CN1212521C - 用giem室做辐射emi测试的线性法 - Google Patents

Abstract

一种用GTEM室做辐射EMI测试的线性法，包括步骤：将待测设备摆放在GTEM室中的转台上，使待测设备位于GTEM室的中板与底板中间1/3区域；确定待测设备的各轴与GTEM室各轴的对应关系；转动转台将待测设备沿GTEM室的垂直轴y轴逆时针转动α角；在10kHz至3GHz频率范围内的频率下测得数据b₁₀，b_1α，b₂₀，b_2α，b₃₀，b_3α后，解出待测设备的等效电偶矩和等效磁偶矩；最后，计算在开阔场中的辐射场强。本发明可测量尺寸为50cm以内且比波长短的电子设备，测量频率范围为10kHz至3GHz。本发明只要求在GTEM室中按规定的6个位置摆放时测量GTEM室的端口输出功率，即可通过特定的线性方程组求得待测设备的等效电偶距和磁偶距，进而推导出它在开阔场或半暗室中的辐射干扰场强。

Description

用GTEM室做辐射EMI测试的线性法

技术领域

本发明涉及电磁兼容测量，特别涉及用GTEM室做辐射EMI测试的线性法。

背景技术

在电磁兼容(EMC)测试中，辐射发射测量与辐射敏感度测量是重要部分。对这两种测试，几十年来国际上一直以在开阔场的测试结果为标准，即使到现在，当别的场地的测试结果与开阔场结果有矛盾时，仍以开阔场结果为准。但随着城市空间电磁污染的日益严重，要找一块无电磁污染的开阔场是越来越困难了。于是，人们逐渐用屏蔽半暗室来代替开阔场做辐射干扰和辐射敏感度的实验。由于建造屏蔽半暗室的价格比较昂贵，人们又想到能否用横电磁波小室来代替开阔场或暗室的测量。自从1987年，Konigstein D.and Hansen D(Konigstein D.andHansen D.Proc.7^th Internat ional Symp.And Tech.Exh.on EMC.Zurich，March 1987，pp.127-132.)发明了吉赫兹横电磁波室(简称GTEM室)以来，在辐射敏感度测试的应用上取得了很大的成果，目前用GTEM室做敏感度测试也得到国际上的认可。而用GTEM室进行在辐射干扰(EMI)测试上的应用相对比较缓慢，若干测试方法仍在试验之中。

用GTEM室做辐射EMI测试的优点为：比起屏蔽暗室或半暗室，它的造价要低得多。屏蔽半暗室按3米法、10米法各需￥几百万和上千万元的造价，而GTEM室的造价只需￥20万元左右。比起开阔场，它的占地面积小，长度方向只占7-8米，而且不受环境电磁干扰的影响。它的测试频域比较宽，可从10KHz到几GHz，基本可以覆盖电磁兼容测试标准要求的频段。因此，若能用GTEM室代替开阔场或屏蔽半暗室做辐射的EMI测试或预测试，这将给没有屏蔽半暗室的部门提供一个做辐射EMI测试或预估的廉价手段。

20世纪末，国际上学者们也在探索用GTEM室代替开阔场或屏蔽半暗室做辐射EMI测试的方法。由于目前国际上权威电磁兼容机构对辐射发射EMI只承认在开阔场或屏蔽半暗室的测试结果，因此研究的重点就在于如何将GTEM室的测试结果等效到开阔场的结果上。在过去的工作中，其基本思路是用一系列的GTEM室的端口输出值来推出被测试物体的多极矩的大小和相对相位关系，用这些多极矩来模拟被测试物体，进而计算其在自由空间或者开阔场的辐射场。通常通过假定被测试物体是电小尺度从而把它等效为电偶极和磁偶极。但过去的工作在对待被测设备的等效电、磁偶矩之间的相位差时，作了不大方便的假设，使求解的过程变得比较复杂。有的假设此相位差为0，这就出现了要求测试数据较多和有时出现结果不自恰、不唯一的现象，有的同时把相位差看作未知量来求解，这样又使方程过于复杂，无法求解，只能借助于作很多近似，结果比任设一个假定值更差。过去的方法，对EUT的摆放角度的选取也有固定的要求，不能任意选取。

发明内容

本发明的目的是提供一种用GTEM室做辐射EMI测试的线性法，使测试结果与开阔场直接测试的结果符合。

为实现上述目的，用GTEM室做辐射EMI测试的线性法包括步骤：

1)将待测设备摆放在GTEM室中的转台上，使待测设备位于GTEM室的中板与底板中间1/3区域；

2)确定待测设备的各轴与GTEM室各轴的对应关系；

3)转动转台将待测设备沿GTEM室的垂直轴y轴逆时针转动α角；

4)在10kHz至3GHz频率范围内的频率下测得数据b₁₀，b_1α，b₂₀，b_2α，b₃₀，b_3α后，解出待测设备的等效电偶矩和等效磁偶矩；

5)最后，计算在开阔场中的辐射场强。

本发明可测量尺寸为50cm以内且尺寸比波长短的电子设备，测量频率范围为10KHz-3GHz。本发明只要求在GTEM室中按规定的6个位置摆放时测量GTEM室的端口输出功率，即可通过线性方程组求得待测设备的等效电偶距和磁偶距，进而推导出它在开阔场或半暗室中的辐射干扰场强。

附图说明

图1a是GTEM室立体示意图；

图1b是GTEM室中截面示意图；

图2是待测设备放置图；

图3是线形法DUT摆法示意图。

具体实施方式

GTEM室呈角锥状，典型的尺寸长约7米，最宽处约3米，最高处约2米。在理论上是矩形锥同轴传输线模型，其结构和坐标如图1(a)，(b)所示。在GTEM室用线性法做EMI测试的原理如下：

按照微波传输线理论可得到，对放置于GTEM室中心线上的电小尺寸辐射体，其零阶模(TEM模)的反向输出功率b₀的表达式为：

$b_0=-\frac{1}{2}(P_y+j{k}_0{m}_x)e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)$

式中P_y，M_x分别为辐射体的等效电、磁偶矩在GTEM室坐标中的y分量和x分量，k₀为TEM模的电磁波波数。e_0y( o)为零阶模模式场的y分量，其表达式为

$e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)=\frac{2}{a}{Z}_c^{1/2}\underset{m=\mathrm{1,3,5}}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\cosh \left(\frac{\mathrm{m\π}}{2a}{y}_0\right)}{\sinh \left(\frac{\mathrm{m\π}}{2a}h\right)}\sin \left(\frac{\mathrm{m\π}}{2}\right)J_0\left(\frac{\mathrm{m\π}}{2a}g\right)$

式中Z_c是GTEM的特性阻抗，标准数值为50Ω，2a是 待测设备所在位置正上方的GTEM室中板的水平宽度，g为中板与侧板的间隙，h为中板高度，y₀为EUT局部坐标的中心 o离底板的高度。

本专利假设电、磁偶矩的相位差为π/2，这时则有

$b_0=\left|b_0\right|=-\frac{1}{2}(P_y+k_0{M}_x)e_{\mathrm{oy}}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)$

此式中P_y，M_x表示模值，测试量b₀也是模值，于是只需测量EUT在6个不同位置的GTEM室端口输出功率的模值，即可得到EUT等效电磁偶矩6个分量P_x′，P_y′，P_z′，M_x′，M_y′，M_z′的线性方程组，从而简单地解出这6个未知量。求出EUT的等效电磁偶矩之后，即可按常规的电、磁偶极子在半空间的辐射场公式计算它在开阔场中相应的干扰场强。

用线性法在GTEM室中做EMI测试的步骤如下：

1)确定待测辐射体(EUT)的局部坐标(x′，y′，z′)。

2)将EUT摆放在GTEM室中的转台上，EUT位于中板与底板中间1/3区域(图2)。

记下EUT局部坐标原点离GTEM室底板的距离。

3)先按摆法1放置EUT，使局部EUT的局部坐标(x′，y′，z′)各轴与GTEM室坐标(x，y，z)各轴的方向相同，即  (x，y，z)-(x′，y′，z′)。记录此时GTEM室端口的输出功率。

4)转动转台将EUT沿GTEM室的垂直轴(y轴)逆时针转动α角。记录此时GTEM室端口的输出功率。

5)先后再以摆法2，3放置辐射体，使局部坐标与GTEM室坐标(x，y，z)的对应关系为：摆法2：(x，y，z)-(y′，z′，x′)，摆法3：(x，y，z)-(z′，x′，y′)，如图3所示。对每种摆法重复步骤3，4的测量。

6)在某频率下测得以上6个数据后，由下列线性方程组解出EUT的等效电偶矩和等效磁偶矩

$-\frac{1}{2}(P_{y^{\′}}+k_0{M}_{x^{\′}})e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)=b_{10}$

$-\frac{1}{2}(P_{y^{\′}}+k_0{M}_{x^{\′}}\cos \mathrm{\α}+k{M}_{z^{\′}}\sin \mathrm{\α})e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)=b_{1\mathrm{\α}}$

$-\frac{1}{2}(P_{z^{\′}}+k_0{M}_{y^{\′}})e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)=b_{20}$

$-\frac{1}{2}(P_{z^{\′}}+k_0{M}_{y^{\′}}\cos \mathrm{\α}+k{M}_{x^{\′}}\sin \mathrm{\α})e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right){=b}_{2\mathrm{\α}}$

$-\frac{1}{2}(P_{x^{\′}}+k_0{M}_{z^{\′}})e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)=b_{30}$

$-\frac{1}{2}(P_{x^{\′}}+k_0{M}_{z^{\′}}\cos \mathrm{\α}+k{M}_{y^{\′}}\sin \mathrm{\α})e_{0y}\left(\stackrel{\‾}{o}\right)=b_{3\mathrm{\α}}$

其中b_iα为第i种摆法对应于旋转角度α的输出功率值的平方根。

7)由传统的电偶极与磁偶极在自由半空间中的辐射场表达式计算EUT在开阔场中的辐射场强。

利用本专利的假设，可证明当EUT放置在GTEM室的非中心线位置时，同样可以得到关于EUT等效电、磁偶矩的线性方程组，仍然可以简单的求出EUT的等效电、磁偶矩和推出开阔场的辐射场强，这个特点也是已有方法较难解决的，在特殊情况下将会有用。

由于以上线性法要求有EUT为电小尺寸的条件，因而适用于测量比测试波长短的电子设备。此外，考虑到GTEM室的实际尺寸和均匀区的特性，本方法适用的电子设备的尺寸原则上应小于图1(b)中h的1/3，即 50cm左右。

本发明提出的方法，是将等效电、磁偶距之间的相位差假设为π/2，由此得出了电、磁偶矩的线性方程组，因而此方法称为“线性法”。本方法的测试和计算非常简单，过去的方法有的需要在GTEM室中测试9个数据，有的需要15个数据，而本方法值只需6个数据，而且测试时可取任意两个角度，并具有结果自恰，可用于待测设备不在GTEM室中心线情况等一系列优点。经实验证明这种方法的测试结果与开阔场直接测试结果的符合率并不低于已发表方法的符合率。

Claims (7)

1.一种用GTEM室做辐射EMI测试的线性法，包括步骤：

1)将待测设备摆放在GTEM室中的转台上，使待测设备位于GTEM室的中板与底板中间1/3区域；

2)确定待测设备的各轴与GTEM室各轴的对应关系；

3)转动转台将待测设备沿GTEM室的垂直轴y轴逆时针转动α角；

4)在10kHz至3GHz频率范围内的频率下测得数据b₁₀，b_1α，b₂₀，b_2α，b₃₀，b_3α后，解出待测设备的等效电偶矩和等效磁偶矩；

5)最后，计算在开阔场中的辐射场强。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的α为任意角度。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的待测设备的各轴与GTEM室各轴的对应关系为：(x，y，z)-(x′，y′，z′)，其中x，y，z为GTEM室坐标，x′，y′，z′为固定在待测设备上的局部坐标。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的待测设备的各轴与GTEM室各轴的对应关系为：(x，y，z)-(y′，z′，x′)，其中x，y，z为GTEM室坐标，x′，y′，z′为固定在待测设备上的局部坐标。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的待测设备的各轴与GTEM室各轴的对应关系为：(x，y，z)-(z′ x′，y′)，其中x，y，z为GTEM室坐标，x′，y′，z′为固定在待测设备上的局部坐标。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于使用下述线性方程解出待测设备的等效电偶矩和等效磁偶矩：

$-\frac{1}{2}(P_{y^{\′}}+k_0{M}_{x^{\′}})e_{0y}\left(\stackrel{\→}{o}\right)=b_{10}$

$-\frac{1}{2}(P_{y^{\′}}+k_0{M}_{x^{\′}}\cos \mathrm{\α}+k{M}_{z^{\′}}\sin \mathrm{\α})e_{0y}\left(\stackrel{\→}{o}\right){=b}_{1\mathrm{\α}}$

$-\frac{1}{2}(P_{z^{\′}}+k_0{M}_{y^{\′}})e_{0y}\left(\stackrel{\→}{o}\right)=b_{20}$

$-\frac{1}{2}(P_{z^{\′}}+k_0{M}_{y^{\′}}\cos \mathrm{\α}+k{M}_{x^{\′}}\sin \mathrm{\α})e_{0y}\left(\stackrel{\→}{o}\right)=b_{2\mathrm{\α}}$

$-\frac{1}{2}(P_{x^{\′}}+k_0{M}_{z^{\′}})e_{0y}\left(\stackrel{\→}{o}\right)=b_{30}$

$-\frac{1}{2}(P_{x^{\′}}+k_0{M}_{z^{\′}}\cos \mathrm{\α}+k{M}_{y^{\′}}\sin \mathrm{\α})e_{0y}\left(\stackrel{\→}{o}\right)=b_{3\mathrm{\α}}$

其中

b₁₀，b_1α分别为权利要求3所示位置下对应于角度0和α的GTEM室端口输出功率值的平方根；

b₂₀，b_2α分别为权利要求4所示位置下对应于角度0和α的GTEM室端口输出功率值的平方根；

b₃₀，b_3α分别为权利要求5所示位置下对应于角度0和α的GTEM室端口输出功率值的平方根；

P_x′，P_y′，P_z′分别为待测设备在其局部坐标上的等效电偶矩的3个分量；

M_x′，M_y′，M_z′分别为待测设备在其局部坐标上的等效磁偶矩的3个分量；

K₀为波数；

为零阶模模式场的y分量，其表达式为

$e_{0y}\left(\stackrel{\→}{o}\right)=\frac{2}{a}{Z}_c^{1/2}\underset{m=\mathrm{1,3,5}}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\cosh \left(\frac{\mathrm{m\π}}{2a}{y}_0\right)}{\sinh \left(\frac{\mathrm{m\π}}{2a}h\right)}\sin \left(\frac{\mathrm{m\π}}{2}\right)J_0\left(\frac{\mathrm{m\π}}{2a}g\right)$

式中Z_c是GTEM的特性阻抗，标准数值为50Ω，2a是被测试设备所在位置正上方的GTEM室中板的水平宽度，g为中板与侧板的间隙，h为中板高度，y₀为EUT局部坐标的中心 o离底板的高度。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电偶距与磁偶距的相位差为π/2。

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