可建立辐射电磁干扰噪声与PCB电路参数间的关系；在半波暗室中，估算的辐射电磁场要乘以2以补偿最坏情况下地面的反射；PCB电路和辐射线缆之间的CM电流能够用等效CM电压来表示，得到最大辐射场，共模电压信号与PCB板电压信号之间的关系为式中，C_t-c为辐射线缆与PCB板间的分布电容，C_in为辐射线缆输入电容；仅需测量PCB板中的电路参数，即可测量、预估计算辐射电磁干扰噪声大小。

Description

一种电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法

技术领域

本发明涉及的是对高速PCB电路测定电路参数分析和预估电路近场辐射特性的方法，尤其说的是一种基于电压驱动型电路参数电流分段校准的高速PCB电路电磁辐射特性分析与预估方法，为辐射性电磁干扰（EMI）噪声的机理判断以及抑制提供前提，属于电磁兼容技术领域。

背景技术

现代电气与电子产品正向微型化、智能化方向发展，系统的设计也越来越复杂，加上设备中开关器件产生的寄生参数，致使设备遭受辐射干扰愈加严重，而且对系统抗电磁干扰能力的要求越来越高。因而，为了节省产品开发时间，节约开发费用，对电气与电子产品电路电磁辐射特性(电磁兼容)研究是必不可少的。

电磁兼容性测试EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC设计与EMC测试是相辅相成的。EMC设计的好坏是要通过EMC测试来衡量的。只有在产品的EMC设计和研制的全过程中，进行EMC的相容性预测和评估，才能及早发现可能存在的电磁干扰，并采取必要的抑制和防护措施，从而确保系统的电磁兼容性。否则，当产品定型或系统建成后再发现不兼容的问题，则需在人力、物力上花很大的代价去修改设计或采用补救的措施。往往难以彻底的解决问题，而给系统的使用带来许多麻烦。

在测试仪器方面，以频谱分析仪为核心的自动检测系统，可以快捷、准确地提供EMC有关参数。新型的EMC扫描仪与频谱仪相结合，实现了电磁辐射的可视化。可对系统的单个元器件，PCB板、整机与电缆等进行全方位的三维测试，显示真实的电磁辐射状况。

EMC测试必须依据EMC标准和规范给出的测试方法进行，并以标准规定的极限值作为判据。对于预兼容测试，尽管不能保证产品通过所有项目的标准测试，但至少可以消除绝大部分的电磁干扰，从而提高产品的可靠性。而且能够指出你如何改进设计、抑制EMI发射。电磁兼容测试标准主要有：民品GB17626系列；军品GJB151A/GJB152A。民品测试项目有电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌(冲击)抗扰度试验、电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度试验、传导发射试验和辐射发射试验。军品测试有CE101、CE102、CS106、CS114、CS116、RE102等。测试内容包括电磁干扰和电磁敏感度两部分，电磁干扰测试是测量被测设备在正常工作状态下产生并向外发射的电磁波信号的大小来反应其对周围电子设备干扰的强弱。电磁敏感度测试是用来衡量被测设备对电磁骚扰的抗干扰能力的强弱。

EMC测试包括测试方法、测试仪器和试验场所。目前，国内外常用的试验场地有：开阔场、半电波暗室、屏蔽室、混响室及横电磁波小室等。作为EMC测试的实验室包括有进行传导干扰、传导抗扰度及静电放电抗扰度测试的屏蔽室，有进行辐射抗扰度测试的消声屏蔽室，有用来进行辐射发射测试的开阔场地和配备齐全的测试与控制仪器设备等。目前EMC测试中关于辐射干扰目标重构及其机理描述方面的研究大多基于电波暗室等标准电磁环境，虽然能够迅速获知辐射场强的大小并可据此判断其是否满足电磁兼容标准，但当检测结果不通过时，就需要进行辐射目标的快速重构及其干扰机理的快速描述，以便完成对高频辐射电磁干扰噪声问题的诊断与噪声抑制方法的确定，从而有效解决辐射EMC问题，然而目前常用的依赖标准电磁环境分析方法在实现辐射噪声诊断过程中尚有许多困难，因此有必要进一步考虑采用非标电磁环境的分析方法。

发明内容

本发明所目的是，解决现有电磁兼容测量中存在的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法。包括电压驱动模型中建立了基于辐射线缆共模电流模型，即认为射频电流在辐射线缆中的分布是均一的，幅值和相位均不变，结合偶极子天线辐射模型与半波天线辐射模型进行重构，提出辐射线缆共模阻抗修正方法，虽然进一步提高电压驱动模型的精度，并未考虑辐射线缆共模电流频率效应。本发明方法直接测量电路参数，通过电路参数分析以及建立电流分段模型并在空间测量点的相位叠加，获取电路的辐射发射特性。

本发明技术方案是，电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法，对PCB电路和辐射线缆测定电路参数分析和测量电路近场辐射特性的方法，考虑PCB电路辐射线缆为小尺寸模型，根据辐射电磁场E场强与辐射线缆共模电流I_CM之间的关系可建立辐射电磁干扰噪声与PCB电路参数间的关系。

式中，P_rad为辐射功率，E为辐射电磁场场强，η₀为自由空间波阻抗（120∏Ω），R_rad为辐射线缆共模阻抗，r为测试距离，I_CM为辐射线缆共模电流；

若考虑偶极子天线模型，其辐射线缆共模阻抗是100Ω，则由此产生辐射电磁场场强为

$\left|E\right|\≈\sqrt{30R_{\mathrm{rad}}}\frac{I_{\mathrm{CM}}}{r}\≈\left(55\mathrm{\Ω}\right)\frac{I_{\mathrm{CM}}}{r}---\left(2\right)$

通常，辐射电磁干扰噪声测试是在半波暗室中进行，因此综合考虑地面反射问题，上述计算需乘以2作为补偿；

在半波暗室中，估算的辐射电磁场要乘以2以补偿最坏情况下地面的反射。PCB电路和辐射线缆之间的CM电流（CM表示共模）能够用等效CM电压来表示，最大辐射场为：

${\left|E\right|}_{\max }\≈\frac{2V_{\mathrm{CM}}}{r}\sqrt{\frac{30}{R_{\mathrm{rad}}}}\≈1.1\frac{V_{\mathrm{CM}}}{r}---\left(3\right)$

式中，V_CM为共模电压信号；共模电压信号与PCB板电压信号之间的关系为

$V_{\mathrm{CM}}=\frac{C_{t-c}}{C_{\mathrm{in}}}{V}_{\mathrm{DM}}---\left(4\right)$

式中，C_t-c为辐射线缆与PCB板间的分布电容，C_in为辐射线缆输入电容。

据此，仅需测量PCB板中的电路参数，即可测量、预估计算辐射电磁干扰噪声大小，从而实现辐射目标重构。但是，上式中存在一个问题，电压驱动模型中建立了辐射线缆共模电流的直流简单模型，即认为射频电流在辐射线缆中的分布是均一的，幅值和相位均不变，未考虑辐射线缆共模电流频率效应。

针对上述情况，在此考虑辐射线缆频率效应。对于低频情况而言，线缆中的电流分布为理想情况，即线缆中各处的电流幅值和相位均相等。然而，当线缆中的电流频率达到一定程度时，线缆中的电流分布并非理想情况，即线缆中的电流和相位与其所处的位置有关。此时，线缆中的电流不再在“直流”模型，而应考虑电流的波动性。

若线缆中的电流为

I(x,t)＝I₀e^kr-jωt        （5）

若线缆中电流对应的波长的四分之一λ/4远大于线缆长度l时，即λ/4>>l，对于整个线缆而言，电流在线缆中的分布相对与整个波长λ仅为很小的一部分，因此，线缆中各处的电流幅值与相位均相等；然而，若线缆中电流对应的波长的四分之一λ/4接近或小于线缆长度时，电流在线缆中可能会产生若干个波峰或波谷，因此，线缆中各处的电流幅值与相位不再相同，即产生辐射线缆共模电流频率效应。

辐射线缆共模电流的全波分析模型具体如下：

（1）根据PCB辐射噪声的频段特征及“四分之一”波长原则将辐射线缆划分为i段；

（2）以辐射线缆中心点处的电流为基准，即为I₀，两侧电流叠加不同幅值修正因子e^iξ与相位修正因子e^jiα；

（3）设Z₀为自由空间（远场）波阻抗，则根据麦克斯韦方程组和线缆辐射关系，可得带电导线在远场产生的辐射电磁场；

$E_{\mathrm{\θ}}\≈j\frac{{\mathrm{IZ}}_0{\mathrm{\β}}_{0}L\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\πr}}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_{0}r}---\left(6\right)$

（4）辐射线缆各段的共模电流均会产生不同的辐射电磁场E_i；

（5）不同的辐射电磁场E_i在测试点处产生的合成场为

$E\≈\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(j\frac{l{Z}_0{\mathrm{\β}}_0\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}_i}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_0{r}_i}{I}_0{e}^{\mathrm{i\ξ}+\mathrm{ji\α}}\right)---\left(7\right)$

式中，Z₀为自由空间（远场）波阻抗，即120∏Ω，e^iξ为幅值修正因子，e^jiα为相位修正因子，l是导线长度，β₀=2π/λ，λ为波长，r_i是测试距离。采用上述全波模型，计算上述每段辐射线缆的共模电流引起的空间辐射场强，从而实现辐射目标快速重构。

进一步的，将辐射线缆辐射电磁干扰噪声按照频率分成2-3子波段进行处理，从而进一步提高辐射线缆共模电流的全波分析模型精度。

本发明的有益效果是：解决现有电磁兼容测量中存在的技术问题，通过电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法，考虑辐射线缆共模电流频率效应，结合偶极子天线辐射模型与半波天线辐射模型进行重构，本发明直接测量电路参数，通过电路参数分析以及建立电流分段模型并在空间测量点的相位叠加，获取电路的辐射发射特性。为辐射性电磁干扰（EMI）噪声的机理判断以及抑制提供前提。

附图说明

图1为电压驱动模型；

图2为辐射线缆共模电流频率效应；

(a)低频情况，λ/4>>l时；（b）线缆中电流对应的波长的四分之一λ/4接近或小于线缆长度l时，电流在线缆中可能会产生若干个波峰或波谷。

图3为辐射线缆共模电流分布模型；

图4为3m暗室测量结果；

图5为现有辐射目标重构方法预估结果；

图6为采用本发明方法的辐射目标预估结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

如图1所示，V_DM为PCB电压信号（差模信号），C_DM为PCB电路板分布电容，C_t-c为辐射线缆与PCB间的分布电容，I_CM为辐射线缆共模电流。对于图1所示的辐射模型可认为是辐射线缆本身与辐射线缆中的共模电流引起的辐射电磁干扰噪声。此外，由于辐射线缆中的共模电流与PCB电压信号V_DM、PCB分布电容C_DM、辐射线缆与PCB间的分布电容C_t-c、辐射线缆输入电容C_in、辐射线缆长度l、辐射线缆共模电流分布和辐射线缆阻抗Z有关，同时，仅考虑PCB电路辐射线缆为电小尺寸模型，根据辐射电磁场E场强与辐射线缆共模电流I_CM之间的关系可建立辐射电磁干扰噪声与PCB电路参数间的关系。

式中，P_rad为辐射功率，E为辐射电磁场场强，η₀为自由空间波阻抗（120∏Ω），R_rad为辐射线缆共模阻抗，r为测试距离，I_CM为辐射线缆C共模电流。若考虑偶极子天线模型，其辐射线缆共模阻抗可认为是100Ω，则由此产生辐射电磁场场强为

$\left|E\right|\≈\sqrt{30R_{\mathrm{rad}}}\frac{I_{\mathrm{CM}}}{r}\≈\left(55\mathrm{\Ω}\right)\frac{I_{\mathrm{CM}}}{r}---\left(2\right)$

通常，辐射电磁干扰噪声测试是在半波暗室中进行，因此综合考虑地面反射问题，上述计算需乘以2作为补偿。

在半波暗室中，估算的辐射电磁场要乘以2以补偿最坏情况下地面的反射。PCB电路和辐射线缆之间的CM电流（CM标示共模）可以用等效CM电压来表示，最大辐射场为：

${\left|E\right|}_{\max }\≈\frac{2V_{\mathrm{CM}}}{r}\sqrt{\frac{30}{R_{\mathrm{rad}}}}\≈1.1\frac{V_{\mathrm{CM}}}{r}---\left(3\right)$

式中，V_CM为共模电压信号。如图1所示，共模电压信号与PCB板电压信号之间的关系为

$V_{\mathrm{CM}}=\frac{C_{t-c}}{C_{\mathrm{in}}}{V}_{\mathrm{DM}}---\left(4\right)$

式中，C_t-c为辐射线缆与PCB板间的分布电容，C_in为辐射线缆输入电容。

据此，仅需测量PCB板中的电路参数，即可测量、预估计算辐射电磁干扰噪声大小，从而实现辐射目标重构。但是，该方法中存在一个问题，电压驱动模型中建立了辐射线缆共模电流的直流简单模型，即认为射频电流在辐射线缆中的分布是均一的，幅值和相位均不变，未考虑辐射线缆共模电流频率效应。

因此，本发明将结合偶极子天线辐射模型与半波天线辐射模型进行重构，提出辐射线缆共模阻抗修正方法，从而进一步提高电压驱动模型的精度。

对于低频情况而言，线缆中的电流分布为理想情况，即线缆中各处的电流幅值和相位均相等。然而，当线缆中的电流频率达到一定程度时，线缆中的电流分布并非理想情况，即线缆中的电流和相位与其所处的位置有关。此时，线缆中的电流不再在“直流”模型，而应考虑电流的波动性。不失一般性，假设线缆中的电流为

I(x,t)＝I₀e^kr-jωt        （5）

若线缆中电流对应的波长的四分之一λ/4远大于线缆长度l时，即λ/4>>l，对于整个线缆而言，电流在线缆中的分布相对与整个波长λ仅为很小的一部分，因此，线缆中各处的电流幅值与相位均相等；然而，若线缆中电流对应的波长的四分之一λ/4接近或小于线缆长度时，电流在线缆中可能会产生若干个波峰或波谷，因此，线缆中各处的电流幅值与相位不再相同，即产生辐射线缆共模电流频率效应，如图2所示。

为了有效解决上述问题，考虑到当辐射线缆长度与共模电流对应的波长为相同数量级时，辐射线缆中的共模电流不再均匀分布，本发明是一种基于电压驱动型电路和辐射线缆电流参数分段校准的高速PCB电路电磁辐射特性分析与预估方法，本发明利用电流传输的波动特性建立辐射线缆共模电流的全波分析模型，辐射线缆共模电流分布模型，如图3所示。

辐射线缆共模电流的全波分析模型具体如下：

（1）根据PCB辐射噪声的频段特征及“四分之一”波长原则将辐射线缆划分为i段；

（2）以辐射线缆中心点处的电流为基准，即为I₀，两侧电流叠加不同幅值因子e^iξ与相位因子e^jiα；

（3）设Z₀为自由空间（远场）波阻抗，则根据麦克斯韦方程组和线缆辐射关系，可得带电导线在远场产生的辐射电磁场；

$E_{\mathrm{\θ}}\≈j\frac{{\mathrm{IZ}}_0{\mathrm{\β}}_{0}L\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\πr}}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_{0}r}---\left(6\right)$

（4）辐射线缆各处的共模电流均会产生不同的辐射电磁场E_i；

（5）不同的辐射电磁场E_i在测试点处产生的合成场为

$E\≈\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(j\frac{l{Z}_0{\mathrm{\β}}_0\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}_i}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_0{r}_i}{I}_0{e}^{\mathrm{i\ξ}+\mathrm{ji\α}}\right)---\left(7\right)$

式中，Z₀为自由空间（远场）波阻抗，即120∏Ω，e^iξ为幅值修正因子，e^jiα为相位修正因子。

采用上述全波模型，计算上述每段共模电流引起的空间辐射场强，从而实现辐射目标快速重构。值得注意的是，辐射电磁干扰噪声是由PCB电路的驱动信号和控制信号引起，相应的辐射干扰频段不尽相同，针对上述问题，将辐射电磁干扰噪声按照频率分成2-3子波段进行处理，从而进一步提高辐射线缆共模电流的全波分析模型精度。

在实际应用中，设计一个由5V电压源、10Mhz晶振、100欧姆电阻组成的电路进行辐射发射预估，需按照如下步骤进行：

（1）采用辐射线缆长度l=0.5m的PCB板，令波长λ=4l，并计算其对应的频率f，f=c/λ=150MHz其中：c表示光速，λ是波长；

（2）将线缆分成3段；分别为0.2m,0.1m,0.2m；再分别测量3段线缆的中心点处电流I₁,I₂,I₃。

（3）根据麦克斯韦方程组和线缆辐射关系，可得带电导线在远场产生的辐射电磁场E₁,E₂,E₃；

$E_{\mathrm{\θ}}\≈j\frac{{\mathrm{IZ}}_0{\mathrm{\β}}_{0}L\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\πr}}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_{0}r}$

（4）不同的辐射电磁场E_i在测试点处产生的合成场为

$E\≈\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(j\frac{l{Z}_0{\mathrm{\β}}_0\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}_i}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_0{r}_i}{I}_0{e}^{\mathrm{i\ξ}+\mathrm{ji\α}}\right)$

式中，Z₀为自由空间（远场）波阻抗，即120∏Ω，e^iξ为幅值修正因子，e^jiα为相位修正因子。通过以上4步即可实现辐射线缆共模阻抗修正，从而进一步提高电压驱动模型的精度。

Claims (3)

1.电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法，对PCB电路和辐射线缆测定电路参数分析和测量电路近场辐射特性，其特征是

考虑PCB电路辐射线缆小尺寸模型，根据辐射电磁场E场强与辐射线缆共模电流I_CM之间的关系可建立辐射电磁干扰噪声与PCB电路参数间的关系:

式中，P_rad为辐射功率，E为辐射电磁场场强，η₀为自由空间波阻抗120∏Ω，R_rad为辐射线缆共模阻抗，r为测试距离，I_CM为辐射线缆共模电流；

若考虑偶极子天线模型，其辐射线缆共模阻抗是100Ω，则由此产生辐射电磁场场强为

$\left|E\right|\≈\sqrt{30R_{\mathrm{rad}}}\frac{I_{\mathrm{CM}}}{r}\≈\left(55\mathrm{\Ω}\right)\frac{I_{\mathrm{CM}}}{r}---\left(2\right)$

通常，辐射电磁干扰噪声测试是在半波暗室中进行，因此综合考虑地面反射问题，上述计算需乘以2作为补偿；

在半波暗室中，估算的辐射电磁场要乘以2以补偿最坏情况下地面的反射；PCB电路和辐射线缆之间的CM电流能够用等效CM电压来表示，CM表示共模，最大辐射场为：

${\left|E\right|}_{\max }\≈\frac{2V_{\mathrm{CM}}}{r}\sqrt{\frac{30}{R_{\mathrm{rad}}}}\≈1.1\frac{V_{\mathrm{CM}}}{r}---\left(3\right)$

式中，V_CM为共模电压信号；共模电压信号与PCB板电压信号之间的关系为

$V_{\mathrm{CM}}=\frac{C_{t-c}}{C_{\mathrm{in}}}{V}_{\mathrm{DM}}---\left(4\right)$

式中，C_t-c为辐射线缆与PCB板间的分布电容，C_in为辐射线缆输入电容；据此，仅需测量PCB板中的电路参数，即可测量、预估计算辐射电磁干扰噪声大小，从而实现辐射目标重构。

2.根据权利要求1所述的电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法，其特征是结合偶极子天线辐射模型与半波天线辐射模型进行重构，提出辐射线缆共模阻抗修正方法：

若辐射线缆中的电流为

I(x,t)＝I₀e^kr-jωt        （5）

若辐射线缆中电流对应的波长的四分之一λ/4远大于线缆长度l时，即λ/4>>l，对于整个线缆而言，电流在线缆中的分布相对与整个波长λ仅为很小的一部分，因此，线缆中各处的电流幅值与相位均相等；然而，若线缆中电流对应的波长的四分之一λ/4接近或小于线缆长度时，电流在线缆中可能会产生若干个波峰或波谷，

辐射线缆共模电流的全波分析具体步骤如下：

（1）根据PCB辐射噪声的频段特征及“四分之一”波长原则将辐射线缆划分为i段；“四分之一”波长为一段；

（2）以辐射线缆中心点处的电流为基准，即为I₀，两侧电流叠加不同幅值修正因子e^iξ与相位修正因子e^jiα；

（3）设Z₀为自由空间（远场）波阻抗，则根据麦克斯韦方程组和线缆辐射关系，得带电导线在远场产生的辐射电磁场；

$E_{\mathrm{\θ}}\≈j\frac{{\mathrm{IZ}}_0{\mathrm{\β}}_{0}L\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\πr}}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_{0}r}---\left(6\right)$

（4）辐射线缆各段的共模电流均会产生不同的辐射电磁场E_i；

（5）不同的辐射电磁场E_i在测试点处产生的合成场为

$E\≈\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(j\frac{l{Z}_0{\mathrm{\β}}_0\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}_i}{e}^{-j{\mathrm{\β}}_0{r}_i}{I}_0{e}^{\mathrm{i\ξ}+\mathrm{ji\α}}\right)---\left(7\right)$

式中，Z₀为自由空间（远场）波阻抗，即120∏Ω，e^iξ为幅值修正因子，e^jiα为相位修正因子，l是导线长度，β₀=2π/λ，λ为波长，r_i是测试距离；计算上述每段辐射线缆的共模电流引起的空间辐射场强，从而实现辐射目标快速重构。

3.根据权利要求1ak2所述的电压驱动型辐射源电磁辐射分析测量方法，其特征是将辐射线缆辐射电磁干扰噪声按照频率分成2-3子波段进行处理，从而进一步提高辐射线缆共模电流的全波分析模型精度。

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