电磁兼容测试和控制技术

电磁兼容测试和控制技术

北京交通大学抗电磁干扰研究中心沙斐

1.电磁兼容测试

电磁兼容测试贯穿在产品的设计、开发生产、使用和维护的整个周期，对设备达到电磁兼容起到至关重要的作用。

电磁兼容(EMC)测试按其目的可分为诊断测试和达标测试。诊断测试的目的是调查产生电磁兼容问题的原因，确定产生噪声和被干扰的具体部位，从而为采取抑制措施做准备。达标测试是根据有关电磁兼容标准规定的方法对设备进行测试，评估其是否达到标准提出的要求。产品在定型和进人市场之前必须进行达标测试。

电磁兼容(EMC)测试按其内容可分为电磁骚扰（EMI）发射测试和设备的抗扰度（EMS）测试。EMI测试是测量设备向外界发射的骚扰，EMS测试时给设备外加各种骚扰，测试设备的敏感度，即抗干扰能力。

应该指出的是电磁兼容测试并不仅仅是根据标准的规定进行的简单操作。同样的测量仪器、场地和测试步骤，不同的人操作得出的结果可能大相径庭，这主要取决于操作人员的素质。电磁兼容测试人员应具备广泛的知识，因为电磁兼容问题涉及到电磁场、微波、传输线、天线、电波传播、电路、计算机等基础理论；同时还应对各种被检测的设备的工作原理要有大概的了解，对标准规定的方法要进行仔细的研究，知其然，还要知其所以然。在实际测试中，要善于发现问题，并且能用所学原理解决问题，从而不断地积累经验。

1.1电磁骚扰发射测试

电磁骚扰发射（EMI）包括辐射发射（RE）和传导发射（CE）。辐射发射测试是测量受试设备（EUT）通过空间传播的骚扰辐射场强。传导发射测试是测量受试设备（EUT）通过电源线或信号线向外发射的骚扰电压和电流。

1.1.1 骚扰的辐射发射测试（9KHz～18GHz）

在30MHz～18GHz频率段，测量骚扰的电场强度。1GHz以下使用开阔场地或半电波暗室，模拟半自由空间；1GHz以上使用全电波暗室，模拟自由空间。如采用替代法测量，则测试场地可用开阔场地、半电波暗室或全电波暗室，测量结果用发射功率表示。

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在9KHz～30MHz频率段，测量骚扰的磁场强度。如果EUT较小，则将其放在大磁环天线（LLA）中，测量骚扰磁场的感应电流。如果EUT较大，则采用远天线法，用单小环在规定距离测量骚扰的磁场强度。

1.1.1.1 30MHz～1000MHz频率段的辐射发射测试

为了对辐射骚扰有一个统一的度量，标准不但对测量布置、测量方法作了规定，而且对骚扰测量仪、天线和测量场地都作了严格的规定，现分别加以讨论。

(1) 测量布置和测量方法

标准要求测试在开阔场地或半电波暗室内进行，场地必须符合NSA（归一化场地衰减）的要求。测试布置如图1所示。

测试天线和受试设备（EUT）之间的距离应符合远场条件，标准规定为3、10m或30m。远场的场结构比较简单，电场方向、磁场方向和电波传播方向三者互相垂直，波阻抗即电场强度与磁场强度之比为377Ω，场强随距离一次方衰减。近场的场结构比较复杂，在电波传播方向存在电场或磁场的分量，三者不一定互相垂直，波阻抗不为常数而是随距离变化，场强随距离平方或三次方衰减。

图1 30MHz～1000MHz辐射发射测试的布置

比较近场和远场的特性可知，在远场条件下测量场强一致性和重复性较好，测量误差较小。在远场条件下测试距离d应满足下列情况：

a) d ≥λ/2π, 如EUT被看作是偶极子天线，则误差为3dB。

b) d ≥λ，可看作是平面波，如EUT被看作是偶极子天线，则误差为0.5dB。

c) d ≥ 2D2/λ， D为EUT的最大尺寸，该条件仅适用于D>>λ的情况。

在30MHz～1000MHz频率段，λ为10m～0.3m, d=3m、10m、30m时都符合上述远场条件。

国内暗室绝大部分只能进行3m法测试,而标准上给出的限值很多都是针对10m法测试的,所以应该将它们转换为3m法的限值,转换公式为：L2＝L1 (d1/d2)或L2 (dB) ＝ L1 (dB)+ 20lg(d1/d2)

式中L1和 L2分别为测试距离为d1和d2时的辐射限值,例如GB9245中仅规定了信息技术设备在10m 测量距离处的辐射骚扰限值，由此可转换为3m处限值，如表1所示。

表1 B级ITE在10m和3m处的辐射限值

30dB(μV/m)（10m法），40dB(μV/m)(3m 法)。

在确定测试距离时常遇到起始点和终止点的问题，起始点是被测设备（EUT）的边框，这在标准上有明确的规定。终止点应该在天线的什么部位？当天线是对称振子天线或双锥天线时，终止点在天线的中间部位。当天线是喇叭天线时,终止点应为喇叭口。但当天线是对数周期天线和混合宽带天线时，终止点就不好确定，标准中也没有明确规定。对数周期天线，根据其工作原理，在频率较高时是短振子起作用，；频率较低时是长振子起作用。如果把终止点定在对数天线的顶端，则高频测量时距离约为3m，而低频测量时距离偏移较大。由于天线接收的场强E∝f/d，而由距离引起的测量误差为△E∝f△d/d2，显然对于同样的距离偏移，频率越高，产生的场的测量误差就越高，所以笔者认为终止点放在对数周期天线的顶端比较合适。如果天线上已有天线中心的标记，则终止点放在天线中心的标记处。

由于达标测试是测量EUT可能辐射的最大值，所以EUT应放在转台上（可360°旋转）以便寻找EUT的最大骚扰辐射方向。台式EUT离地面高度通常为0.8m，立式EUT则直接放置地面，接触点与地面应绝缘。接收天线的高度应该在1～4m（如测试距离为3m或10m）或2～6m（如测试距离为30m）内扫描，记录最大辐射场强。EUT的辐射电磁波到达天线有两条途径，如图2所示。一条是直达波

A E ，一条是通过地面的反射波

B E ，天线接收到的总场强为直达波和反射波的矢量和，即

B A E E E +=

由于二条路径长度不同，电磁波到达天线所需时间不同，因此A E 和B E 有一定相位差Δφ，总场强与Δφ有关。如果A E 和B E 同相，则两者相加，总场强最大；如果A E 和B E 反相，则两图2 辐射电磁

波的直达波和反射波 者相减，总场强最小。Δφ与天线高度有关， 当接收天线在1～4m 之间移动时，接收到的场强也以驻波方式变化，波峰和波谷间的高度差约为λ/2，

因此可以保证在30MHz 仍能找到最大场强。

由于骚扰场强的水平极化分量和垂直极化分量是不同的，所以测量时应把天线水平放置测水平极化分量，垂直放置测垂直极化分量。垂直放置时天线的最低端离地应大于25cm,以免影响天线的性能。整个测试系统是同轴传输系统，应该保持阻抗匹配，即天线的阻扰、同轴电缆的特性阻抗和干扰测量仪的输入阻抗都应相等，一般为50Ω。阻抗不匹配将引起反射，从而影响读数的准确性。目前自动化的EMI 测试系统己普遍使用，测量仪、天线塔、转台都用GPIB （IEEE-488）接口连接，由计算机控制，进行自动测试、数据处理和报告生成。

(2) 骚扰测量仪

骚扰测量仪实际上是一台超外差式选频电压表。骚扰波形通常是由很多频率组成的，骚扰测量仪可用来测量这些频率的电压幅值。图3是其电路方框图。

其电路结构类似于半导体收音机。测量时先将测量仪调谐，对准某个频率f i 。该频率经高频衰减器和高频放大器后进人混频器，与本地振荡器的频率f l 混频，产生很多混频信号。经过中频滤波器以后仅得到中频f 0＝f l －f i 。中频信号经中频衰减器、中频放大器后，由包络检波器进行包络检波，滤去中频得到其低频包络信号A （t ）。A （t ）再进一步进行加权检波，加权可根据需要获得A （t ）的峰值（Peak ）、有效值（rms ）、平均值（Ave ）或准峰值（QP ），这些值经低频放大后可推动电表指示。测量前如果用校准信号发生器的信号进行预先校准， 则可以直接读数。骚扰信号的读数等效于正弦信号的有效植。

图3 骚扰测量仪的电路框图

由于很多骚扰都是脉冲性的，所以骚扰测量仪应能测量脉冲信号，这是它与一般电压表的不同之处。设输人信号是幅度为A、宽度为τ、周期为T的脉冲信号。由图3可见其中频信号波形[（b）点]为载波频率为中频f0的调幅信号，其包络幅度为2AτGB，G为中频放大器和以前各级电路的增益，B为中频带宽；包络主瓣宽度为2/B，两个主瓣之间间隔为T．包络检波器后的波形[（c）点]只不过是滤去中频载波后的中频包络。由于包络的宽度和幅度都与中频带宽B有关，因此测量仪的中频带宽一定要有统一的规定否则对于同一脉冲信号，由于中频带宽不同，测量结果可能不同，这是与仅能测量正弦波的电压表的一个不同之处。

对同一个脉冲输人信号的中频输出波形进行不同形式的加权检波，可能得到不同的值，一般包络的峰值＞准峰值＞有效值＞平均值。骚扰测量中的发射限值（即标准允许的最大骚扰发射量）绝大多数都是以准峰值形式规定的，因为准峰值可以反映人耳或人眼对脉冲骚扰的响应，当脉冲很快上升时，人耳不能立即反应，当脉冲跌落后，人耳的感觉仍有滞留效应。加权检波的形式是由检波电路的充放电时间常数决定的，充电慢、放电快得到的加权值就越低，所以对准峰值的充放电时间也要有统一规定。这是与仅能测量正弦波的电压表的又一个不同之处，因为对于正弦波输人信号，其中频输出波形的包络的峰值、准峰值、有效值、平均值都是相等的。

图中（d）点的波形是准峰值加权波形，（e）点是电表读数。由于电表具有一定的惯性（即电表机械时间常数）所以电表读数将受一定影响，因此标准规定电表应处于临界阻尼状态，并具有确定的机械时间常数。虽然现在大多使用数字化电表，该指标仍然保留，只要在A/D变换器后加一个二阶低通滤波器即可。

由于骚扰测量仪以测量脉冲信号为主，脉冲幅度往往很大，所以测量仪还应该具有较大的过载能力，以免把脉冲顶部削掉。

综上所述，骚扰测量仪必须具有统一的中频带宽、检波器充放电时间常数、电表机械时间常数和过载系数，这样才能保证在测量同一脉冲信号时得到一致的结果。表2为GB/T6113.1规定的骚扰测量仪指标。其中各频率段的范围为：

A频段——9～150kHz；

B频段——0.15～30MHz；

C频段——30～300MHz；

D频段——300～1000MHz；

表2 骚扰测量仪的四大类指标

性指输人规定的周期脉冲信号时骚扰测量仪的读数应达到规定的值。绝对脉冲特性见表3。

表3 骚扰测量仪的绝对脉冲特性

表3的含义是：在A、B、C、D各频段内，分别输入各自的标准周期脉冲，要求脉冲的幅度×宽度等于a（μVs），重复频率为c（Hz），该周期脉冲的频谱至少应该在b（MHz）以下是均匀的，脉冲信号发生器的源阻抗应和骚扰测量仪输入阻抗相等。对于该输人信号，骚扰测量仪在该频段的任何频率上的读数都应该等于60dB（μV）。

所谓相对脉冲特性指输人周期性脉冲信号时，脉冲的重复频率越高，其读数越高，重复频率低，读数低。当读数不变时输人脉冲的幅度和重复频率的关系应符合表4的规定。

表4中各频段的输入脉冲的相对等效电平，以绝对脉冲特性中的该频段的标准周期脉冲的幅值为基准（定义为0dB）。如果骚扰测量仪的绝对脉冲特性和相对脉冲特性都符合表3和表4

的要求，则说明该骚扰测量仪的四大类指标基本符合表2的要求。

(TD)和充电时间常数（TC）的比值要远远大于准峰值检波器，各项段的TD/TC值如表5所示。

峰值测量时中频带是可以选择的，其选择范围和优选值如表5所示，在给出骚扰电平时应标明所选带宽。对于非重叠骚扰，指中频段输出波形中的各个主瓣不重叠，见图3中（b）点波形，由于峰值测量结果和带宽成正比，所以测量结果也可用对于1MHz带宽的归一化值V1MHz (dBμＶ/MHz)来表示。

V1MHz (dBμＶ/MHz)═Ｖ(dBμ)+20lg 1MHz/B imp

式中B imp为脉冲带宽,与6dB带宽B6 的关系为B imp =1.05 B6。Ｖ(dBμ)为使用B imp带宽时的峰值测量读数, 20lg 1MHz/B imp为1MHz和B imp 的比值的对数。峰值测量所需的过载系数比峰值测量小的多，检波器前电路的过载系数只需比1稍大些即可。

峰值测量时的绝对脉冲特性的含义和准峰值测量是相同的，只不过输入的标准脉冲强度不同，标准规定为脉冲幅度×宽度=1.4/B imp(mＶs), B imp单位为Hz ,具体数值见表6。对于标准脉冲输入,测量仪在该频段上的任何频率上的测量结果均应该等于60dB(μＶ)。

骚扰测量仪用于平均值测量时，带宽的选择同峰值测量方法。检波器前电路对于脉冲重复频率为f PR 的脉冲过载系数应该为B imp/f PR，但是实际上当f PR很低时，接收机不可能提供足够的过载系数。平均值测量时要求的绝对脉冲特性和峰值基本一样,但各频段的重复频率不同，即输入标准强度为1.4/B imp(mＶ．s),重复频率为Ａ频段：25Hz;B频段：500Hz;C和D频段:5KHz。对于标准脉冲输入,测量仪在该频段上的任何频率上的测量结果均应该等于60dB(μＶ)。

骚扰测量仪可以进行准峰值测量、峰值测量和平均值测量。当输入信号是正弦波时，无论用何种方式测量，得到的读数都是相同的，等于该正弦波的有效值，精度应优于±2dB。但是如果输入的是周期脉冲信号，则三种测量方法得到的读数是不一样的，其结果如表7所示。

δ——脉冲强度，等于脉冲幅度×脉冲宽度，单位：mＶS

B imp——脉冲宽度；B imp=1.05B6

f PR——脉冲重复频率；

P(α)——准峰值检波效率，与检波器的充、放电时间常数、脉冲重复频率和带宽有关，P(α)≤1。

由表7可知，峰值测量结果≥准峰值测量结果。表6中列出了输入标准脉冲，在标准宽带情况下峰值与准峰值表头指示之比值。表8列出了具有相同带宽的准峰值和平均值表头指示之比值，由表可知，准峰值≥平均值。对于规则的周期性脉冲可以根据表7来进行峰值、准峰值、平均值之间的转换。但是一般骚扰都是随机的，很难进行彼此间的换算，因此有些标准同时规定了发射测量的准峰值限值和平均值限值。

表8 在相同带宽条件下准峰值和平均值表头读数之比值

在准峰值测量时，如想要在某个频率点得到较稳定的测量值，则测量时间应大于检波器充放电时间和电表机械时间常数之和，并且测量不止一个周期，所以一般准峰值测量时间要求比较长。如果测量仪具有扫频测量功能，则设置的扫描时间应符合表9的规定。在实际测量中，往往先用峰值进行全频段测量，然后再对超过限值的频率点进行峰值测量，这样可以大大节省测量时间。

表9 最小扫频时间

式，结果都是一样的。一般的电压表（包括场强仪）仅能测量正弦波，不能测量脉冲信号。骚扰测量仪目前市场上有二种基本类型，一种是测量接收机类型，它是单频点测量，灵敏度较高，自动化程度高的可以自动扫描各频点。另一种是频谱分析仪类型，可以显示整个频段，但灵敏度稍低些。但是无论什么类型的测量仪，只有符合GB/T6113.1规定的四大类指标和二个脉冲特性后才能进行EMI测量。

（3）测量用天线

图4 EMI测量用的天线

(a)双锥天线 (b)对数周期天线 (c)混合宽带天线 (d)喇叭天线 (e)对称振子天线

天线用来接收骚扰电磁场，把场强转变成电压，骚扰测量仪测量的是转变后的电压值，所以测量仪的读数只有加上天线系数后才能得到骚扰场强，如果连接天线和测量仪的同轴

电缆有损耗，则还应加上损耗值，即

骚扰场强[dB（μV／m）]＝测量仪读数[dB（μV）]十天线系数（dB）＋电缆损耗（dB）

每部天线都有天线系数，该系数与频率有关，曲线一般由天线制造商给出。电磁骚扰测量中

常用的天线为宽带天线，便于自动化扫频测量。一般用双锥天线（30～300MHz）和对数周期天线（200～1000MHz），最近又推出把二种天线合二为一的宽带天线（30～1000MHz）。在测量1GHz以上的频率时常用喇叭天线，喇叭天线具有很强的方向性。有时EMI测量也用对称振子天线，其长度应该等于被测频率的半波长，由于改变测量频率时需同时改变振子长度，所以这种天线不适合进行自动化扫频测量。以上这些天线的形状见图4。

（4）测试场地

标准规定的室外测试场地（开阔场）如图5所示，开阔场地至少应该在椭圆范围内没有任何可能反射电磁波的物体。EUT和天线放置于椭圆的两个焦点上，骚扰测量仪则放在椭圆外。地面应铺设金属板或金属栅网，板或网的连接处不应有电不连续点，孔、缝直径应小于0.1λ，λ为拟测试的最高频率的波长，对于频率为1GHz，孔、缝直径应小于30mm。开阔场的环境噪声越小越好，至少应比标准规定的EUT骚扰限值低6dB。但是由于工业无线电噪声的日益严重和无线电业务的广泛使用，实际上已很难找到一块无电磁噪声的净土，所以提出了在屏蔽室内进行测试的方案。

图5 开阔场地的要求 图6组合吸波材料 屏蔽室的四周由全属体包围，可良好隔离室内外的电磁场，一般拼装式的钢板屏蔽室屏蔽效能可达到一70dB 以上（10kHz 磁场）以及一100dB 以上（200kHz ～18GHz ）。但是EUT 发出的电磁波将在各个金属面上发生反射和多次反射，到达接收天线的场强是直达波和所有这些反射波的矢量和，因此情况十分复杂，天线或EUT 的位置稍有变化，测量结果就会有很大的不同。此外屏蔽室相当于一个矩形波导谐振腔，存在很多谐振频率，其表达式为

222)()()(

150h

n

l m k

f i ++=ω （MHz ） 式中ω、l 、h 分别为屏蔽室的宽、长、高，单位为m 。k 、m 、n 取0、1、2……，分别为横电波Te kmn 沿着宽、长、高的场的半个正弦波的数目，

取不同k 、m 、n 就可以求得屏蔽室内存在的不同的固有谐振频率。如果被测辐射源的频率恰好等于屏蔽室的固有谐振频率，则引起谐振，幅值加大，从而带来很大的测量误差。在屏蔽室内测量EMI 常可能获得高达20～30dB 的误差。减少反射的方法是在屏蔽室的四壁和天花板上挂吸波材料，使到达这些面的电磁波被吸收，从而使屏蔽室变成半电波吸波暗室，所谓“半”指地面不铺吸波材料，仍是反射面，因此半吸波暗室可以模拟室外的开阔场地。

金属板产生反射的原因是金属板的波阻抗比空气的波阻抗小得多，电磁波由空气入射到金属板时由于阻抗不匹配而产生反射。吸波材料夹在空气和金属板之间，使波阻抗逐渐过渡从而减小反射。吸波材料通常用泡沫尖劈型介质材料，在碳胶液中渗透碳，使其尖端的波阻抗等于空气波阻抗，然后逐渐减小。由于渗了碳，吸波材料可以把进人内部的电磁波以热量形式耗散。尖壁长度越长，频率越高，吸波性能就越好。一般长度为l 的尖劈材料，其能够吸收的最低频率的波长为l ／4。为了缩短尖劈长度。节省所占空间，同时又能保持其低频吸收性能，常在尖劈后面放铁氧体瓦，做成组合式吸波材料，如图6所示。由于技术的发展目前30MHz ～1000MHz 的电波暗室可以完全用铁氧体瓦作吸波材料，不需任何泡沫尖劈材料。在1000MHz 以上，仍需应用组合式吸波材料。半电波吸波暗室作为开阔场地的取代场地已被标准采纳，目前广泛使用的有3m 法和10m 法暗室。应该指出的是当对电波暗室中测量的数据有争议时，仍应以开阔场地的测量为依据。

1.1.1.2 1GHz ～18GHz 频率段的辐射发射测试

1GHz ～18GHz 频率段的辐射发射测试一般使用全电波暗室，现以工科医（ISM ）设备为例说明。由于试验场地是自由空间，只有直达波，没有反射波，所以接收天线可以设置在与EUT 同一高度上，不必上下移动。但是转台仍需360度转动，以获得最大值。测试距离为3米。天线应采用小口径定向天线，水平和垂直二种状态都要测试。测量采用频谱分析仪，因为工科医（ISM ）设备在运行期间工作频率可能会有明显变化，所以采用全景分析比较适宜。频谱分析仪应设在最大保持方式和对数dB 显示方式。测量结果用电场强度的峰值或平均值表示（不用准峰值）。峰值测量时采用1MHz 的分辨率带宽和视频带宽，平均值测量时仍采用1MHz 的分辨率带宽，但是视频带宽应大大缩小至10Hz ，相当于加入一个低通滤波

器。

1.1.1.3 30MHz～18GHz频率段的辐射发射替代法测试

辐射发射测试时,测量天线接收到的骚扰强场包括两个部分,一部分是EUT内部的导线和电路直接通过机箱壳体的缝隙向外的辐射,称壳体辐射，另一部分是由外接电缆引出的共模电流辐射。替代法测试的目的是仅仅测试EUT的壳体辐射,所以要求拆除所有可以拆卸的电缆,不能拆卸的电缆上要加铁氧体磁环,并放在不会影响测量结果的位置上。

图7所示为替代法测试的方法和布置。首先用半波振子天线A和测量接收机测量出EUT的最大骚扰值，然后用半波振子天线B替代EUT。调节信号发生器输出功率，直至测量接收机达到同样的值。记录替代天线B的输入端功率，即为EUT的壳体辐射功率。

由于采用替代法，所以对试验场地的要求比较宽松,只要求替代天线B在各方向上移动±10cm，测量值变化不超过±1.5dB既可。合格的开阔场地、半波暗室和全电波暗室都符合上述要求，都可以进行替代法测试。

测试天线A的高度h应和EUT中心的高度相同，只要求h>1m，测试天线A也不需上下移动。但要求EUT在常规放置位置和90o翻转位置上分别旋转翻360o，以便寻找EUT的最大骚扰值。

测试距离d虽然没有明确要求，但最好还应符合远场条件。d的起始点为EUT的几何中心，终止点为测量天线A的天线中心。替代试验和校准试验时，替代天线B应置于EUT 的几何中心。

对天线的要求：在30MHz～1GHz频段，测量天线A可采用半波振子天线，也可采用宽带天线，但替代天线B则必须用半波振子天线。1GHz～8GHz 都用线性极化的喇叭天线。

替代法的校准很重要。一般水平极化和垂直极化状态都要进行校准。校准时发射天线B与测量天线A平行放置，对于每个频率点，都要记录发射天线的输入功率和测量接收机的接收电压的关系曲线，找出校准系数K（f）。以后测试时就可以直接将测到的最大骚扰电压加入校准系数K