CN1242838A - 确定电磁波发射源和发射强度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

通过使用TEM室来确定电路中辐射源之特征的方法。把电路置于TEM室中以便测量电路与所说TEM室的相对取向。TEM室产生输出信号,所说输出信号表示当所说TEM室中的电路工作时由电路辐射的能量。在电路和TEM室的至少6个不同的相对取向上测量TEM室的输出信号。根据测得的输出信号值确定辐射源的电磁偶极矩,所述辐射源的取向和实际尺寸与此有关。把根据测得的输出值确定的电磁偶极矩与由多种天线中每种天线预测的极矩相比较以便估算所说辐射源相对于所说电路的取向。此外,本发明的实施例还在至少一个不同的相对取向上测量作为频率函数的TEM室的输出信号。可以用该信息来确定与辐射源有关的实际尺寸。在本发明的一个实施例中,把测得的输出信号作为谐波系列进行估算。在本发明的另一个实施例中,测量预定频率下作为时间函数的TEM室的输出信号以便确定输出信号的调制信号。

Description

确定电磁波发射源和发射强度的装置和方法

本发明涉及辐射电磁波源，更确切地说，涉及一种用于确定电路中电磁波发射源的改进方法和装置。

为了满足FCC发射要求以确保电路不受其它电子装置干扰需要测量从电路和电子器件上发射的电磁波。通常，这种符合性测量是在开放区域的测试场(OATS)上进行的而且这种测量包括测量在测试状态下由电路产生的作为频率函数的电磁波发射强度。在OATS测量中，使用远场中的天线测量从辐射源发射的强度。这种测量很难在测试室中进行，而且当电路不符合时很难进行测量。OAST测量需要工程师每次改变电路以使之符合标准规定时多次往返实验场。

由于把设备运送到OAT场地和从该场地运出很不方便且成本较高，所以已经开发了其它用于测量从装置中发射的能量的系统。一种适用于这一目的的装置被称为横向电磁波(TEM)室。TEM室是一个很大的放置待测试装置的金属室。金属室相当于一个同轴电缆。穿过室中心行进的板相当于同轴电缆的中心导体，室的外壁相当于传统同轴电缆的外部导体。在室的一端进行的板和壁之间的电位测量即是对由处于测试状态下的装置发射的作为频率函数的能量的测量。在以引用方式结合在本申请中的文献“用TEM传输室产生标准EM场”，M.L.Crawford，IEEE Transactions on Electromagnatic Compatibility，Vol.EMC-16，No.4，1974，pp189-195中更详细地描述了这种室。为了把室的设计延伸到千兆赫范围(GTEM室)和为了提供其它例如有线室(wire cell)结构而对TEM室进行了多种改进。就在本申请中使用的含义而言，术语TEM室包括那些新型室设计和以相同测量原理为基础的其它室。

TEM室避免了已有的把测试中的装置运到远场和从远场中运回以验证装置性能所产生的问题。然而，当装置不满足FCC或模拟辐射标准时，工程师仍然必须确定装置中的一个或多个部件是否会使装置产生辐射。在具有大量部件和连接电路的复杂电路中，确定一个特定部件是相当困难的。

概括地说，本发明的目的是提供一种用于识别能响应电路中之辐射能量的改进的方法和装置。

对于本领域的普通技术人员来说，根据下面对本发明和附图所作的详细说明将更易于理解本发明的这些和其它目的。

本发明是一种使用TEM室来测定电路中辐射源特性的方法。把所述电路置于TEM室中从而可以测量电路和TEM室的相对取向。当TEM室中的电路工作时，TEM提供指示电路辐射能量的输出信号。按照本发明的方法，针对电路和TEM室的至少6个不同的相对取向来测量TEM室的输出信号。根据测得的输出信号确定辐射源的电磁偶极矩，所述辐射源的取向和实际尺寸与电路有关。把根据测得的输出值确定的电磁偶极矩与多种天线类型中每一种预测的极矩进行比较以便提供辐射源相对于电路的取向估计值。此外，相对于至少一个不同的相对取向，本发明的实施例还测量作为频率函数的TEM室输出信号。可以用这个信息来确定与辐射源相关的实际尺寸。在本发明的另一个实施例中，测量在预定频率下作为时间函数的TEM室输出信号以便确定输出信号的调制信号。

图1是在TEM室中处于测试状态下的装置示意图。

图2是表示按照本发明所述用于识别测试状态下装置中辐射源的方法流程图。

图3是表示按照本发明所述用于确定辐射源特征的方法流程图。

图4是表示按照本发明所述用实际的辐射结构确定辐射源特性的方法流程图。

图5是表示按照本发明所述用于确定驱动辐射源之信号特性的方法流程图。

假设用TEM室来测试与和电磁辐射相关的FCC规定相符合的装置。此外假设该装置不满足FCC规定。这时工程师通常必须确定测试失败的原因和采取某些措施来改正出现的问题。确定测试失败的原因通常需要工程师确定哪一部分或哪些部分正在发射过量的电磁能。例如，可以用一根特定的导线连接发射过量能量的装置中的两个电子器件。通常，工程师可以随之决定改变装置的电路布置或设计以便从发射过量能量的装置的一部分或多部分上减少电磁发射。通过把该过程重复一次或多次，工程师可以成功地使装置与FCC规定相符合。

可以用本发明来确定能对测试失败作出响应的一个或多个辐射源。正如下面将要详细说明的那样，通过用TEM室进行多次测量和分析其结果便可确定辐射源的特性。通过足够的测量，通常可以测定一个或多个源的电磁偶极矩。通过检查谐波量和实际辐射的光谱，可以得出正在输送辐射源和辐射源天线最大有效频率信号的信息。由于天线通常在其实际尺寸允许产生的谐振时具有最大有效频率，所以最大有效频率提供了有关辐射源尺寸的信息。除了尺寸和驱动信号之外，可以用这些测量来确定源的阻抗(例如循环电流与电位的比值)和装置中辐射源的取向。最终，通常可以导出有关驱动信号调制的信息。本发明的输出能提供诸如“辐射信号来自纵向安置在装置中的10cm电流回路和电路回路由4MHz包含ASCII码“H’s”的数据信号驱动”的信息。然后可以重新观察电路的设计和布置以便确定该电路在发射这种信号的装置中的取向。

为了便于讨论，把“源”定义为实际上辐射给定发射量的那部分电路。装置上的不同部件可以产生不同频率的辐射。然而，应该注意到，装置中的不同电路可以产生相同频率的辐射。

现在参照图1，其表示在TEM室中处于测试状态下的装置11。在图1所示的实例中，TEM室12的外壳呈棱锥形。一般来说，假如把装置11保持在可以由任何从事专用室设计的人算出的测试空间内，那么从TEM室中测得的电位仅与装置11的EM发射以及装置11和TEM室12的相对取向有关。可以把装置11和TEM室12的相对取向设定为T和L两个角度，它们提供了相对于装置11确定的第一座标系22和相对于TEM室12确定的第二座标系21之间的相对取向。对于本领域的技术人员来说，如何调节TEM室与测试装置相对取向的细节是公知的。读者可以查阅以引用方式结合在本申请中的参考文献“A Variable Position，GravityDown G-TEM Configuration”Proceeding of the EMC Symposium on ElectromagneticCompatibility，Zurich，Swizerland，1995.3.7-9，pp.465-470，和同样以引用方式结合在本申请中的待审查US专利申请08/321,699(94.10.12申请)，该申请提供的是“用横向电磁室进行电磁测量的系统和方法”。在待审查的US专利申请08/321,699中定义的上述参考角度T和L是相同的角度。

正如本领域的技术人员所公知的和在前段参考文献中描述的那样，首先用TEM室来确定测试中的装置是否与FCC规定相符合。针对测试中的装置和TEM室之间三种不同的正交取向采用TEM室测量。然后进行计算以确定由测试中的装置产生的全部电磁能是否超出FCC规定规定的限度。

在测试确定测试中的装置是否与FCC规定相符合的过程中，可以用光谱分析仪来确定以各种频率辐射的电磁能的相对幅值。通常，在发射较大幅值能量的装置中只有有限数量的辐射源。这些辐射源通常会使有限量的频率升高，在该频率下发出的能量幅值实际上大于在其它频率下发出的能量幅值。可以用光谱分析仪来确定辐射能量较大的频率，和可以用本发明查出一个或多个以这些频率发出辐射的辐射源。通常，如果工程师能够明显减小由查出的辐射源产生的辐射幅值，便能够使测试中的装置与FCC规定相符合。因此，在符合性测试期间，工程师可以识别一种或多种频率，这些频率是与使测试中的装置符合规定相关的主要因素。

假设工程师已经识别出作为主要因素的一种辐射频率。本发明的方法有助于工程师识别一个或多个以选定频率发出辐射的辐射源。

在严格标准化的情况下，可以看出，从室中测得的电压与装置中电路元件的电偶极矩(Px，py，Pz)和磁偶极矩(Mx，My，Mz)有关，所述装置提供了由下列公式表示的辐射。 $|V{|}^2=[P_y{F}_y+P_x{F}_x+P_z{F}_z{]}^2+k_0^2[M_y{G}_y+M_x{G}_x+M_z{G}_z{]}^2---\left(1\right)$ 其中F_y＝cos(L)F_r＝cos(T+225)sin(L)F_z＝cos(T+135)sin(L)G_y＝sin(L)cos(45)          (2) $G_x=\frac{\sin (T+45)}{\sqrt{2}}+\frac{\cos (t+45)\cos \left(L\right)}{\sqrt{2}}$ $G_z=\frac{\sin (T-45)}{\sqrt{2}}+\frac{\cos (T-45)\cos \left(L\right)}{\sqrt{2}}$

在本文中使用时，标准化的电压是从室中读取的电压，其作为例如TEM室的尺寸系数。读者可以从US贸易部查到国家标准技术局的11013、1017、1040和1064号记录，其对标准化进行了更详细的说明。系数k0是随测试频率变化的波数常量。

通过上述讨论，很明显，通过在每一种频率下进行多个不同的测量便可以在各种频率下确定磁和电偶极矩。然后用测得的V值构成一组公式，该组公式适合于用公式(1)得到的偶极矩。用不同的T和L值进行不同的测量。通过相对于测试中的装置移动TEM室可得到不同的取向。在本发明的优选实施例中，需要移动TEM室，这是由于根本没有任何装置能在需要产生一组完整公式的所有方向上工作。然而，在某些情况下，可以在使TEM室保持固定的同时移动测试中的装置。确定偶极矩所需的最少测量次数是6。然而，如下面将要更详细说明的那样，进行附加测量通常也是很有用的。用计算机25和光谱分析仪27分析各种测量结果，光谱分析仪的输出送入计算机25中。

在本发明的优选实施例中，根据上述每个测量频率的极矩计算相同电磁矩的幅值和取向。

如上所述，本发明的目标是提供一种信息，电路设计者可通过这种信息来识别从测试中的装置上发射的每一个有效源，从而使电路设计者能改变电路从而减少发射。可以将每个发射源视为接收信号的天线。可以从上述发射极矩和频谱中推导出例如实际尺寸和类型等天线特性。通常可以通过检查作为时间函数的发射调制信号而得出输入到天线的信号。

如上所述，可以用上述偶极矩来识别天线类型。每个辐射源形成矢量电磁偶极矩，其笛卡儿分量出现在公式(1)中。两种最简单的天线形式是直线型导体和电流环。电流环加大了原磁辐射器的磁极矩，所述磁极矩垂直于电流环的平面。起电极矩辐射器作用的直线型导体的特征在于电极矩远大于磁极矩。在这种情况下，直线型导体的方向平行于测得的电极矩。

由于很显然还可能有更复杂的天线形状，所以确定公式(1)中各参数时用的测量次数最好足以进行与样品辐射器类型相配的测试。例如，如果一个辐射器的电和磁极矩都是有效的，那么必然会形成更复杂的辐射器。如果使观测值与公式(1)拟合需要大量的偶极能，那么这种情况将会更明显。此外，可以利用磁电偶极矩的比例来区分不同的天线类型。在本发明的优选实施例中，在计算机中存储了大量不同的天线类型。然后把测量值与根据不同天线类型判断出的图形进行比较。在本发明的优选实施例中，天线类型程序库中包含方形天线，阵列型天线，和不同载荷的各种简单天线，例如顶部承载的单极天线。

在把观察到的测量结果与用各种天线模式预测的结果进行匹配时发现计算电源的增益非常有用。因此，把辐射源的增益和F/M之比与各种天线类型的预期增益和E/M之比相比较将有助于确定与辐射源最接近的天线类型。把辐射源定义为观察到的波峰辐射强度与在辐射器各向同性情况下观察到的强度之比。

还可以测量作为频率函数的装置发射波谱。检验测得的波谱中是否有谐波相关的发射。就任何给定的天线类型而言，天线将发射谐波波谱，其基频与驱动天线的信号相关。此外，各种谐波的幅值提供了天线实际尺寸的信息。

由于从波谱中提取谐波系列之基频的方法对本领域的技术人员来说是公知的，所以在此不再对其进行详细说明。相对于本发明的目的，应对作为发射能量的每个天线给予足够的注意，希望发射波谱中的一组波峰的间隔为基频的整数倍。与基频相对应的峰值通常是具有最大能量的峰值。当用方波例如数字脉冲驱动天线时，得到的发射波谱间隔与脉冲频率的间隔相同。

上述讨论中假设测试状态下的装置具有一个主要的发射源。如果出现多个天线，可以利用谐波分析针对每个天线重复上面进行的极矩分析以便查出每个天线的影响。在这方面，应该注意到公式(1)中假设了一个主要发射源。如果存在一个以上有效源，则每个发射源将以相同的方式影响观察信号。因此，通过向每个发射源加入新项便可以改变公式(1)。如果这些发射源具有不同的取向，那么通过进行足够的角度测量便可以把它们分离从而解决这组新出现的联立方程。

谐波分析在检测是否出现多个天线和将每个天线的影响分离开时也很有用。如果各天线具有明显不同的实际尺寸，那么一旦确定了每个天线的基波便可以区分每个天线的影响。在这种情况下，发射的波谱适合于多个谐波系列。由于区分谐波时并不依赖于具有不同取向的发射源，所以这种分析模式在识别具有相同取向的发射源时是特别有用的。

虽然根据每个发射源的实际尺寸和取向数据可能足以识别与每个发射源相对应的电路部件，但是仍然存在受发射影响的具有相同尺寸和取向的部件。例如，印刷电路板通常包括基本具有相同长度的平行迹线。如果这些迹线中的一条是辐射源，则用于识别辐射源的信息不足以将所述辐射源分离开，所述辐射源是具有特定长度和取向的导体。在这种情况下，可能会需要附加信息。

一种信息源是辐射源的调制图形。例如，如果该辐射源是总线中的导线，则通过总线上的数据图可以对从发射源中产生的发射进行调制。因此，通过检验调制图形，即检验作为时间函数的信号强度可以提供足够的信息以便识别在具有相同尺寸和取向的其它电路部件中的发射源。

可以用多种频率进行调制分析以便区分不同辐射源的影响。例如，可以用在谐波分析中检测到的每个基波进行该分析。如果用公知的时钟速率来记录测试中的电路，则可以在时钟脉冲频率下进行调制分析。此外，可以改变与进行调制分析的频率有关的信号相位以便提供其它与辐射电路元件有关的信息。以相对于时钟脉冲有预定滞后的方式向各导体施加电压；因此与电路时钟有关的调制信号的相位可以提供有关辐射源的附加信息。

此外，通过设计者可以改变数据在电路中各路径上的传播。例如，应考虑发射源是总线中的导线的情况，所述总线把存储器连接到计算机中的处理器上。可以用图形来调制从电路中产生的发射，所述图形是根据在存储器和处理器之间传输的数据量来确定的。通过改变数据和检查调制图形的变化，设计者能够确定所述发射源是总线，还是总线中作为发射体的特定导体。

图2是本发明优选方法的流程图，通过该方法可以识别测试装置中的辐射源。该方法开始于初始程序块100。

在程序块102中，识别一个或多个辐射频率以便进行评价。可以用波谱分析仪来确定辐射较大的电磁能量的频率。可以用谐波系分析来识别那些作为辐射基频的频率。通常识别这些基频是为了进行评价。在某些情况下，可能仅有一中相关频率。

在程序块104中，进行TEM室测量。如上所述，优选在测试装置相对于TEM室的至少六个不同方向上进行测量。如图1中所示，把从TEM室中得到的测量结果送到分析器27中。而把分析器27的输出送到计算机25。计算机25可以存储与从TEM室中得到的测量结果相关的数据以便作进一步处理。

在完成了所有TEM室测量之后，图2的方法转入程序块106。在程序块106中，用TEM室的测量结果确定辐射源的电磁辐射特性。在图3中示出了描述辐射源特性的优选方法。通过在计算机25上运行的一个或多个计算机程序可以完成该方法的一部分或全部。

在程序块108中，可以用例如在程序块106中确定的辐射源的特性来识别测试装置中的一个或多个以一定频率进行辐射的电路元件。然后可以用某些方式改变这些电路元件以减小电磁发射。图2中的方法结束于程序块110。

如图3所示，从程序块200开始进行描述辐射源特性的优选方法。在程序块202中，用TEM室的测量结果来确定以一定频率发出辐射的一个或多个实际结构的电磁辐射特性。在图4中示出了描述辐射结构或天线特性的优选方法。

在程序块204中，通过TEM室测量来确定驱动辐射结构的选定信号特性。优选的描述辐射信号的方法示于图5中。图3中的方法结束于终端块206。

如图4所示，描述辐射结构的优选方法开始于程序块300。

在程序块302中，计算辐射源电磁极矩的幅值和取向。在程序块304中，确定辐射源的增益。程序块302和304的计算过程如上文所述。

在程序块306中，把辐射源的特性与公知天线类型的辐射特性相比较以便确定以特定频率产生辐射的实际结构类型。首先，确定电分量与磁分量之比。如果比值较大，则辐射源可能是电极矩。如果比值较小，则辐射源可能是电流环。如果比值接近1，则要把辐射源的特性与更复杂的天线类型例如长方孔形天线或矩阵式天线相比较。

在程序块308中，估算辐射结构的尺寸。如上所述，通过测定辐射结构的谐振频率便可完成该程序。图4的方法结束于程序块310。

如图5所示，确定辐射信号特征的优选方法开始于程序块400。在程序块402中，测定辐射信号的频率。如上所述，为此可以使用谐波系列分析。

在程序块404中，测定辐射信号的调制量。在该程序中，这有助于选择送过数据总线和其它线的特定数据图。根据分析器27测得的辐射频率，可以在产生辐射源的同时测得数据图形。根据转输相应图形的线，可以识别产生辐射的电路元件。图5的方法结束于最后的程序块406。

再次参照图2中的程序块106，本发明的优选方法通常可以测定下列有关辐射源的信息：辐射电路的阻抗；辐射源的定位；辐射源可能的尺寸；驱动信号的基频；和驱动信号的调制信号。在程序块108中利用这些信息中的某些或全部信息来确定以特定频率产生辐射的测试装置中的电路元件。可以再现测试装置的电路图和其它技术信息以便识别可能具有程序块106中定义的辐射特性的电路元件。工程师能够确定，例如，只有一个特定的电路元件能在合适的阻抗下和取向上产生辐射，该元件具有合适的尺寸而且受具有合适频率和经调制的信号驱动。

通过至少部分在计算机25上运行的计算机程序也可以完成程序块108的程序。在这种情况下，计算机程序把与装置中不同电路元件有关的数据和辐射源特性相比较。例如，计算机程序可以存取计算机辅助设计(CAD)文件中的数据以便确定与各电路元件有关的信息。作为另一个实例，计算机程序可以把装置中各条线的长度与辐射源的估算尺寸相比较。如果计算机程序确定出在电路元件和辐射源特性之间有一种或多种匹配，则计算机程序将提醒执行该确定程序的用户。

很明显，对于熟悉本领域的技术人员来说根据上述描述和附图能对本发明作出各种改进。因此，只有下列权利要求的范围才能限定本发明。

Claims (6)

1.通过使用TEM室来确定电路中辐射源之特征的方法，把所说电路置于所述TEM室中以便可以测量所说电路与所说TEM室的相对取向，所说TEM室产生输出信号，所说输出信号表示当所说TEM室中的所说电路工作时由所说电路辐射的能量，所说方法包括以下步骤：

在所说电路和所说TEM室的至少6个不同的相对取向上测量所说TEM室的输出信号以便产生与每个所说取向相对应的输出信号值；

根据测得的输出信号值确定辐射源的电磁偶极矩，所述辐射源的取向和实际尺寸与所说电路有关；和

把所说电磁偶极矩与由多种天线中每种天线预测的极矩相比较以便估算所说辐射源相对于所说电路的取向。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤，即在至少一个所说的不同的相对取向上测量作为频率函数的TEM室的输出信号。

3.根据权利要求2所述的方法，包括进一步确定与所说辐射源有关的实际尺寸。

4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括使测得的输出信号与谐波系列符合。

5.根据权利要求2所述的方法，进一步包括以预定频率测量所说TEM室输出信号的调制信号之步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括计算所说辐射源增益值的步骤。

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