电磁兼容测试设备及场地.ppt

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1、第9讲 电磁兼容测试设备及场地,清华大学电机工程与应用电子技术系 工程硕士班 2008.04,电磁兼容研究体系,1 EMC测试的重要性,设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 工业发达国家自1996年1月1日起规定所有电子设备都要经过电磁兼容性认证，否则禁止销售 89/336 /EEC EMC 指令(及后续修订版92/31/EEC，93/ 68/EEC) 我国电磁兼容性认证管理办法于1999年10月颁布，从2003年8月起对电子设备实行电磁兼容性强制性认证,1 EMC测试的重要性,电磁兼容测试已成为电子设备研发和生产过程中一个不可或缺的重要环节 电

2、磁兼容测试应贯穿整个设备研发过程中 验证设备是否符合相关电磁兼容标准和规范 为了验证电子、电机设备电磁兼容设计是否良好，就必须在研发整个过程中，对各种电磁干扰源的发射信号、传输特性及受干扰设备能否能承受耐受性测试 找出设备设计及生产过程中，在电磁兼容方面的盲点 EMC的专业涉及到每个行业，目前国内已制定的EMC标准已超过80个,1 EMC测试的重要性,“在判定最后结果方面，也许没有任何其他学科像电磁兼容那样更依赖于测量” 肯塔基大学 Dr. C. R. Paul,2.产品认证,产品认证: 产品通过测试并正式进入市场所要遵循的程序。具体认证程序要参照目标市场的规定 欧共体EMC认证模式 模式A：

3、产品有明确的标准可依 模式A的认证程序 厂商自行根据标准对其产品进行测试 然后发表“合格声明”(DOC)，并加贴“CE”标记 DOC和有关技术档案必须保存10年，以备权威机构随时审核 模式A称为自我声明模式,2.产品认证,欧共体EMC认证模式 模式Aa：产品没有合适标准可依(如，标准规定的步骤无法执行或由于产品本身的限制，只能用替代法进行测试) 模式Aa的认证程序 首先制造商准备“技术结构文件”(TCF)，内容包括：对产品的详细叙述、关于测试步骤和产品满足EMC要求的说明、由能力机构(Competent Body)出具的技术报告或证书(目前只有欧共体成员国指定的欧洲测试机构才有资格成为能力机构

4、) 然后发表DOC声明和加贴CE标志，自行测试，他人证明模式,2.产品认证,欧共体EMC认证模式 模式B+C：适用于无线通信的发射设备和传输设备 产品须由有资格的试验室测试 然后由通告机构(Notified Body，由政府指定)出具试验证明 最后发表“合格声明”(DOC)，并加贴“CE”标记，强制认证模式 产品的EMC认证具有巨大的市场,国际上主要组织及标准,CISPR: 国际无线电干扰特别委员会,3. 电磁兼容测试设备及场地,EMC测试设备 示波器，干扰接收机，频谱仪，网络分析仪，电能质量分析仪 EMC辅助测试设备 天线，信号发生器，功率放大器、衰减器，测试软件 EMC测试场地 开阔测试场

5、（OATS），屏蔽室（Shielding Chamber） 半电波暗室（Anechoic Chamber），TEM室 (TEM Chamber) GTEM室 (GTEM Chamber)，混响室（Reverberation Chamber),3.1 EMC测试设备,EMI测试设备 发射源 EUT，传导测试用的纯净EUT供电电源 耦合路径空间辐射或者通过电缆传导 受害体 骚扰接收机，接收天线 EMS测试设备 发射源 各种信号发生器；发射天线，功率放大器等 耦合路径空间辐射或者通过耦合去耦合网络(CDN)加载 到电缆上传导 受害体 EUT,3.1.1 信号的频谱分析技术,FFT分析仪（实时频谱仪）

6、 用数值计算的方法处理一定时间周期的信号，可提供频率、幅度和相位信息 能分析周期和非周期信号 特点：速度快、精度高，但其分析频率带宽受采样速率限制，适合分析窄带信号 扫频式频谱分析仪 利用硬件扫频的方式工作，可分析稳定和周期变化的信号，可提供信号幅度和频率信息，适合于宽频带快速扫描测试,3.1 扫频式频谱仪组成结构,频谱分析仪组成-输入衰减器,输入衰减器是信号在频谱仪中的第一级处理 （1）保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性 （2）保护混频及其他中频处理电路，防止部件损坏和产生过大非线性失真导致的测量不准确,频谱分析仪组成-混频器,混频器完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应频率

7、在混频过程中会存在镜相干扰问题,频谱分析仪组成-中频滤波器,分辨不同频率信号，频谱仪许多关键指标（测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等）都和中频滤波器的带宽和形状有关 频谱仪上显示的频谱形状就是中频滤波器的形状，一般是高斯型滤波器,频谱分析仪组成-检波器,检波器将输入信号功率转换为输出视频电压，该电压值对应输入信号功率 针对不同特性输入信号（正弦信号、噪声信号、随机调制信号等），需要采用不同检波方式才能准确测出该信号功率 Agilent公司的ESA系列频谱仪采用数字技术，支持所有检波方式以确保准确测量各种被测信号的功率参数,频谱分析仪组成-视频滤波器,视频滤波器对检波器输出视频信号进行

8、低通滤波处理，减少视频带宽 可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑，从而减小显示噪声的抖动范围 有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率连续波信号，还可提高测量的可重复性,3.1.2 EMI接收机基本原理,以点频法为基础，应用本振调谐原理测试相应频点的电平值 接收机的扫描模式以步进点频调谐方式得到 接收机可分为模拟式和数字式两大类 外差式分析是当前使用最为广泛的接收和分析方法，这种接收机的结构与扫频式频谱仪类似,EMI接收机的要求,测量的对象是微弱的连续波信号，或者是幅值很强的脉冲信号 要求测量接收机噪声极小，灵敏度很高，检波器的动态范围大，前级电路过载能力强 在整个测量频段内测量精度能满足正负2dB要求

9、,EMI receiver (9k to 2.75 GHz),接收机与频谱仪的差异前端预选器,在输入端对信号进行的处理是不同的 频谱仪的信号输入端通常有一组较为简单的低通滤波器 接收机要采用对宽带信号有较强的抗扰能力的预选器。通常包括一组固定带通滤波器和一组跟踪滤波器，完成对信号的预选 接收机需要更高的精度，这要求在接收机的前端比普通频谱仪多出一个预选器，提高选择性 接收机的选择性在GB/T6113(CISPR16)有明确规定,接收机与频谱仪的差异本振信号扫描,EMC测试要求能手动调谐搜索频率点，也需要快速直观观察EUT的频率电平特性 本振信号既能测试规定的频率点，也能在一定频率范围扫描 频谱

10、仪通过扫频信号源实现扫频测量。在预设的频率跨度内扫描，获得期望的混频输出信号 接收机的频率扫描是步进的，离散的，是离散的点频测试，按照操作者预先设定的频率间隔，通过处理器的控制，在每一个频率点进行电平测量，显示的测试结果曲线实际是单个点频测试的结果,接收机与频谱仪的差异中频滤波器,频谱仪分辨率带宽是幅频特性的3dB带宽，而接收机的中频带宽是幅频特性的6dB带宽 频谱仪与接收机设定相同级别带宽时，它们对信号的实际测试值是不同的 无论是民用还是军用EMC标准，带宽均应为6dB,频谱仪RBW滤波器,接收机IFBW滤波器,接收机与频谱仪测试结果的差异,频谱仪与接收机设定相同级别带宽时，它们对信号的实际

11、测试值是不同的,接收机与频谱仪的差异检波器、精度,检波器 接收机要求带有峰值、准峰值和平均值检波器 通用频谱分析仪一般带有峰值和平均值检波器，没有准峰值检波器 准峰值检波：充放电时间常数介于平均值和峰值检波之间，检波器 的输出既与干扰的幅度有关，又与干扰的重复频率有关 精度：接收机要比频谱仪有更高的精度，更低的乱真响应,接收机与频谱仪在EMC测试应用的差异,频谱仪和接收机的关系，可以用一个简单公式表示 预选器 dB中频滤波器 通用频谱仪 点频测试功能 三种检波器 接收机 高精度信号处理 公式左边各项并非简单罗列，每项都有特殊要求，同时根据设计原理，在使用中必须依据仪器生产商的说明进行操作，才能

12、达到相应要求 预选器 接收机频段的选择必须依据生产商的说明，如果扫描跨度设置不合适，预选器中的固定滤波器和跟随滤波器就无法正常工作,3.1.3 网络分析仪原理图,内置的扫频信号发生器；用于分离前向和后向测试信号的测试部分；一个多波段相位相干高灵敏度的接收器；信号处理和显示等部分组成 信号通过设备后送回网络分析仪 网络分析仪对输出和输入信号进行比较可得出待测设备的传输指标，如增益、插入损失、分配损失等 对输出和反射信号进行比较可得出待测设备反射指标，如反射损耗等,网络分析仪与频谱仪的区别,网络分析仪：利用已知信号测量通讯系统、元器件等的网络参数，包括散射参数，电压驻波比等。而频谱仪用来测量未知信

13、号 网络分析仪：采用同步频率信号源提供一个已知的功率电平，然后在一定的频段内扫描。矢量网络分析仪不仅可以测量幅值，而且可以测量相位，群延迟等 频谱仪：主要用来测量电磁波信号的对应频率上的电平，无法测量相位信息。带跟踪源的频谱仪虽然能够通过间接的方法测量电压驻波比等参数，但是无法测量相位信息,3.2 电磁兼容辅助测试设备,EMC辅助测试设备 天线 信号发生器 功率放大器 隔离装置,3.2.1 天线,距离大于六分之一波长时，辐射的磁场和电场反比于距离 以磁偶极子为例，IA为磁偶极矩 以电偶极子为例，ID为电偶极矩 天线的定义： 一种富有导行波与自由空间波互相转换区域的结构。天线将电子转变为携带电磁

14、能量的光子，或反之 把高频电磁能量通过各种形状的金属导体向空间辐射出去的装置 天线的逆向功能亦可把空间的电磁能量转化为高频能量收集起来,天线,天线参数,输入阻抗ZA：天线在馈电点的电压与电流比值 天线系数 AF：接收点的场强与此场强在该天线输出端生成的电压 之比 天线方向性系数DA：在辐射功率相等的条件下，天线在某一方向的辐射功率密度较（理想天线的）均匀辐射时的功率密度Sn增加的倍数。该系数表示天线集中辐射能量的程度 天线方向图：用极坐标形式表示不同角度下天线方向性的相对值。其最大方向的轴线又称为前视轴。天线最大辐射方向与半功率点（-3dB）之间的夹角又称天线波瓣的夹角 天线增益G：指在观察点

15、获得相同辐射功率密度时，方向性天线的输入功率小于均匀辐射天线的输入功率的倍数 电压驻波比VSWR：表征失配程度的系数,天线波瓣图,天线方向图,天线系数,9kHz30MHz天线,磁场天线,电场天线,鞭状天线长l m,9150kHz 天线,150kHz30 MHz,带屏蔽的环状天线,30300MHz天线,电场天线 ：基准天线应是平衡偶极子天线。 频率等于或高于80MHz，天线长度应为谐振长度 频率低于80MHz时，天线长度等于80MHz时的谐振长度,30 300 MHz宽带天线（双锥天线）,3001000MHz频段天线,对数周期天线,双锥对数周期复合天线,螺旋天线 （100MHz10GHz）,双脊

16、喇叭天线（200MHz40GHz ）,3.2.2 人工电源网络,又称线路阻抗稳定网络 在射频范围内，在受试设备端子与参考地之间，或端子之间提供一稳定阻抗 将来自电源的无用信号与测量电路隔离开来，而仅将受试设备的干扰电压耦合到测量接收机输入端,3.2.3 电流探头与电压探头,当被测导体不允许断开的情况下，可利用电流探头（钳）进行非对称干扰电流的测量 电压探头由一个隔直流电容器C和一个电阻R组成,3.2.4 功率吸收钳,载扰设备的尺寸接近测量频率的1/4波长时，可能出现干扰辐射 带有电源线的设备的干扰能力可以用起辐射天线作用的电源线所提供的能量来衡量 该功率近似等于吸收装置环绕引线放置时能吸收的最

17、大功率 吸收装置被称为吸收钳（或功率钳）,功率吸收钳,3.2.5 耦合去耦网络（CDN）,去耦合网络由各种电感组成，以便在测量频段内产生高阻抗隔离 耦合去耦装置可组合成一体，称作耦合去耦网络 类型： 屏蔽电缆耦合去耦网络 非屏蔽电源线耦合去耦网络 非屏蔽不平衡的耦合去耦网络 非屏蔽平衡线对的耦合去耦网络 传导骚扰测试,3.2.6 信号源及功率放大器,Power Amplifier (150kHz - 2.5GHz 30 WATT CW, 1-1000MHz),场强监视器和放大器,4. 电磁兼容测试场地,EMC测试场地 开阔测试场（OATS） 屏蔽室（Shielding Chamber） 半电波

18、暗室（Anechoic Chamber） TEM室 (TEM Chamber) GTEM室 (GTEM Chamber) 混响室（Reverberation Chamber),4.1 开阔测试场,301000 MHz 高频电磁场的发射与接收是以空间直射波和地面反射波在接收点相互迭加的理论为基础,开阔测试场,位于室外的一块开阔的测试场,中国计量研究院屋顶开阔测试场,花纹钢板,试验场应设有转台及天线升降杆，便于全方位辐射发射及天线升降测试 单独的接地系统和避雷系统 通常采用单点接地 避雷系统与地线系统应是隔开的,开阔测试场,开阔试验场的构造特征,椭圆形开阔试验场尺寸的大小与所要满足的试验有关 电子

19、设备辐射干扰的测试均在3m法、10m法和30m法情况下进行 被测设备和场强测量天线顶端间距离达3m，10m，30m 满足30m法试验，则场地应为 60m 52m 满足10m法试验，则场地只须 20m18m,开阔试验场的归一化场地衰减,归一化场地衰减（Normalized Site Attenuation 缩写 NSA） 衡量开阔试验场能否作为合格场地进行EMC测试的关键指标 FR接收天线系数；FT发射天线系数；L场地衰减； PT发射天线端口输入功率；PR接收天线端口输出功率,对水平极化波,垂直极化时,开阔试验场的归一化场地衰减,测量水平极化场地衰减的测量设备布置图 所有频率点的NSA实测值与理

20、论值的偏差皆小于4dB，符合场地可接受准则,测试水平极化场地衰减,A = VT VR AFT AFR AF (dB),4.2 屏蔽室,屏蔽室是完全由金属包围起来的一个独立的电磁空间，既能够防止外界电磁场干扰内部设备，也能够防止内部设备发射的有害电磁波干扰屏蔽室外部的设备 场源或泄漏源是在屏蔽室内: 有源屏蔽或主动屏蔽 场源或泄漏源在屏蔽室外: 无源屏蔽或被动屏蔽 屏蔽室有两种，一种是焊接式，一种是拼装式。焊接式对焊缝的要求很高，而拼装式要求在拼装的接缝处要保证良好的电气连接 钢板或镀锌钢板式、铜网式、铜箔式 单层，双层，多层,4.2 屏蔽室的焊接结构及门结构,屏蔽室的刀型弹性接触门结构,4.2

21、 屏蔽室的不同拼装结构,为保证接缝处屏蔽件能良好，应在接缝处放入导电衬垫，并通过螺栓夹紧,完整的屏蔽室,固有谐振频率,l 、w、h 屏蔽室的长、宽、高，m；m、n、k分别为0,1,2,等正整数，但不能同时取三个或两个为0,通过理论计算和实际测量来获得屏蔽室的主要谐振频率点 在电磁兼容试验中，避开这些谐振频率,屏蔽室屏蔽效能的测量,GB/T 121901990高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法规定了高性能屏蔽室屏蔽效能的测试和计算方法 100 Hz20 MHz，用大、小环天线测量磁场屏蔽效能 3001000 MHz，用偶极子天线测量屏蔽室的电场屏蔽效能 1.712.4 GHz，用喇叭天线及其等效天线

22、测量屏蔽室电磁屏蔽效能 在20300 MHz 频率范围内，由于天线尺寸和屏蔽室的谐振效应，常会出现异常的测量结果；未规定具体的测量方法，如需测量，可用小环天线法或偶极子天线法,屏蔽室内部多点测量结果平均值 与无屏蔽测量结果对比,4.3 半电波暗室,电波暗室主要由微波屏蔽壳、铁氧体吸波体、天线塔、转台、波导通风口、滤波器和控制器以及电视监视系统等组成 电波暗室可以在10kHz18GHz的频段上隔离外部电磁波，并且吸收内部待测体对外的辐射，从而产生一个纯净的电磁环境来进行电磁兼容研究和产品性能分析 电波暗室分为：电磁屏蔽半电波暗室与微波电波暗室（全电波暗室）,半电波暗室与微波电波暗室的区别,半电波

23、暗室 五面贴吸波材料，模拟开阔试验场地，即电波传播时只有直射波和地面反射波 半电波暗室用于电磁兼容测量，主要性能指标用归一化场地衰减NSA和测试面场均匀性来衡量 微波电波暗室 微波电波暗室六面贴吸波材料，模拟自由空间传播环境 微波电波暗室主要用于微波天线系统的指标测量，暗室性能用静区尺寸大小、反射电平（静度）、固有雷达截面、交叉极化度等参数表示,半电波暗室,电波暗室分为3m法，5m法，10m法 对于大型设备一般采用10m法暗室进行测量,3m法测试: 接收天线高度要求在14m范围；如采用 垂直极化天线，还应在4m上加天线上半部尺寸和天线端与暗室顶部吸波材料尖端间的距离0.25m。3m法测试空间高

24、度约7m,电波暗室的性能测试,屏蔽体的屏蔽效能测试 屏蔽体建造完成后没有贴吸波材料前测试 归一化场地衰减NSA 整个暗室建设完成之后测试，NSA的值与标准开阔场测试的理论值的差在正负4dB之间 场均匀性测试 在转台位置附近，EUT的靠近天线的那个边沿，测试一个1.51.5m2的垂直平面上均匀分布的16个点，保证其中75%的点电场均匀即可,吸波材料的选择,单层铁氧体片：30 1000MHz 角锥形含碳海绵复合吸波材料 由聚氨脂类泡沫塑料在碳胶溶液中渗透而成 角锥长度应大于或等于最低吸收频率的四分之一波长。30MHz时，长达2.5m 角锥状吸波材料粘贴在双层铁氧体砖上构成复合吸波材料 铁氧体片的应

25、用，补偿吸波材料低频段的性能，使角锥形吸波材料长度可缩短至1m以内，最小0.41m 泡沫尖劈型吸波材料的反射率与尖劈长度和使用频率有关，尖劈愈长，频率愈高，反射率愈小,铁氧体吸波体,高频吸波体,30 MHz - 18 GHz,不同形式的电波暗室（北电公司）,HP公司的电波暗室,天线架控制器,各种形式的屏蔽门,屏蔽门的设计直接关系到暗室性能的优劣,暗室内部转台,不同形式的射频滤波器,测试电缆、电源线进入屏蔽室之前加装滤波器 通风口等所有开口都要设计成截至波导的形式,不同形式的电波暗室,不同形式的电波暗室,不同形式的电波暗室（cont.）,不同形式的电波暗室（cont.）,微波暗室,4.4 TEM

26、室（横电磁波室）,上世纪70年代中期问世，一种电磁兼容新技术设备 结构封闭，不向外辐射电磁能量，不干扰别的仪器工作； 当室内进行场强仪校准、通讯机测试及EMC 试验时，亦不受外界环境电平及干扰的影响； 工作频带较宽，可从DC1000MHz，甚至更高； 场强范围大，强场(300V/m)、弱场(1.0 V/m)均可测试，且场值便于控制； 用途广泛 建立高频标准电磁场，校准高频近区场强仪和天线，测试电子设备的辐射敏感度，测试天线寻呼机的灵敏度、交调和互调，电磁波的生物效应试验和电磁辐射发射试验等,4.4 TEM室（横电磁波室）,原理：基本上是扩展的50 ohms 传输线 作为一种矩形同轴线，其截面一

27、般为矩形和方形，表面为导电性能良好的金属板构成的封闭体，能起到很好的屏蔽作用，可以产生几百V/m的场强 场强E可以由公式： E = U/d (V/m) U: 输入电压 d: 芯板与底板的距离,d,U,TEM室测试系统,TEM室照片,4.5 ATEM小室,非对称TEM小室 Asymmetric TEM cell,对称式TEM 小室存在固有缺陷： 箱体尺寸越大，谐振频率越低，TEM 小室中可用空间大小与最高试验频率之间存在制约矛盾。 由于承重的原因，下半空间用得多、上半空间用得少 ATEM小室的改进： 加大下半空间的有效试验区 加大上半空间的场强，改善场的均匀性 局部加贴吸波材料，改善驻波性能，扩

28、展其最高使用频率,4.6 GTEM室(Gigahertz TEM),EU/d (d 可以不同）,U,E1,E2,芯板,吸波材料,匹配电阻,由变形的矩形同轴线构成 为避免内部电磁波的反射及产生谐振，将其设计成尖劈形 输入端采用N型同轴接头，渐变至非对称矩形传输线，以减少因结构突变引起的电波反射 终端采用电阻式匹配网络与吸波材料共同组成复合负载,GTEM室测试系统,工作频率范围很宽，可从几kHz到几GHz 试验空间较大，与使用频率没有矛盾,GTEM室照片,GTEM室照片,4.7 混响室,统计均匀区,微波混响室是一个装备了金属搅拌器的，由高导电墙壁构成的大型腔体 搅拌器改变了腔内的电磁场分布，因此给EMI测量和测试提供了一个统计上各向同性和均匀的测试场环境 高度导电性材料使得用适中的输入功率就可以产生很高的场强； 不使用吸波材料，建造成本降低； 微波混响室给腔体内工作的电子设备提供了最佳的测试手段，例如工作于飞机，房间或机柜里的设备,混响室,谢谢各位！,