CN2852138Y - 用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头 - Google Patents

Abstract

一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，包括一导体从中段处弯成环形空心圈后顺延成本体，在该本体与空心圈拐弯处的外导体上开一缺口，一适配器与该本体电连接。采用于环形空心圈处的外导体上开一缺口的技术方案，较好解决了现有电磁兼容性检测装置不适于近场诊断测试的难题；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，屏蔽效果好，探测灵敏度高，空间分辨能力强，可进行近场诊断测试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。

Description

用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头

技术领域

本实用新型涉及一种电磁兼容性检测装置，特别涉及一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头。

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的广泛使用，使其应用的电磁环境越来越复杂，因而对各种电气及电子设备的电磁兼容性要求越来越高，这些电气及电子设备的电磁兼容性已成为产品交付时不可欠缺的重要技术指标之一，假若不在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，将会严重影响其应用电气及电子设备的这些设备及系统的正常运行，乃至影响整个产品的交付使用，故对其电磁兼容性的设计要求越来越高。

在产品开发初期，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。大部分的电磁兼容性问题虽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预测试在整个产品的研制生产中仍是重要的测试手段，可及时检验产品的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。因此，开发一种适用于各种电气及电子设备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及探头已很有必要。

发明内容

针对上述情况，本实用新型的目的是提供一种利用电磁波的传播方向就能区分电子线路上是否存在超过规定电磁兼容性标准的辐射问题既结构简单又便于携带的还可与电磁兼容性检测装置配套使用的磁场探头。

为了实现上述目的，一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，该探头包含本体、导体，其中导体从中段处弯成环形空心圈后顺延成所述本体，在该本体与环形空心圈拐弯处的外导体上开一缺口，一适配器与该本体电连接。

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：

所述导体为一50Ω半刚性同轴电缆。

所述的适配器包括阻抗匹配网络、同轴电缆和BNC接头。

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

所述缺口为对称性缺口。

本实用新型采用于环形空心圈处的外导体上开一缺口的技术方案，较好解决了现有电磁兼容性检测装置不适于近场诊断测试的难题；使本实用新型具有寻找、孤立和较强排除电磁干扰的功能且结构简单，方便携带，屏蔽效果好，探测灵敏度高，空间分辨能力强，可进行近场诊断测试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实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1(a)(b)是本实用新型的结构原理及外形示意图。

图2是本实用新型的工作原理图。

图3是本实用新型的直径为1cm的环形空心圈探头系数谱图。

图4是本实用新型的直径为6cm的环形空心圈探头系数谱图。

图5是本实用新型用于检测装置中的低噪声放大器原理图。

图6是本实用新型用于寻找电路板的电磁干扰源的示意图。

图7是本实用新型用于寻找屏蔽体和电气垫衬中缝隙的泄漏示意图。

图8是本实用新型用于局部敏感度测试示意图。

图9是本实用新型用于辐射发射屏蔽室内测试布置示意图。

图10是本实用新型用于辐射发射台式测试布置示意图。

具体实施方式

结合附图，图1(a)为本实施例的结构原理示意图，图1(b)为本实施例的外观示意图。一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，该探头包含本体、导体，其中导体1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1后顺延成所述本体2，在该本体2与环形空心圈1拐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空心圈探头只接收磁分量，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1的大小可根据使用需要确定其直径，环形空心圈1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1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2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。

本实用新型的工作原理：

结合附图1，附图2可知，本实用新型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＝2πfμ₀SnH＝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1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空心圈探头只接收磁分量，故测量的重复性可大大提高。而且，因为环形空心圈的端电压与垂直于环形空心圈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。本实施例的磁场探头是一个频率范围很宽的接收探头，直径1cm环形空心圈探头的典型探头系数TF(1/dB)如图3所示，直径6cm环形空心圈探头的典型探头系数TF(1/dB)如图4所示。

如图5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，将环形空心圈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。与环形空心圈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)；它的特点是频带宽、增益高、噪声低，是一种通用型高频线性放大器，在本实用新型中起到前置高频低噪声放大、射频放大等作用。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。

本实用新型应用于电磁干扰诊断测试的几个实施例：

如图6所示，本实用新型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6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7所示是用探头寻找屏蔽体和电气垫衬中缝隙的泄漏。通常在印制电路板(PCB)上，信号在环形空心圈印制线中流动是PCB板上主要的辐射源；此时辐射主要是环形空心圈附近的磁场，同时也伴随有电场离开环形空心圈向外辐射。用探头可检查其泄漏，测试时，可按如图7所示的辐射发射台式测试布置示意图的配置进行测试，根据EUT屏蔽体缝隙的大小，可分别选用不同的磁场探头进行诊断测试；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。对于一个存在电磁兼容问题的受试设备EUT，将探头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。

图8是本实用新型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。

图9是本实用新型用于辐射发射屏蔽室内测试布置示意图，图10是本实用新型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需要测试的部位，经低噪声放大器与接收机连接。结合附图9、附图10，磁场探头与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，将磁场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。

当进行电磁兼容性的诊断探查时，(1)先用磁场探头在待测件(EUT)或受试设备(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，还可以用1cm的小磁场探头进一步缩小干扰源的位置。(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。

电磁兼容性诊断测试可用于电子电气设备研制的任何阶段，只是在设计阶段初期用诊断测试可尽早发现潜在电磁干扰问题，以免在组成系统后出现更复杂的问题。在设计阶段初期出现的问题是出在一个元器件、一条线、一块印制电路板或一台装置上，预先估计干扰的可能来源和干扰传播途径是正确设计电子线路必须要考虑的，使用本实用新型的电磁场探头可以很方便的找到辐射源的具体位置，从而尽早解决电磁兼容问题。诊断测试结果的变化与标准电磁兼容性测试结果的变化之间存在着一一对应的关系，若诊断测试结果变化10dB，则标准电磁兼容性测试结果也变化约10dB；这对改进经电磁兼容实验室测试不合格的产品非常有用。在对产品改进后，可以先用本实用新型的电磁场探头进行相对定量测量；例如，若产品的辐射发射测量结果超出极限值10dB，那么电路重新设计后，近场测量至少要比原先减少10dB才能通过。

值得指出的是：根据本实用新型的构思，还可以作出若干类似方案的改进与变换，如本体与环形空心圈的连接结构及缺口等结构方案的变换，当属本实用新型的实质和范围。

Claims (5)

1、一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，该探头包含本体、导体，其特征在于所述导体(1)从中段处弯成环形空心圈(1)后顺延成所述本体(2)，在该本体(2)与环形空心圈(1)拐弯处的外导体(1)上开一缺口(11)，一适配器与该本体(2)电连接。

2、根据权利要求1所述的一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，其特征在于所述导体(1)为一50Ω半刚性同轴电缆。

3、根据权利要求1所述的一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，其特征在于所述的适配器包括阻抗匹配网络(3)、同轴电缆(4)和BNC接头(5)。

4、根据权利要求1所述的一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，其特征在于所述环形空心圈(1)的最佳直径为1～6cm，且在直径为1cm的环形空心圈(1)中置一铁氧体磁芯。

5、根据权利要求1所述的一种用于电磁兼容性诊断测试的磁场探头，其特征在于所述缺口(11)为对称性缺口。

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