爲什麼(me)說産品質量的保證離不開(kāi)EMC的預測試技術？

1 引言

電磁兼容性（E1eCTRomagneTIC CompaTIbility， EMC）是指電子、電氣設備共處一個環境中能(néng)互不幹擾、兼容工作的能(néng)力。對(duì)于一個設備，既要求它不産生過(guò)大的幹擾使其它設備工作失常，也要求它具有 的抗幹擾能(néng)力，以保證在其它設備發(fā)出的幹擾環境下能(néng)正常工作。

爲了獲得一個産品（設備、系統）優良的EMC，其中之一是預測産品可能(néng)存在的EMC問題。它包括了以下二個方面(miàn)：⑴電磁幹擾（ElectromagneTIc Interference， EMI）特性、幹擾耦合路徑特性、受試設備的電磁敏感度（ElectromagneTIc Susceptibility， EMS）特性的物理模拟預測與數學(xué)模拟預測；⑵研究科學(xué)可行的EMC測試與試驗技術，即包括測試方法與測試設備。值此，本文將(jiāng)對(duì)EMC預測試技術特征與新型測試設備及其測試應用實例作分析說明。

2 EMC預測試必不可少

一個産品EMC的評價zui終歸結爲是否符合相應的EMC标準，實施這(zhè)種(zhǒng)評價稱爲EMC鑒定測試（CompliaHce Measurement）。它是在一個産品投放市場前的zui後(hòu)階段完成(chéng)的。其實，按照一個産品研發(fā)、生産全過(guò)程中所需要的EMC測試量而言。鑒定測試隻占了不到10%，90%的測試工作量是在此前完成(chéng)的，包括準電路的闆卡、原理樣(yàng)機、初樣(yàng)到正樣(yàng)研制的過(guò)程中，通過(guò)不斷的EMC測試逐步實現産品良好(hǎo)的電磁兼容性。將(jiāng)這(zhè)90%的測試工作總稱爲EMC預測試。預測試可以比鑒定測試度低些、粗略一些，以便迅速找出問題并不使測試設施費用過(guò)高。

預測試儀表在保證必需的精度的同時，縮短測量時間是一個不可忽視的因素。如采用頻譜分析儀既可以保證與EMI接收機有相似的精度，又可顯著提高測量速度，而且價格不足EMI接收機的一半。因此，預測試常采用頻譜分析儀代替EMI接收機，如圖2（b）所示。也就(jiù)是說，預測試系統可以使單位具有全程的EMC檢測手段，可以提高産品的EMC特性。

3 如何建立EMC預測試系統

所謂預測試系統，實際上也是嚴格按照國(guó)家各種(zhǒng)EMC标準進(jìn)行的，包括設備、方法等等。但是，預測試系統具有區别于鑒定測試的特點主要如下：其一是對(duì)環境要求較低，EMC标準對(duì)于環境的要求比較嚴格，一般必須在屏蔽室或暗室中進(jìn)行，但預測試的主要目的在于初步摸底，隻要找到問題所在即可，所以對(duì)環境要求可以低一些，屏蔽室和暗室的尺寸、指标可以低于認證測試；其二是核心測量儀器利用高性能(néng)頻譜分析儀，高性能(néng)的頻譜分析儀完全具備了EMC檢測的能(néng)力，可以取代傳統的EMI接收機，目前有一個共識，頻譜分析儀是建立預測試系統的zui佳選擇；其三是專用的中文軟件；其四是EMC預測試系統的靈魂是測試軟件與測試附件（傳感器/天線、LISN、衰減器等）。

3.1 EMI預測試系統的基本組成(chéng)。

EMI測試系統的總體結構如圖1所示。

圖1 EMI測試系統的總體結構示意圖

系統主要按照GJBl51A的CEl01、CEi02、REi01和REl02對(duì)電子、電氣或機電産品的EMI性能(néng)進(jìn)行測試，檢查受試設備的相關EMI性能(néng)是否合格。如果不合格必須指出頻率點及其對(duì)應的幅度值，以備産品設計人員有針對(duì)性地提出解決辦法，將(jiāng)問題較早地消除，爲産品進(jìn)入市場前能(néng)通過(guò)EMI标準測試奠定堅實的基礎。

系統所采取的測試方法按照前述GJBl52A中有關部分所規定的程序進(jìn)行，包括标準的檢查配置、正式測試配置、校準步驟、測試步驟和測試完畢所應提交的數據。

基本的系統測量指标：頻率範圍3Hz-26.5GHz；距離容差±5%；頻率容差±2%；，測量接收機幅度容差±2dB；測量系統（包括測量接收機、傳感器、電纜等）容差±3dB；時間（波形）容差±5%。

3.2 系統主要分爲硬件和軟件兩(liǎng)部分

⑴ 硬件部分

包括三個分系統：前端子系統（主要包括傳感器，如電流探頭、環形天線、杆天線、雙錐天線、雙脊喇叭天線；電源阻抗穩定網絡；衰減器等）、接收機子系統（主要包括頻譜儀、射頻預選器和EMI分辨帶寬選件等）和主控計算機子系統（主要包括IBM兼容機、PC-GPIB卡、GPIB線纜）。

① 接收機子系統功能(néng)與指标

接收機子系統是采用新型的E4440A型EMI測量接收機（安捷倫公司産）。功能(néng)與指标如下。

E4440APSA系列頻譜分析儀與全新N9039A射頻預選器雙劍合璧且、快速、頻率高達50GHz的EMI測量接收機。這(zhè)款新型接收機能(néng)夠進(jìn)行和可重複的測量。測量系統可在整個測量帶寬上提供zui佳的幅度和頻率精度。該系統每次掃描8192個數據點，可以分析超寬掃寬，同時擁有CISPR所要求的分辨率。另外，全新的射頻預選器使系統完全符合CISPR标準。可以從旁路快速切換到預選模式，以進(jìn)行兼容性測量。EMI測量系統可提供需要的幅度性能(néng)和系統精度，以實現低投入高産出。

② EMI測量系統描述和元件

包含帶有EMI專用軟件的頻譜分析儀E4440A PSA系列、射頻預選器N9039A與N5181A系統調整信号發(fā)生器。

③ 進(jìn)行發(fā)射分析所需的所有特性

9kHz至1GHz射頻預選；ClSPR帶寬（200Hz、9kHz、120kHz和1MHz）；檢波器（平均值、準峰值和峰值）；限制線和限制範圍；天線、線纜、放大器和其他設備的校正因數；利用外部信号源進(jìn)行的預選濾波器校準；執行發(fā)射保護的内置限制器；極其靈敏的前置放大器；可從101個變到8192個的數據點。

④ 測量精度和可重複性

1GHz頻率内的輻射發(fā)射頻段靈敏度爲152dBm；幅度精度爲±1.0dB，9kHz至1GHz；輸入VSWR爲1.2：1；預選TOI爲+5dBm；100MHz掃寬時的掃寬精度：20kHz典型值。

⑵ 軟件部分

從功能(néng)上可以將(jiāng)該軟件系統劃分爲五個模塊：系統管理模塊、系統檢測模塊、掃描模塊、數據處理模塊和測試結果輸出模塊。

4 實用新型的電磁兼容性（EMC）測試設備

4.1 EMSCAN電磁幹擾掃描系統

采用陣列探頭和電子掃描技術的近場測量系統，能(néng)獲取被(bèi)測物完整電磁場信息的測量系統，集EMC診斷和EMI測試爲一體的電磁兼容綜合測量系統。

⑴ 的EMC診斷系統

由1218個探頭組成(chéng)的陣列掃描器，實時看清電磁場，定位窄帶和寬帶電磁幹擾源［見圖2（a）所示］，解決各類EMI問題；能(néng)實時顯示EMS測試對(duì)被(bèi)測物内部電路的影響，快速解決EMS問題；快速準确評估機箱的屏蔽性能(néng)，能(néng)幫助工程師迅速積累正确的解決EMI/EMS問題的經(jīng)驗。

圖2 （a） 的EMC診斷系統示意圖

（b）爲EMI預兼容測試系統示意圖

⑵ 主要特征

Zui寬頻率範圍的近場測試工具：50kHz-4GHz，具有頻譜掃描、空間掃描、頻譜/空間掃描，天線掃描等功能(néng)；具有單次掃描、連續掃描、同步掃描等方式，具有峰值保持功能(néng)；

高速掃描，利用連續掃描和峰值保持功能(néng)，能(néng)捕捉到一般手段所無法測量到的瞬态電磁幹擾；頻譜/空間掃描能(néng)一次測量獲取被(bèi)測物完整電磁場信息，能(néng)迅速準确定位電磁幹擾源；測量任意體積和重量的被(bèi)測物，包括PCB、電纜、機箱、機架等；呈人字形交叉排列的專利電磁場陣列掃描器，能(néng)測量各個方向(xiàng)的電磁場；功能(néng)強大的後(hòu)台分析和處理能(néng)力，可以把測量結果和PCB的光繪文件疊加在一起(qǐ)顯示。

⑶ EMI預兼容測試功能(néng)

圖2（b）爲EMI預兼容測試系統示意圖。配套LISN（線路阻抗穩定網絡）/電流探頭/吸收鉗/天線等附件後(hòu)，EMSCAN能(néng)進(jìn)行準确、的EMI預兼容測試，具有背景信号自動識别功能(néng)，特别适合企業在普通實驗室進(jìn)行的EMI預兼容測試。

EMSCAN控制軟件的ASM（天線掃描模塊），用于電磁預兼容測試。能(néng)依據CISPR 11/14/15/22/25/GJB152A-CEl02進(jìn)行傳導發(fā)射測試。依據CISPR 11/14/22/25/GJB1 52A-REl02進(jìn)行功率或者輻射發(fā)射測試。

4.2 Langer近場探頭。

這(zhè)是電磁兼容工程師的基本工具，多達19個各種(zhǒng)形狀的探頭，可以完成(chéng)幾乎所有的電磁場測試任務：具有多種(zhǒng)分辨率的探頭，實現從粗略定位到精細定位；低成(chéng)本高性能(néng)；頻率範圍覆蓋100kHz-3GHz；适用于檢查機箱洩漏、PCB内部電磁場分布、電纜上的電磁場分布等；使用簡單，攜帶方便。

近場探頭的用途：主要應用于查找幹擾源，判定幹擾産生的原因；可以檢測器件或者是表面(miàn)的磁場方向(xiàng)及強度；可以檢測磁場耦合的通道(dào)，從而調整連接器或者元器件的位置；可以檢測PCB附近的磁場環境。

爲了降低幹擾，尋找到真正的幹擾源或者是其傳播的途徑是非常有必要的。通過(guò)近場測量可以很方便的實現定位的功能(néng)，甚至可以到IC引腳以及具體的走線。圖3（a）所示爲環形探頭，分辨率從1mm到25mm，适合檢測機箱洩漏、電流方向(xiàng)等，檢測電纜及元器件連接處等産生的磁場。圖3（b）所示爲檢測IC引腳的磁場分布，檢測IC下面(miàn)或寬導體的圓形磁場。

圖3（a）環形探頭 ； （b）爲檢測IC引腳的磁場分布示意

4.3 虛拟暗室EMC測量系統（無需暗室/屏蔽室）

如果想在普通環境下測量被(bèi)測設備（EUT）的電磁輻射，就(jiù)必須設法“消除”背景噪聲的影響。當今己開(kāi)發(fā)出多種(zhǒng)虛拟暗室EMC測量系統，值此以CASSPER虛拟暗室系統爲例作新概念說明。

當今的虛拟暗室系統，是zui新的EMI測試系統。它具有的頻率同步及相位鎖定功能(néng)，是一個雙通道(dào)、多端口EMI接收機，符合CISPR-16标準要求。

其虛拟暗室系統接收機使用兩(liǎng)套時間與頻率都(dōu)同步的通道(dào)同時去接收一個複雜系統中的信号，用來進(jìn)行電磁發(fā)射的測量和電磁幹擾源的定位。虛拟暗室系統把的數字信号處理技術（DSP）引入到了EMI測量中，能(néng)通過(guò)算法準确濾除背景噪聲，得到被(bèi)測設備（EUT）實際的準确的電磁輻射情況。CASSPER不僅能(néng)濾除一般的背景噪聲，還(hái)能(néng)提取與背景噪聲相同頻率的EUT信号。即使背景噪聲的幅度或者頻率被(bèi)調制了，其背景噪聲濾除性能(néng)也不會(huì)下降。虛拟暗室系統也能(néng)濾除來自多個地方的背景噪聲。能(néng)在市内區域測量電子設備的電磁發(fā)射。

⑴ 系統組成(chéng)

系統由雙通道(dào)EMI接收機、高性能(néng)計算機、雙通道(dào)高速DSP卡（内置于計算機）、天線、近場探頭以及測量軟件等組成(chéng)，見圖4（a）所示。

從圖4（a）可見該系統的接收機有A/B兩(liǎng)個通道(dào)，每個通道(dào)都(dōu)在接收機的前面(miàn)闆上設有2至4個端口，不同頻段的天線可以接到不同的端口上，系統可以對(duì)不同頻段的天線進(jìn)行自動切換。接收機把收到的信号經(jīng)過(guò)中頻處理後(hòu)，由AD變換器轉換爲數字信号，再由計算機内部的高速雙通道(dào)DSP卡對(duì)兩(liǎng)個通道(dào)的數據按照有專利技術的算法進(jìn)行數據處理，zui終由計算機進(jìn)行分析、存儲、顯示、打印等處理。

圖4 （a） 虛拟暗室EMC測量系統；

（b） “時間/頻率/相位”同步識别技術應用示意圖

⑵ 普通環境下的電磁預兼容測試

在被(bèi)測設備（EUT）的前方 距離（d）處放置一天線并連接到通道(dào)A，負責接收來自EUT以及背景共同作用的信号。另外一個天線則放置在離EUT較遠的地方，其距離至少是d的十倍，并連接到通道(dào)B，負責測量來自整個背景的噪聲情況。

同步的雙通道(dào)EMI接收機，可以保證背景信号能(néng)同時被(bèi)接收機的兩(liǎng)個通道(dào)分别收到。從而可以將(jiāng)收到的共同具有的背景噪聲記錄下來并濾除掉，這(zhè)就(jiù)創建了一個虛拟的第三個測量通道(dào)，這(zhè)種(zhǒng)測量方法可以很真實地反映被(bèi)測設備的電磁輻射情況。

系統在“消除”背景噪聲方面(miàn)．采用了“時間/頻率/相位”同步識别技術，通過(guò)相位識别，把背景噪聲用傅立葉計算方法剔除掉，并能(néng)提取被(bèi)調制的EUT的信号，也能(néng)提取與背景噪聲頻率一緻的EUT信号，見圖4（b）所示。

這(zhè)種(zhǒng)測試方法允許背景噪聲是不穩定的，如果背景噪聲在測試場地是“均勻”的，則測試結果能(néng)與标準EMC場地的測試結果保持基本一緻。而在實際測試中，“背景噪聲均勻”的環境是很容易找到的。

⑶ 定位輻射源的測試

相同頻率的兩(liǎng)個信号，未必來自同一信号源。在定位輻射源的測試中，通道(dào)A接到一個放在EUT附近的遠場天線或者電流卡鉗，探測EUT産生的電磁幹擾，通道(dào)B連接一個近場探頭。移動通道(dào)B的探頭，通過(guò)兩(liǎng)個信号的相關性來确定輻射源的位置。這(zhè)就(jiù)意味著(zhe)即使不同的幾個發(fā)出同樣(yàng)頻率和幅度的信号，系統也可以加以區分，從而準确定位幹擾源。

該系統由于能(néng)通過(guò)“時間/頻率/相位”來識别兩(liǎng)個天線接收到信号的相關性，所以在EMI定位方面(miàn)，它能(néng)找到真正使遠場測試不合格的幹擾源位置。找幹擾源的時候，一個顯示窗口上同時顯示遠場數據（天線收到的信号）和近場數據（探頭收到的信号），能(néng)在産生相同頻率的多個位置中找出與遠場信号相關聯的位置，可以節約大量的時間，能(néng)應用于從闆級設計一直到系統級設計。

5 EMC診斷實施舉例

5.1 借助一些診斷工具進(jìn)一步定位EMC問題

在通過(guò)EMC預測量發(fā)現設備（或分系統）的EMC問題後(hòu)，可以借助一些診斷工具進(jìn)一步定位EMC問題。這(zhè)有助于測試（設計）工程師有針對(duì)性的提出EMC對(duì)策，順利解決已經(jīng)發(fā)現的EMC問題。以下介紹當前使用比較普遍的84105EM診斷系統。

其系統功能(néng)爲用于表面(miàn)電流、插槽、電纜和集成(chéng)電路的磁場輻射測量。其系統組成(chéng)是由三EMC分析儀、近場探頭和前置預放三部分組成(chéng)。系統特點：對(duì)環境沒(méi)有特别要求（不需要屏蔽室或暗室），可測頻段寬，測量精度高，隻配置了磁場探頭，操作簡單、價格較低。

5.2 簡述電磁故障診斷84105EM故障診斷系統診斷内容與測量配置。

⑴ 診斷目的

針對(duì)已經(jīng)檢測出的EMI不合格頻率點，采用近場檢測的方法進(jìn)一步定位幹擾發(fā)生點；針對(duì)已經(jīng)檢測出的EMS不合格頻率點，進(jìn)一步定位敏感度薄弱部位。

⑵ 診斷工具

采用安捷倫84105EM電磁兼容診斷系統，該系統由EMC分析儀E7401A（含選件跟蹤發(fā)生器前置放大器11909A）和近場探頭套（含11941A和11940A近場探頭）組成(chéng)，參見圖5（a）。

圖5 （a） 電磁故障診斷系統測量配置示意圖；

（b）爲診斷屏蔽殼體上不應有的孔隙部位測量示意

近場探頭套所包含的探頭11941A的測量頻段爲9kHz-30MHz，11940A的測量頻段爲30MHz～1MHz，它們都(dōu)采用雙環設計。探頭的兩(liǎng)個環天線在平衡/不平衡變換器（簡稱“巴侖”）合并變爲不平衡輸出（同軸線采用雙環可使它們的電場感應電壓分量反相，相互抵消，隻保留磁場感應電壓分量）。理論分析明在近場探測情況下，電場探頭（如單極或偶極振子）不可避免或容性耦合周圍的雜散信号，難實現可重複的測量，而環天線的磁場探頭有很好(hǎo)的測量可重複性，并可抑制感應的電場，所以本系統采用這(zhè)種(zhǒng)雙環結構的磁場探頭。

爲了進(jìn)行敏感度測量，可采用E7402A分析儀配置的選件跟蹤發(fā)生器（1DS），内置在EHC分析儀中。由于跟蹤發(fā)生器與測量接收機做成(chéng)一體，兩(liǎng)者的頻率保持同步，這(zhè)比采用單獨的掃捅要方便得多，尤其在濾波器傳輸特性的測量中可大大縮短測量時間。

每個近場探頭均用網絡分析儀校準，每個探頭在其頻段的5個頻率點測校正系數（dB（uA/m）/uV），將(jiāng)接收機讀數（dB uv）加上此校正系數就(jiù)得出所測的磁磁場強度（dB（uA/m））。兩(liǎng)個近場探頭的校正系數已存儲在EMC分析儀的ROM中。

⑶ 診斷内容

尋找PCB闆的“熱點”（即電磁輻射過(guò)強的部位），記錄其頻率及幅值；尋找PCB的“敏感度空洞”（即電磁敏感度薄弱部位），記錄其頻率及幅值；尋找屏蔽殼體上不應有的孔隙部位。圖5（b）爲診斷屏蔽殼體上不應有的孔隙部位的測量配置示意圖。