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第15章 电磁兼容测量与仪器(2)

对于3m、10m法,电波暗室测量空间尺寸要求长度为2L,宽度为3L,高度为H=3L/22,其中L为收发距离。

在半电波暗室中进行实际的3m法测试时,接收天线的高度要求在1.0~4.0m范围内改变。如采用垂直极化天线,还应在4m上加上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。因此,在确定暗室的实际屏蔽体尺寸时,应在暗室净空尺寸的基础上加上吸波材料的高度,使粘贴完吸波材料的暗室的净空尺寸满足上述要求。例如,对于标准3m法半电波暗室,净空最小尺寸应为6.0m(长)×5.2m(宽)×4.8m(高),考虑EUT的摆放、测试天线的架设、人员活动空间、标准要求预留的最小尺寸,则暗室的屏蔽体长度应达到9.0m,宽度为6.5m,高度为7.0m。

吸波材料的吸波性能与电波入射角有密切关系,垂直入射时最好,斜射时性能降低。对于泡沫尖劈型吸波介质材料,30°入射时性能降低1~2dB,45°入射时性能降低3~4dB,60°入射时性能降低8~10dB,所以入射角不要超过60°。

3.EMC暗室的频率范围

EMC暗室工作频率范围与暗室的功能、屏蔽效能和所选的吸波材料相一致。通常暗室需采用复合型的宽带吸波材料。近几年EMC暗室采用的工作频率范围一般为10kHz~18GHz,个别实验室的频率上限达到40GHz。

4.EMC暗室中的吸波材料

目前,电波暗室的吸波材料有以下几种。

1)聚氨酯角锥吸波材料

暗室中用得最多的吸波材料,是软质聚氨酯泡沫浸渍炭黑并进行阻燃处理制成的,它具有良好的电性能,在较宽的频带具有很低的反射、散射和较大的透射衰减。缺点是重量重、尖部易下垂、空间利用率低。

2)磁损耗型吸波材料

主要是铁氧体材料,如铁氧体吸波砖。铁氧体吸波材料的特点是反射率曲线比较平坦,在低频时也具有较好的吸波效果,缺点是当频率高于1GHz时,吸波效果变差,当到6GHz时几乎变为镜面反射。另外,同样面积的铁氧体瓦比聚氨酯角锥吸波材料要贵一倍。

3)复合型吸波材料

这种材料由聚氨酯角锥吸波材料和铁氧体复合而成,以减小吸波材料总体高度,提高暗室的空间利用率。其突出特点是占空体积小,并能在很宽频率范围内吸收电磁波,吸波性能良好。组合的关键是角锥材料底部与铁氧体砖表面之间的阻抗匹配,使两者的高低频吸波性能优势互补。

4)高功率吸波材料

目前常见的形式是以无纺布为基材、刷涂吸波材料后制成的空心角锥。其功率容量远高于原聚氨酯泡沫角锥吸波材料。锥高2.5m左右的空心角锥可克服同高度实心角锥的重量重、价格贵、尖部易下垂等缺点,电性能可满足电磁兼容的要求,但比泡沫实心角锥略差。硬发泡材料制的进口高功率吸波材料在大型半电波暗室中多有采用。

5.地板和电源

暗室的地板是电波唯一反射面,要求平整无凹凸。地板通常用金属板材焊接而成,焊缝不得超过3mm。整个地面要保持导电连续性,不能有超过1/10工作波长的缝隙。接地线和电源线要靠墙脚布设,不要横越室内。电线还须穿金属管,并保持金属管与地板良好搭接。金属地面上最好不要再铺木地板和塑胶地板等。木地板经测试表明对暗室的归一化场地衰减值有一定影响,特别是在低频段(100MHz)影响较大。暗室和控制室要采用独立的供电系统,使用不同相的电源,经过各自的电源滤波器,这样可避免控制室内的干扰信号通过电源线传入暗室内。

此外,电磁兼容暗室还有静区尺寸及静度、屏蔽效能、归一化场地衰减(NSA)、测试面场均匀性、谐振频率、电磁环境电平等性能指标。

4.3.4GTEM小室

GTEM(GigaHertzTransverseElectromagnetic)小室是在1984年由瑞士Baden市AseaBrownBoveri公司电磁干扰控制中心的DiethardHansen和DietrichHansen推出的一种新的电磁兼容测试设备。它具有工作频率宽、内部场强均匀、屏效好,测量试验中能量利用率高等优点。相比于替代户外开阔场地的电波暗室,GTEM小室体积小、自身及其配套设备总成本相对较低。因此,GTEM小室得到了越来越广泛的应用。

1.GTEM小室的结构特点

GTEM小室如图4.5所示,外形为四棱锥形,侧面安装屏蔽门,锥顶处为50同轴连接器,同轴连接器内导体向锥底部膨大成三角形金属芯板,低频时用50的电阻面阵匹配,高频时则以铺设在底板上的微波吸收材料进行匹配。内导体向顶板倾斜,以得到较大的测试空间。

2.GTEM小室的主要技术指标

1)电压驻波比(VSWR)

电压驻波比是GTEM小室的重要指标。电压驻波比的大小取决于GTEM小室的整个特性阻抗是否匹配。如果GTEM小室的特性阻抗不能与50同轴线匹配,就会导致VSWR增大,严重影响GTEM小室的测试性能。

2)测试空间大小及其场强均匀性

被测EUT的几何尺寸是由测试空间大小来决定的。场均匀性是检验GTEM小室是否满足测试要求的重要指标。通常是指在GTEM小室内部测试区其场均匀性变化为±3dB的区域,如图4.6所示。

3)GTEM小室箱体的屏蔽性能

GTEM小室箱体的屏蔽性能取决于小室的结构与连接方式。主要有:①测试门的设计;②主体铝质箱板的连接;③电源线、信号线转接板的设计等方面。

4)GTEM小室的承受功率

承受功率由同轴连接头、匹配电阻面阵及吸波材料的性能决定。当GTEM小室用做EMS测试时,它是影响场强最高限值的一个指标。

4.4测量仪器

EMC测量包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)测量,下面是它们的基本配置。

EMI测量基本配置:

电子计算机(自动测试);

测量接受机(或频谱分析仪);

各种天线(有源、无源杆状天线,环状天线);

电流探头夹、电压探头、隔离式变压器;

穿心电容、存储示波器、各式滤波器。

EMS测量基本配置:

电子计算机(自动测试);

测量接收机(或频谱分析仪);

各种发射、接收天线;

信号发生器、功率放大器、场传感器;

注入隔离变压器、存储示波器;

射频抑制滤波器、隔离网络。

从目前国外电磁兼容性测量的成套测量设备来看,依据核心测量设备分为以电磁兼容测量接收机为核心的成套设备(美国的EATON、Electro-Metrics及德国的RS公司)和以频谱分析仪为核心的成套设备(美国的Tektronix、安捷伦,日本的安立公司)两大类。

电磁兼容测量对所用仪器的基本要求是测量仪器接入测量回路后既不应改变被测电子的工作状态,也不应对被测干扰源明显分流,且测量仪本身的干扰敏感度应远低于可能受到的干扰量。由于测量仪器工作时也会产生一定的电磁干扰,为了保证测量的准确性,要求测量仪器的干扰量至少比被测干扰电压或电流小20dB,且比允许的干扰量小40dB。测量精度要求为:电压测量时误差不超过±2dB,场强测量时误差不超过±3dB。

测量电磁干扰信号特性可用频域法测量,也可用时域法测量,至于用哪种方法测量可根据用户对信号哪一特性感兴趣而定。如果要测量干扰信号与时间的关系,例如,测量开关形成的脉冲信号或其他瞬变信号,则宜采用时域测量。如果要测量干扰信号与频率的关系,即其频谱特性,则宜采用频域测量。由于频域测量仪器比时域测量仪器灵敏度高、频率范围宽、动态范围大,所以现在大部分EMC测量使用频域法。常用的频域测量仪器有干扰场强计、频谱分析仪、功率密度测量仪等。时域测量仪器有记忆示波器、峰值记忆电压表、瞬态记录仪等。

以下介绍一些常用的主要测量仪器,使大家对电磁兼容测量仪器有一个了解。

4.4.1测量接收机

测量接收机(电磁干扰测量仪)是电磁兼容测量中最基本、应用最广的测量仪器,用来测量射频功率(可能是干扰源,也可能是信号)的载波的幅度和频率。

测量接收机实际上是带高频选频放大的接收机,其灵敏度可通过输入回路的可调衰减器来调节,以保证仪器工作在正常范围。由于在干扰测量中经常出现具有不同带宽特性的信号,所以测量接收机也是一种选频测量仪,它能将输入信号中预先设定的频率分量,用可调谐高频选择器对输入信号以一定的频带选择出来,予以显示和记录,连续改变频率便能得到该信号的频谱。

1.测量接收机的检波方式

按CISPR规定,测量接收机应有四种基本检波方式:峰值检波、准峰值检波、平均值检波、有效值检波。

1)峰值检波

其读数只取决于信号的幅度,能测出信号包络的最大值,这种检波器的充电时间很快,而放电时间很慢。即使一个很窄的单脉冲也能很快充电到峰值,由于放电时间很慢,所以峰值可长时间保持不变。峰值检波器的脉冲宽度和重复频率的变化对其输出结果影响不大。峰值检波器的缺陷是不易判断脉冲数的积累情况。

随着科学技术的发展,瞬变及重复频率很低的脉冲也成为主要的干扰源之一。因此,对于孤立脉冲或重复频率很低的脉冲进行检测,峰值检波是一种很理想的方式。

2)准峰值检波

准峰值检波器的读数与信号幅度和时间分布都有关,其充、放电时间常数介于峰值检波器和平均值检波器之间,充电时间常数比峰值检波器的大,而放电时间常数比峰值检波器的短。

由于大多数电磁干扰都是脉冲干扰,它们影响的客观效果是随着重复频率的增高而增高,CISPR的标准都是采用这种检波方式。这也使得具有特定时间常数的准峰值检波器的电磁干扰测量仪器应用最广。

3)平均值检波

主要用来测量窄带的连续波,调谐波干扰。它取包络在一段时间的平均值,其充、放电时间常数相同,并取决于按中频放大带宽所容许的包络变化。注意,平均值检波器不能作为脉冲干扰的客观评定手段。

4)有效值检波

在环境测量中,干扰经常由许多独立的脉冲源产生,而且往往是随机的,如果干扰源的频谱是均匀带宽的,产生的时间响应在中频放大器中重叠,则测量得到的有效值和平均值电平近似地随带宽平方根的变化而变化。如果时间响应不重叠,则平均值不受带宽影响而有效值指标仍然随带宽的平方根变化,所以在测量电磁干扰对通信的影响时,最好使用均方根检波。

2.电磁兼容测量接收机的组成

电磁兼容测量接收机组成如图4.7所示,各部分功能如下。

4.4.2频谱分析仪

频谱分析仪也是一种电磁兼容测量仪器,它能够非常直观而迅速地对被测信号进行频谱分析和幅值测量,但由于普通频谱仪没有预选滤波器且灵敏度低,因而测量的数值不是很准确,特别是对脉冲干扰的测量。无预选功能的频谱分析仪对宽带干扰信号的加权校正测量很复杂,且其输入不能提供测量宽带干扰信号所需的动态范围。为解决此问题,可通过对频谱分析仪进行改进,使它们满足上述要求。如通过增加一些模块,使原来的频谱仪类似一台接收机,且通过按一个键即可简单地变回到普通频谱分析仪。频谱分析仪改造的接收机与传统的EMI接收机相比明显具有扫频速度快、覆盖同样频段的测量仪器体积小、价格相对便宜等优点,对所关注的频段扫描测量后,可直接给出频谱分布图形。因而,选用频谱分析仪式接收机越来越普遍地作为EMI测量用仪器。

频谱分析仪的原理如图4.8所示。

它的本机扫频振荡器是电压调谐振荡器,由控制扫描用的锯齿波电压来控制其振荡频率,对于本机振荡器的每一个谐振频率,经过混频和中频放大器的选频作用,在检波器的输出端得到输入信号中该对应频率的分量,这样就可以连续得到输入信号中与本振扫频范围内各频率相对应的谐波分量值,并通过示波器显示出被测信号在扫频范围内的频谱图。

由于测量时,电磁干扰信号电平强弱差别很大,容易使频谱仪的输入级过载,由于频谱仪的检波方式为峰值检波,虽然满足军标要求,但不满足GISPR及我国有关电磁兼容性国家标准规定的极限值测量。为此需要在输入端配置射频预选器以防止混频器饱和,改善频谱分析仪的信噪比,提高灵敏度。

4.4.3测量用天线

天线是把高频电磁能量通过特定形状的金属导体向空间辐射出去的装置。同样,天线亦可把空间的电磁能量转化为高频能量收集起来。用电磁干扰测量仪、测量接收机或频谱分析仪测量场强时,必须借助各种探测天线把被测场强转换为电压。

1.电磁兼容测量天线特点

电磁兼容性测量频率从几十赫兹直到几千兆赫兹,在这么宽的频率范围内进行测量,使用的天线种类很多。但电磁兼容测量中关心的是各种场强所造成的电磁效应,因此,测量中的天线具有以下特点。

(1)天线带宽广。

(2)天线增益不高,方向性不甚明显。

(3)天线的场强测量动态性范围宽,由于电磁兼容实验的场强水平相差很大,虽然对大场强可以用衰减器扩大天线量程,但应不损坏天线变换器。

(4)收发天线有时是不能互易的。

2.天线类型及基本用途

1)磁场天线

磁场天线是环形天线,用于接收被测设备工作时泄漏的磁场、空间电磁环境的磁场及测量屏蔽(体)室的磁场屏蔽效能,测量频段为25Hz~30MHz。根据用途不同,磁场天线分为有源天线和无源天线。有源天线具有放大小信号的作用,非常适合测量空间的弱小磁场。近距离测量设备工作时泄漏的磁场通常采用无源环天线,与有源环天线相比,无源环天线的尺寸较小。

2)电场天线

电场天线用于接收被测设备工作时泄漏的电场、环境电磁场及测量屏蔽室(体)的电场屏蔽效能,测量频段为10kHz~18GHz,根据用途不同,电场天线分为有源天线和无源天线两类,如图4.9所示。电磁兼容测量中通常使用宽带天线,配合测量接收机进行扫频测量。有源天线是测量小信号的,其内部放大器将接收到的微弱信号放大至接收机可以测量的电平,主要用在低频段,测量天线的尺寸远小于被测信号的波长,以及接收效率很低的情况。

3)双锥天线

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