CN1710434A - 车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器 - Google Patents

Abstract

一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其探测体设电场探头和磁场探头，它们分别经适配器与低噪声放大器电连接。本发明针对现有直线偶极天线增益低，单偶极子天线辐射阻抗不足够大和现有电磁兼容性检测装置不适于近场诊断测试等问题，分别采用不同结构形式的探头予以解决的技术方案，使之具有寻找、孤立和较强排除电磁干扰的功能且结构简单，方便携带，探测灵敏度高，空间分辨能力强，可达到对辐射信号进行近场检测和区分出印制电路板、电缆和电子组件上的“热点”，能确定辐射源的位置和辐射强度，可测量重复性高。适用于诊断电子线路上各元器件及屏蔽外壳等的泄漏以及类似的电磁干扰源的辐射发射，还可通过EMI测试接收机与计算机连接。

Description

车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器

技术领域

本发明涉及一种电磁兼容性检测装置，特别涉及一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器。

背景技术

电磁波在日常生活中无时不在，无刻不在，从物理学的角度看电磁波，它是电磁场的一种运动形态，电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，即电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。不同形式的电磁波，虽然它们的本质完全相同，但其波长和频率有很大的差别，这就给电磁干扰的抑制和防止带来了一定的困难。电磁兼容(EMC)是指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。随着各种电子设备、光电、计算机、通信及信息处理类设备在车辆内部，如在装甲车、铁路机车等许多特种车辆中的广泛使用，随之对应用于这些车辆内部的各种电气及电子设备的电磁兼容性也提出了较高的配套要求，加上车辆内部应用电磁环境的复杂化，而涉及车辆内部的电磁兼容性已成为车辆交付时不可欠缺的重要技术指标之一，假若不在用于车辆内部的各种电气及电子设备的电路设计上于电磁兼容性方面采取有效技术措施，将会严重影响车辆内部设备及系统的正常运行，乃至影响整个车辆的交付使用，故对车辆内部电磁兼容性的设计要求越来越高。

在车辆的试制或开发初期，通过EMI诊断(即EMC预测试)，能够及早地发现设计中的问题，它既不需要苛刻的试验条件，也回避了购置昂贵测试设备的困难，因此它有强大的生命力。虽然大部分的电磁兼容性问题可通过适当的技术设计方案得到解决，但有些电磁兼容性问题必须通过试验对电磁兼容性问题进行定点、定性、定量的检测分析，再根据测试结果进行有针对性的改进设计，才能较好地解决整个系统的电磁兼容性问题。EMC预测试在整个车辆的研制生产中仍是重要的测试手段，可及时检验车辆内部的EMC设计是否合理，所采取的EMI抑制措施是否奏效，使设计人员尽快了解要进一步抑制干扰需从哪些环节入手。所以，快捷地找出存在于基本电路及其元器件中的问题，能使产品开发的周期大大缩短，成本降低，可节约大量的人力、财力资源。但现有用于快捷诊断基础元器件电磁兼容性问题的设备结构复杂、价格昂贵，不便于推广和普及。再者，由于车辆内部结构的特殊及工作环境的限制，在车辆内部不可能采用标准的电磁兼容性检测设备进行测试。因此，开发一种适用于车辆内部电磁环境摸底测试，能对电磁场辐射发射RE102(10KHz～1GHz)指标进行检测的装置已很有必要。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的是提供一种用于车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，它具有根据电磁波的传播方向或将电磁场辐射源频率信号经分布电容的耦合达到区分电子线路上是否存在超过电磁兼容性标准规定的辐射信号且结构既简单又便于携带还能与电磁兼容性检测装置配套使用。

为了实现上述目的，一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，该探测器包括探测体、适配器、低噪声放大器，其中探测体设有电场探头和磁场探头，它们分别经适配器与低噪声放大器电连接。

为了实现结构优化和达到较理想的使用性能，其进一步的措施是：

所述电场探头包含有本体、导体，在所述本体上缠绕所述导体或所述本体上直接固定所述导体。

所述本体为一绝缘棒，缠绕在该绝缘棒上的所述导体为一50Ω同轴电缆。

所述导体是呈双螺旋线缠绕在所述绝缘棒上，且双螺旋线缠绕为逆时钟、变螺距的双线缠绕。

所述本体为一50Ω同轴电缆的中心导体，直接固定在该中心导体的所述导体为一金属球，且所述金属球的直径为3.2cm。

所述磁场探头包含本体、导体，其导体从中段处弯成环形空心圈后顺延成所述本体，在该本体与所述环形空心圈拐弯处的外导体上开一缺口。

所述导体为50Ω半刚性同轴电缆，所述缺口为对称性缺口。

所述环形空心圈的最佳直径为1～6cm，且于直径1cm的环形空心圈中置一铁氧体磁芯。

所述适配器包括阻抗匹配网络、同轴电缆和BNC接头。

所述低噪声放大器包括集成放大器SL560C，由二极管D1～D6组成的限幅电路，IC2及外围电子元件组成的电源供电与指示电路。

本发明针对现有直线偶极天线增益低，单偶极子天线辐射阻抗不足够大和现有电磁兼容性检测装置不适于近场诊断测试等问题，分别采用不同结构形式的探头予以解决的技术方案，使本发明具有寻找、孤立和较强排除电磁干扰的功能且结构简单、方便携带，探测灵敏度高，空间分辨能力强，可达到对辐射信号进行近场检测和区分出印制电路板、电缆和电子组件上的“热点”，能根据电磁波的传播方向和能量确定辐射源的位置和辐射强度，排查出辐射较大的元器件或电路；能根据电磁波的传播方向确定辐射源的位置和辐射强度，排查出辐射较大的元器件或电路，能把干扰源孤立到约1cm2的范围内；可测量重复性高。适用于诊断电子线路上各元器件、印制电路板、集成电路、电缆、屏蔽外壳上的泄漏以及类似的电磁干扰源的辐射发射，其检测出的电磁干扰信号还可通过EMI测试接收机与计算机连接进行诊断分析。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2(a-1)(a-2)(b-1)(b-2)是本发明的电场探头结构原理及外形示意图。

图3是本发明的磁场探头结构原理及外形示意图。

图4是本发明的低噪声放大器原理图。

图5(a)是缠绕式电场探头在与螺旋轴垂直平面内的最大接收方向示意图。

图5(b)是缠绕式电场探头含螺旋轴平面内的最大接收方向示意图。

图6是本发明磁场探头的工作原理图。

图7是本发明的缠绕式电场探头系数谱图。

图8是本发明的金属球式电场探头系数谱图。

图9是本发明的1cm直径环形空心圈磁场探头系数谱图。

图10是本发明的6cm直径环形空心圈磁场探头系数谱图。

图11是本发明用于车辆内部辐射发射测试布置示意图。

图12是本发明用于辐射发射台式测试布置示意图。

图13是本发明用于插接件或屏蔽电缆的泄漏测试示意图。

图14是本发明用于寻找屏蔽体和电气垫衬中缝隙的泄漏示意图。

图15是本发明用于寻找电路板的电磁干扰源的示意图。

图16是本发明用于局部敏感度测试示意图。

具体实施方式

如附图所示，见图1，一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，该探测器包括探测体A、适配器B、低噪声放大器C，其中探测体A设有电场探头和磁场探头，它们分别经适配器B与低噪声放大器C电连接。

电场探头包含有本体、导体以及电连接的适配器，其中本体1为一绝缘棒1，缠绕在该绝缘棒1上的导体2为一同轴电缆，此导体2是呈双螺旋线缠绕在绝缘棒1上，此双螺旋线缠绕为逆时钟、变螺距的双线缠绕。同样，其中本体7为一同轴电缆的中心导体7，直接固定在该中心导体7的导体6为一金属球6，该金属球6的直径为3.2cm。为了增强探测效果，方便与低噪声放大器或EMI测试接收机的连接，适配器包括阻抗匹配网络3、50Ω半刚性同轴电缆4和BNC接头5。

磁场探头包含本体、导体，其中导体10为一根50Ω半刚性同轴电缆，该同轴电缆从中段处弯成环形空心圈10后顺延成所述本体12，在该本体12与环形空心圈10拐弯处的外导体上开一缺口11，此缺口11可保证具有较好的电气屏蔽作用，为了使测量能有较高的可重复性，将缺口11的两边开得非常对称，则耦合到内导体上的电场信号相互抵消，具有电气屏蔽作用的环形探头只接收磁分量，且测量的可重复性大大提高。为了增强探测效果，环形空心圈10的大小可根据使用需要确定其直径，环形空心圈10的最佳直径为1～6cm范围。为了达到进一步的使用效果，本实施例在1cm直径的环形空心圈10中心放置一个铁氧体磁芯，明显提高了探头的灵敏度。与本体12电连接的适配器，它包括阻抗匹配网络3、同轴电缆4和BNC接头5，为了方便与低噪声放大器或EMI测试接收机的连接，本实施例的阻抗匹配网络3的输出阻抗匹配设定为50Ω。

本发明的工作原理：

结合附图2、附图5可知，图2(a-1)、(a-2)是本发明的缠绕式探头结构原理及外形示意图，图2(b-1)、(b-2)是本发明的金属球式探头结构原理及外形示意图。为了提高增益比，本实施例的缠绕式探头是由一根导体2对折成双线逆时钟缠绕在杆形绝缘棒1上，且绕制时的螺距是变化的，导体2经阻抗匹配网络3、50Ω半刚性同轴电缆4连接到BNC接头5上，从而消除了存在电流流动的闭合回路，故只能拾取电分量；且双线逆时钟缠绕，馈电点相位差180°，它的增益比单绕螺旋高。双绕螺旋逆时钟绕制，产生线极化的方向因其螺旋直径比波长小得多，所以它是一个法向模螺旋天线，最大接收方向是在与螺旋轴垂直的平面内，且在此平面内的方向图是一个圆，如图5(a)所示，而在含螺旋轴平面内的方向图是一个∞字形，如图5(b)所示。由于电磁波沿螺旋传播的相速比直线偶极天线小，故其谐振长度可以缩短，与同样长度的单偶极子天线相比，其辐射阻抗大得多。本实施例的金属球式探头是由一根50Ω半刚性同轴电缆4和一个直径为3.2cm的金属球6组成，同轴线的中心导体7与3.2cm的球6相接，金属球6用作拾取电场分量的探测体，由于不存在闭合回路，所以能抑制磁分量，有效地拾取电场分量。图2中的阻抗匹配网络3用于将探头的输出阻抗匹配在50Ω，以便于与低噪声放大器或EMI测试接收机连接。

结合附图3，附图6可知，本发明的磁场探头上感应的电压包括由两部分形成：一部分是基于法拉第电磁感应定律而产生的。一个闭合导体环的输出电压与穿过这个环的总磁通量的时间变化率成正比，假如穿过环面的磁通密度是均匀的，并已知磁通密度的变化时间，那么我们就能够计算出环的输出电压。

$u=\frac{\∂}{\∂t}\∫\stackrel{\‾}{B}d\stackrel{\‾}{S}$

式中：B——磁通密度；

      S——环的面积。

环的输出电压还可以用下式计算：

                    u＝2πfμ₀  SnH＝2πfSnB

式中：n——环的匝数：

      μ₀——真空磁导率；

      H—磁场强度；

      f——被测信号频率。

如果穿过S面的磁通密度是均匀的，则

                    u＝ωs|B|＝μωs|H|

另一部分是由电场分量产生的。在高频时，屏蔽线的外导体相当于一个偶极天线，入射波的电场在外导体上产生电流，在缺口11处形成电压，此电压通过分布电容耦合到内导体上，形成电场耦合；通过一段传输线耦合到接收机输入端。如果环形空心圈10的外导体上的缺口11两边开的非常对称，则耦合到内导体上的电场会相互抵消，因此具有电气屏蔽作用的环形探头只接收磁分量，故测量的重复性可大大提高。而且，因为环的端电压与垂直于环平面入射波的磁通密度分量成正比，所以电小环可用作测量磁通密度。

本实施例的电磁场探头是一个频率范围很宽的接收探头，当探头接近辐射源时，辐射源的信号通过分布电容耦合到探头上，从而达到对辐射信号进行近场检测的目的。其探测频率范围取决于与之连接的低噪声放大器或EMI测试接收机，缠绕式探头的典型电场探头系数TF(1/dB)如图7所示，金属球式电场探头的典型探头系数TF(1/dB)如图8所示，直径1cm的环形空心圈磁场探头的典型探头系数TF(1/dB)如图9所示，直径6cm的环形空心圈磁场探头的典型探头系数TF(1/dB)如图10所示。

结合附图1、附图4可知，低噪声放大器C包括集成放大器SL560C，由二极管D1～D6组成的限幅电路，IC2及外围电子元件组成的电源供电与指示电路。图4所示的低噪声宽带放大器是具有很低的噪声系数和很宽的频率范围的专用放大器，当信号较弱时，将电磁场探头的输出先经过低噪声放大器放大，再送到EMI测试接收机。与电磁场探头适配的低噪声宽带放大器采用PLESSEY公司产品SL560C低噪声放大器为核心制成，SL560C系硅双极单片高频低噪声集成放大器电路，该电路采用四引线金属园形封装(T04)；具有频带宽、增益高、噪声低等特点，是一种通用型高频线性放大器，可作前置高频低噪声放大、射频放大等。电容C3用于将信号耦合到输出BNC头上，由于EMI接收机的输入电路模块灵敏度极高且十分昂贵，为保护EMI接收机的输入电路模块，设置二极管D1～D6起限幅作用，保证输出信号在接收机的输入允许范围内。放大器的工作电源由集成稳压块IC2、电容C4～C5提供，发光二极管LED和电阻R8用于指示工作电源。其具体性能指标如下：

频率范围：0.01MHz～1.2GHz；增益：≥15dB；增益平坦度：±1.5dB；噪声系数：≤1.8dB；输入/输出阻抗：50Ω。

图11是本发明用于车辆内部辐射发射测试布置示意图，图12是本发明用于辐射发射台式测试布置示意图。探头直接位于受试设备EUT或待测件EUT需要测试的部位，经低噪声放大器与接收机连接。结合附图11、附图12，电磁探测器与EMI接收机连接，而接收机通过串行接口与PC计算机连接。使用时，将电磁探头用同轴电缆直接连接到EMI接收机或通过低噪声放大器连接到EMI接收机上；当信号较弱时，将探头的输出先经过低噪声放大器放大，再送到EMI接收机。低噪声放大器可置于靠近EMI接收机端或靠近探头端，其操作步骤如下：

(1)将探头输出接到低噪声放大器的输入(IN)端；(2)接入放大器电源，闭合放大器电源开关，确认放大器电源指示灯亮，待放大器上电稳定后，将放大器的输出(OUT)端连接至EMI接收机的RF输入端；(3)测试完毕后，必须先断开EMI接收机前面板上“RF输入”输入线，再断开放大器电源。

电磁兼容性的诊断测试，(1)先用电磁探头在待测件EUT上移动，通过上位PC计算机观察EUT的辐射信号(此时，接收机通过软件设置为手动测量方式)，确定最强干扰源或感兴趣的信号存在的区域。(2)用EMI接收机配合电磁兼容测试软件自动测量干扰信号的最大幅度，测量并记录干扰信号的频率和幅度。(3)根据电磁兼容性标准允许的极限值，重新设计有问题的EUT电路，例如改变或增加滤波、屏蔽和接地线等措施，再按照前面步骤重新测量EUT电路，并与改造前的测量数据进行比较。(4)诊断测试时，使用峰值检波比用准峰值检波和平均值检波测量速度快，同时峰值检波方式下测得的信号总是大于或等于准峰值和平均值的测量值。

本发明应用于电磁兼容性诊断测试的几个实施例：

如图13所示的配置，本发明用于插接件或屏蔽体的泄漏测试。在EMI设计中，同轴电缆或其它电缆从屏蔽体向外引出时，必须通过滤波器，由于接地噪声和杂散电容的电场耦合，如果滤波器与屏蔽体接触不良，则此共模电流在屏蔽体外也产生辐射，使用本发明的电磁探测器可检查、诊断其泄漏。

如图14所示的配置，本发明用于寻找屏蔽体和电气垫衬中缝隙的泄漏。对于一个存在电磁兼容问题的EUT受试设备，使用本发明的电磁探测器沿着屏蔽体缝隙移动可找出泄漏最大的位置，而且可根据电磁波的频谱，采取相应的电磁兼容性措施，如：(1)根除干扰源，(2)切断干扰的传播途径。而且可根据EUT屏蔽体缝隙的大小，可分别选用不同的电磁探头进行诊断测试，缠绕式电场探头或直径1cm环形空心圈磁场探头用于缝隙较小的EUT屏蔽体测试，金属球式电场探头或直径6cm环形空心圈磁场探头用于缝隙较大的EUT屏蔽体测试。通常在印制电路板(PCB)上，信号在环形印制线中流动是PCB板上主要的辐射源，此时辐射主要是环附近的电磁场。使用本发明的电磁探测器可寻找电路板的电磁干扰源，测试时，可按附图11所示的车辆内部辐射发射测试布置示意图的配置或附图12所示的辐射发射台式测试布置示意图的配置进行测试，找到辐射根源所在，重新设计有问题的电路，例如改变或增加滤波、屏蔽和接地线等措施。

如图15所示，本发明用于寻找电路板的电磁干扰源的工作情况。印制电路板的布线大部分是磁场源，可使用与检测装置配套的电磁场探头来寻找辐射大的元器件。对于存在电磁兼容问题的受试设备EUT，采用如图15所示的配置来寻找电路板的电磁干扰源，首先用直径6cm环形空心圈磁场探头确定干扰源的大概位置，再用直径1cm环形空心圈磁场探头进一步缩小干扰源的范围，直到最终找到存在干扰的某一元件。

图16是本发明用作局部敏感度测试的工作情况。作为局部敏感度测试时，把等幅或调幅信号源馈入探头，激励探头使其产生一个电磁场，把产生电磁场的探头置于需要测量敏感度的位置，观测被测件的参数变化来确定敏感部位和敏感程度。

值得指出的是：根据本发明的构思，还可以作出若干类似方案的改进与变换，如本体与导体的连接结构方案的变换，以及本发明还可通过EMI测试接收机与计算机连接进行诊断分析的技术方案，当属本发明的实质和范围。

Claims (10)

1、一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，该探测器包括探测体、适配器、低噪声放大器，其特征在于所述探测体(A)设有电场探头和磁场探头，它们分别经适配器(B)与低噪声放大器(C)电连接。

2、根据权利要求1所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述电场探头包含有本体、导体，在所述本体(1)上缠绕所述导体(2)或所述本体(7)上直接固定所述导体(6)。

3、根据权利要求2所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述本体(1)为一绝缘棒(1)，缠绕在该绝缘棒(1)上的所述导体(2)为一50Ω同轴电缆。

4、根据权利要求2所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述导体(2)是呈双螺旋线缠绕在所述绝缘棒(1)上，且双螺旋线缠绕为逆时钟、变螺距的双线缠绕。

5、根据权利要求2所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述本体(7)为一50Ω同轴电缆的中心导体(7)，直接固定在该中心导体(7)的所述导体(6)为一金属球(6)，且所述金属球(6)的直径为3.2cm。

6、根据权利要求1所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述磁场探头包含本体、导体，其导体(10)从中段处弯成环形空心圈(10)后顺延成所述本体(12)，在该本体(12)与所述环形空心圈(10)拐弯处的外导体(10)上开一缺口(11)。

7、根据权利要求6所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述导体(10)为一50Ω半刚性同轴电缆，所述缺口(11)为对称性缺口。

8、根据权利要求6所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述环形空心圈(10)的最佳直径为1～6cm，且于直径1cm的环形空心圈(10)中置一铁氧体磁芯。

9、根据权利要求1所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述适配器(B)包括阻抗匹配网络(3)、同轴电缆(4)和BNC接头(5)。

10、根据权利要求1所述的一种车辆内部电磁兼容性诊断测试的电磁探测器，其特征在于所述低噪声放大器(C)包括集成放大器SL560C，由二极管D1～D6组成的限幅电路，IC2及外围电子元件组成的电源供电与指示电路。

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