CN103048574B - 一种基于辐射源特征的gtem小室辐射emi测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于辐射源特征的GTEM小室辐射EMI测试方法，该方法包括如下步骤：第一步，根据近场波阻抗理论判定被测设备辐射源类型，即判定辐射源是以共模辐射为主还是以差模辐射为主；第二步，若判定被测设备辐射源类型以共模辐射特性为主，则采用极差-均值法处理GTEM结果；若判定被测设备辐射源类型以差模辐射特性为主，则采用方差法处理GTEM结果。针对GTEM小室用于辐射发射的测试实验，本发明提出的基于电磁干扰源特征的GTEM辐射干扰测量方法，能大大提高GTEM小室用于辐射EMI测试时的测试结果精度，为基于GTEM辐射EMI测量提供了有效参考。

Description

一种基于辐射源特征的GTEM小室辐射EMI测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于辐射源特征的GTEM小室辐射EMI测试方法，具体说就是针对目前利用GTEM小室进行EMI测试时精度较差现象，提出针对不同辐射源类型的不同GTEM测试方法。为利用GTEM进行辐射EMI测试提供了有效借鉴，属于电磁兼容技术领域。

背景技术

现代电子产品正向小型化、智能化发展，开关器件频率越来越高，设计更加复杂，使设备遭受辐射电磁干扰问题日益加重，并且对系统的抗干扰能力的要求越来越高。因而，为了节省产品开发费用与时间，进行辐射电磁干扰噪声测试研究是必不可少的。

电磁兼容测试（EMC）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。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。而且能够指出该如何改进设计、抑制电磁干扰（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。目前针对电子产品辐射电磁干扰噪声测试的标准测试方法主要是指开阔场测试以及3m，5m，10m电波暗室测试。但是开阔场测试以及3m，5m，10m电波暗室对场地要求较高且造价昂贵，一般企业无法承受。利用GTEM小室进行辐射EMI测试既能减少测试费用，又能很好地预估辐射电磁干扰噪声，引起了广泛的关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对目前利用GTEM小室进行辐射EMI测试时精度较低且没有进行噪声源分类的问题，本发明提供了一种以共模辐射模型为主的极差-均值测量法以及以差模辐射模型为主的方差测量法。该方法通过修正现有Wilson方法，进一步提高了GTEM小室测量辐射EMI噪声精度。

为了解决以上问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法，包括如下步骤：

第一步：根据近场波阻抗理论判定被测设备辐射源类型，即判定辐射源是以共模辐射为主还是以差模辐射为主；

第二步：若判定被测设备辐射源类型以共模辐射特性为主，则采用极差-均值法处理GTEM结果；若判定被测设备辐射源类型以差模辐射特性为主，则采用方差法处理GTEM结果。

所述方差法处理是将差模辐射特性为主的被测设备GTEM小室测量结果与电波暗室测量结果误差补偿到GTEM小室测量结果上；所述极差-均值法处理是指将GTEM小室测量结果与电波暗室测量结果对应频点数据极差求和取平均后补偿到GTEM小室测量结果上。

针对GTEM小室用于辐射发射的测试实验，本发明提出了基于电磁干扰源特征的GTEM辐射干扰测量方法：针对以共模辐射源特征为主的被测设备提出了极差-均值法处理GTEM数据；针对以差模辐射源特征为主的被测设备提出方差法处理GTEM数据。从而大大提高了GTEM小室用于辐射EMI测试时的测试结果精度，为基于GTEM辐射EMI测量提供了有效参考。

附图说明

图1是本发明的共模辐射结果，（a）共模辐射干扰产生电路，（b）电波暗室测试结果，（c）GTEM测试结果。

图2是差模辐射结果，（a）差模辐射干扰产生电路，（b）电波暗室测试结果，（c）GTEM测试结果。

图3是实施例的测试结果，（a）具有差模特征的电子助视器的近场波阻抗特性，（b）测量结果。

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。

在GTEM小室测量电磁干扰噪声应用中，需要将GTEM小室所测得的数据转换为等效的开阔场或电波暗室测试场强值。有关GTEM小室作为一种辐射EMI测试装置的研究主要有：总功率法、Wilson和Lee这3种关联算法。其中Wilson算法是在总功率算法的基础上发展的，其中对于电小尺寸辐射体而言，辐射场强在x、y、z 3个方向上的分量可以用电偶极矩和磁偶极矩进行描述。以x方向为例，被测物体在远场中的辐射电场分量可表示为：

$\begin{array}{l}{E}_x=K_E\{[?\frac{y^2+z^2}{r^2}{g}_1(r)+g_2(r)]P_x+\frac{xy}{r^2}{g}_1(r)P_y+\\ \text{\ \ \ \ \ \ \ }\frac{zx}{r^2}{g}_1(r)P_z+\frac{z}{r}{g}_3(r)k_0{M}_y?\frac{y}{r}{g}_3(r)k_0{M}_z\}\end{array}---\left(1\right)$

其中，

$K_E=-j\frac{k_0{\mathrm{\η}}_0}{4\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

$f\left(r\right)=\frac{e^{-j{k}_{0}r}}{r}---\left(3\right)$

$g_1\left(r\right)=[\frac{3}{{\left(k_{0}r\right)}^2}+j\frac{3}{k_{0}r}-1]f\left(r\right)---\left(4\right)$

$g_2\left(r\right)=[\frac{2}{{\left(k_{0}r\right)}^2}+j\frac{2}{k_{0}r}]f\left(r\right)---\left(5\right)$

$g_3\left(r\right)=[\frac{1}{k_{0}r}+j]f\left(r\right)---\left(6\right)$

r为测试距离；k₀=2π/λ为波数，即电磁波传播单位长度所引起的相位变化；x、y、z分别为被测物体在远场中的等效坐标值；(Px, Py,Pz)和(Mx, My, Mz)为该设备在远场的电偶极矩和磁偶极矩。Ey、Ez也可相应地由此表示，因此可得到GTEM小室等效远场测量结果。

对于如图1(a)所示共模辐射模型，将GTEM小室结果与电波暗室结果对应频点数据极差求和取平均（记为S’）后补偿到GTEM小室结果上，该方法命名为极差-均值法。对应极差-均值法中均值S’计算公式如公式(7)所示：

$S^{\′}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-x_{\mathrm{GTEM}})---\left(7\right)$

其中：x_i是各频点下电波暗室测试结果，x_GTEMi是对应频率点GTEM小室测试结果。根据公式(1)可知GTEM小室等效远场多项式提取模型，则采用极差-均值法校准后的GTEM小室等效远场辐射电场强度的多项式提取模型如公式(8)所示：

$E_i=f(x_i;A)=\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{x}_i^k+S^{\′},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(8\right)$

式中：A为(a₀,a₁,...,a_m)，a是f(x_i; A)的系数；x为GTEM小室测得的辐射电场值；E_i为该模型计算的GTEM小室等效远场场强值；a_k为待定系数，由GTEM小室测量值x_i与标准测量值y_i共同确定，即可实现共模辐射源GTEM测量，测试结果如图1(c)所示，对于共模辐射源，极差-均值法测量结果比方差法、Wilson法更加精确。

对于图2(a)所示差模辐射模型，采用方差法进行数据处理。公式(9)所示：

$S=\frac{1}{n}[{(X_1-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_2-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_3-\stackrel{\‾}{X})}^2+...+{(X_n-\stackrel{\‾}{X})}^2]---\left(9\right)$

式中：n表示这组误差数据的数量；X为多项式校准模型计算值与电波暗室标准检测结果各频点对应的误差值；为这组数据的平均值。方差法校准后的GTEM小室等效远场辐射电场强度的多项式提取模型如公式(13)所示：

$E_i=f(x_i;A)=\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{x}_i^k+S,i=\mathrm{1,2},...,n---\left(10\right)$

式中：A为(a₀,a₁,...,a_m)；x为GTEM小室测得的辐射电场值；E_i为该模型计算的GTEM小室等效远场场强值；a_k为待定系数，由GTEM小室测量值x_i与标准测量值y_i共同确定，即可实现差模辐射源GTEM测量，测试结果如图2(c)所示，对于差模辐射源，方差法测量结果比极差-均值法、Wilson法更加精确。

为了验证上述GTEM测量方法对于实际案例的有效性，采用一未知辐射源类型的被测设备（某型电子助视器）为实际案例进行分析。因此，首先应该诊断产品的噪声机理。为了有效诊断电子助视器的辐射噪声生成机理，根据波阻抗公式Z=E/H计算出近场波阻抗诊断电路辐射机理。测试过程中，调整频谱仪频谱测试范围至30 MHz-1 GHz，再分别利用电磁场探头测试不同区域的辐射电磁场。实验结果发现LED灯线环路区域所在区域辐射电磁场强较大，且能测到在频率为37.5MHz时辐射超标；保持频率不变，改变电磁场探头与被测设备间距离（r=0.1,0.5, 1.0, 1.5, 2.0 cm），分别测试其产生的辐射电场场强与磁场场强，据此得出不同测试距离对应的近场波阻抗，结果如图3(a)所示，当测试距离r为0.1 cm时，Z_W为185 Ω；当r为0.5 cm时，Z_W为230 Ω；当r为1.0 cm时，Z_W为290 Ω；当r为1.5 cm时，Z_W为330 Ω；当r为2.0 cm时，Z_W大约为377 Ω。由此可见，37.5 MHz频点处，近场波阻抗总小于120π Ω，即为低阻抗，且近场波阻抗Z_W随着测试距离增加而变大。根据辐射模型可见，该型号电子助视器在37.5 MHz频点产生的辐射干扰以差模辐射为主，根据文中前述方法，对于该型号电子助视器，应采用方差法对GTEM结果进行校准，且方差校准法结果应比极差-均值法校准结果更加精确。

运用前述方法，该设备的Wilson算法结果、方差法校准结果、极差-均值法校准结果与3 m电波暗室中的标准测量结果如图3(b)所示，验证了所述方法的有效性。

Claims (2)

1.一种基于辐射源特征的GTEM小室辐射EMI测试方法，包括如下步骤：

第一步：根据近场波阻抗理论判定被测设备辐射源类型，即判定辐射源是以共模辐射为主还是以差模辐射为主；

第二步：若判定被测设备辐射源类型以共模辐射特性为主，则采用极差-均值法处理GTEM小室测量结果；若判定被测设备辐射源类型以差模辐射特性为主，则采用方差法处理GTEM小室测量结果；所述极差-均值法处理是指将GTEM小室测量结果与电波暗室测量结果对应频点数据极差求和取平均后补偿到GTEM小室测量结果上。

2.根据权利要求1所述的一种基于辐射源特征的GTEM小室辐射EMI测试方法，其特征在于，所述方差法处理是将差模辐射特性为主的被测设备GTEM小室测量结果与电波暗室测量结果误差补偿到GTEM小室测量结果上；所述极差-均值法处理的公式为：

$E_i=f(x_i;A)=\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{x}_i^k+S^{\′},i=\mathrm{1,2},K,n$

其中：

$S^{\′}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-x_{\mathrm{GTEMi}})$

x_i是各频点下电波暗室测试结果，x_GTEMi是对应频率点GTEM小室测试结果，A为(a₀,a₁,...,a_m)，a是f(x_i；A)的系数；x为GTEM小室测得的辐射电场值；E_i为GTEM小室等效远场场强值；a_k为待定系数，由GTEM小室测量值x_i与标准测量值y_i共同确定。