EMC 的預(yù)測試技術(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量不可少的手段

1 引言
電磁兼容性(E1ectromagnetic Compatibility, EMC)是指電子、電氣設(shè)備共處一個環(huán)境中能互不干擾、兼容工作的能力。對于一個設(shè)備，既要求它不產(chǎn)生過大的干擾使其它設(shè)備工作失常，也要求它具有一定的抗干擾能力，以保證在其它設(shè)備發(fā)出的干擾環(huán)境下能正常工作。
為了獲得一個產(chǎn)品(設(shè)備、系統(tǒng))優(yōu)良的EMC，其中之一是預(yù)測產(chǎn)品可能存在的EMC問題。它包括了以下二個方面：⑴電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)特性、干擾耦合路徑特性、受試設(shè)備的電磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility, EMS)特性的物理模擬預(yù)測與數(shù)學(xué)模擬預(yù)測；⑵研究科學(xué)可行的EMC測試與試驗技術(shù)，即包括測試方法與測試設(shè)備。值此，本文將對EMC預(yù)測試技術(shù)特征與新型測試設(shè)備及其測試應(yīng)用實例作分析說明。

2 EMC預(yù)測試必不可少
一個產(chǎn)品EMC的評價最終歸結(jié)為是否符合相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)，實施這種評價稱為EMC鑒定測試(CompliaHce Measurement)。它是在一個產(chǎn)品投放市場前的最后階段完成的。其實，按照一個產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)全過程中所需要的EMC測試量而言。鑒定測試只占了不到10%，90%的測試工作量是在此前完成的，包括準(zhǔn)電路的板卡、原理樣機(jī)、初樣到正樣研制的過程中，通過不斷的EMC測試逐步實現(xiàn)產(chǎn)品良好的電磁兼容性。將這90%的測試工作總稱為EMC預(yù)測試。預(yù)測試可以比鑒定測試精確度低些、粗略一些，以便迅速找出問題并不使測試設(shè)施費用過高。
預(yù)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(jī)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(jī)的一半。因此，預(yù)測試常采用頻譜分析儀代替EMI接收機(jī)，如圖2（b）所示。也就是說，預(yù)測試系統(tǒng)可以使單位具有全程的EMC檢測手段，可以全面提高產(chǎn)品的EMC特性。

3 如何建立EMC預(yù)測試系統(tǒng)
所謂預(yù)測試系統(tǒng)，實際上也是嚴(yán)格按照國家各種EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，包括設(shè)備、方法等等。但是，預(yù)測試系統(tǒng)具有區(qū)別于鑒定測試的特點主要如下：其一是對環(huán)境要求較低，EMC標(biāo)準(zhǔn)對于環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，一般必須在屏蔽室或暗室中進(jìn)行，但預(yù)測試的主要目的在于初步摸底，只要找到問題所在即可，所以對環(huán)境要求可以低一些，屏蔽室和暗室的尺寸、指標(biāo)可以低于認(rèn)證測試；其二是核心測量儀器利用高性能頻譜分析儀，高性能的頻譜分析儀完全具備了EMC檢測的能力，可以取代傳統(tǒng)的EMI接收機(jī)，目前有一個共識，頻譜分析儀是建立預(yù)測試系統(tǒng)的最佳選擇；其三是專用的中文軟件；其四是EMC預(yù)測試系統(tǒng)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(yù)測試系統(tǒng)的基本組成。
EMI測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EMI測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)主要按照GJBl51A的CEl01、CEi02、REi01和REl02對電子、電氣或機(jī)電產(chǎn)品的EMI性能進(jìn)行測試，檢查受試設(shè)備的相關(guān)EMI性能是否合格。如果不合格必須指出頻率點及其對應(yīng)的幅度值，以備產(chǎn)品設(shè)計人員有針對性地提出解決辦法，將問題較早地消除，為產(chǎn)品進(jìn)入市場前能通過EMI標(biāo)準(zhǔn)測試奠定堅實的基礎(chǔ)。
系統(tǒng)所采取的測試方法按照前述GJBl52A中有關(guān)部分所規(guī)定的程序進(jìn)行，包括標(biāo)準(zhǔn)的檢查配置、正式測試配置、校準(zhǔn)步驟、測試步驟和測試完畢所應(yīng)提交的數(shù)據(jù)。
基本的系統(tǒng)測量指標(biāo)：頻率范圍3Hz-26.5GHz；距離容差±5%；頻率容差±2%；，測量接收機(jī)幅度容差±2dB；測量系統(tǒng)(包括測量接收機(jī)、傳感器、電纜等)容差±3dB；時間(波形)容差±5%。

3.2 系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分
⑴ 硬件部分
包括三個分系統(tǒng)：前端子系統(tǒng)(主要包括傳感器，如電流探頭、環(huán)形天線、桿天線、雙錐天線、雙脊喇叭天線；電源阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)；衰減器等)、接收機(jī)子系統(tǒng)(主要包括頻譜儀、射頻預(yù)選器和EMI分辨帶寬選件等)和主控計算機(jī)子系統(tǒng)(主要包括IBM兼容機(jī)、PC-GPIB卡、GPIB線纜)。
① 接收機(jī)子系統(tǒng)功能與指標(biāo)
接收機(jī)子系統(tǒng)是采用新型的E4440A型EMI測量接收機(jī)(安捷倫公司產(chǎn))。功能與指標(biāo)如下。
E4440APSA系列頻譜分析儀與全新N9039A射頻預(yù)選器雙劍合璧且精確、快速、頻率高達(dá)50GHz的EMI測量接收機(jī)。這款新型接收機(jī)能夠進(jìn)行精確和可重復(fù)的測量。測量系統(tǒng)可在整個測量帶寬上提供最佳的幅度和頻率精度。該系統(tǒng)每次掃描8192個數(shù)據(jù)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(yù)選器使系統(tǒng)完全符合CISPR標(biāo)準(zhǔn)。可以從旁路快速切換到預(yù)選模式，以進(jìn)行兼容性測量。EMI測量系統(tǒng)可提供需要的幅度性能和系統(tǒng)精度，以實現(xiàn)低投入高產(chǎn)出。
② EMI測量系統(tǒng)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(yù)選器N9039A與N5181A系統(tǒng)調(diào)整信號發(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(yù)選；ClSPR帶寬(200Hz、9kHz、120kHz和1MHz)；檢波器(平均值、準(zhǔn)峰值和峰值)；限制線和限制范圍；天線、線纜、放大器和其他設(shè)備的校正因數(shù)；利用外部信號源進(jìn)行的預(yù)選濾波器校準(zhǔn)；執(zhí)行發(fā)射保護(hù)的內(nèi)置限制器；極其靈敏的前置放大器；可從101個變到8192個的數(shù)據(jù)點。
④ 測量精度和可重復(fù)性
1GHz頻率內(nèi)的輻射發(fā)射頻段靈敏度為152dBm；絕對幅度精度為±1.0dB，9kHz至1GHz；輸入VSWR為1.2：1；預(yù)選TOI為+5dBm；100MHz掃寬時的掃寬精度：20kHz典型值。
⑵ 軟件部分
從功能上可以將該軟件系統(tǒng)劃分為五個模塊：系統(tǒng)管理模塊、系統(tǒng)檢測模塊、掃描模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和測試結(jié)果輸出模塊。

4 實用新型的電磁兼容性(EMC)測試設(shè)備
4.1 EMSCAN電磁干擾掃描系統(tǒng)
采用陣列探頭和電子掃描技術(shù)的近場測量系統(tǒng)，能獲取被測物完整電磁場信息的測量系統(tǒng)，集EMC診斷和EMI測試為一體的電磁兼容綜合測量系統(tǒng)。
⑴ 獨特的EMC診斷系統(tǒng)
由1218個探頭組成的陣列掃描器，實時看清電磁場，精確定位窄帶和寬帶電磁干擾源[見圖2(a)所示]，解決各類EMI問題；能實時顯示EMS測試對被測物內(nèi)部電路的影響，快速解決EMS問題；快速準(zhǔn)確評估機(jī)箱的屏蔽性能，能幫助工程師迅速積累正確的解決EMI/EMS問題的經(jīng)驗。

圖2 (a) 獨特的EMC診斷系統(tǒng)示意圖

（b）為EMI預(yù)兼容測試系統(tǒng)示意圖

⑵ 主要特征
最寬頻率范圍的近場測試工具：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；具有單次掃描、連續(xù)掃描、同步掃描等方式，具有峰值保持功能；
高速掃描，利用連續(xù)掃描和峰值保持功能，能捕捉到一般手段所無法測量到的瞬態(tài)電磁干擾；頻譜/空間掃描能一次測量獲取被測物完整電磁場信息，能迅速準(zhǔn)確定位電磁干擾源；全方位測量任意體積和重量的被測物，包括PCB、電纜、機(jī)箱、機(jī)架等；呈人字形交叉排列的專利電磁場陣列掃描器，能測量各個方向的電磁場；功能強(qiáng)大的后臺分析和處理能力，可以把測量結(jié)果和PCB的光繪文件疊加在一起顯示。
⑶ EMI預(yù)兼容測試功能
圖2（b）為EMI預(yù)兼容測試系統(tǒng)示意圖。配套LISN(線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))/電流探頭/吸收鉗/天線等附件后，EMSCAN能進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的EMI預(yù)兼容測試，具有背景信號自動識別功能，特別適合企業(yè)在普通實驗室進(jìn)行精確的EMI預(yù)兼容測試。
EMSCAN控制軟件的ASM(天線掃描模塊)，用于電磁預(yù)兼容測試。能依據(jù)CISPR 11/14/15/22/25/GJB152A-CEl02進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測試。依據(jù)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.
這是電磁兼容工程師必備的基本工具，多達(dá)19個各種形狀的探頭，可以完成幾乎所有的電磁場測試任務(wù)：具有多種分辨率的探頭，實現(xiàn)從粗略定位到精細(xì)定位；低成本高性能；頻率范圍覆蓋100kHz-3GHz；適用于檢查機(jī)箱泄漏、PCB內(nèi)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(yīng)用于查找干擾源，判定干擾產(chǎn)生的原因；可以檢測器件或者是表面的磁場方向及強(qiáng)度；可以檢測磁場耦合的通道，從而調(diào)整連接器或者元器件的位置；可以檢測PCB附近的磁場環(huán)境。
為了降低干擾，尋找到真正的干擾源或者是其傳播的途徑是非常有必要的。通過近場測量可以很方便的實現(xiàn)定位的功能，甚至可以精確到IC引腳以及具體的走線。圖3（a）所示為環(huán)形探頭，分辨率從1mm到25mm，適合檢測機(jī)箱泄漏、電流方向等，檢測電纜及元器件連接處等產(chǎn)生的磁場。圖3（b）所示為檢測IC引腳的磁場分布，檢測IC下面或?qū)拰?dǎo)體的圓形磁場。

圖3（a）環(huán)形探頭 ；（b）為檢測IC引腳的磁場分布示意

4.3 虛擬暗室EMC測量系統(tǒng)(無需暗室/屏蔽室)
如果想在普通環(huán)境下測量被測設(shè)備(EUT)的電磁輻射，就必須設(shè)法“消除”背景噪聲的影響。當(dāng)今己開發(fā)出多種虛擬暗室EMC測量系統(tǒng)，值此以CASSPER虛擬暗室系統(tǒng)為例作新概念說明。
當(dāng)今的虛擬暗室系統(tǒng)，是最新的EMI測試系統(tǒng)。它具有獨一無二的頻率同步及相位鎖定功能，是一個雙通道、多端口EMI接收機(jī)，符合CISPR-16標(biāo)準(zhǔn)要求。
其虛擬暗室系統(tǒng)接收機(jī)使用兩套時間與頻率都同步的通道同時去接收一個復(fù)雜系統(tǒng)中的信號，用來進(jìn)行電磁發(fā)射的測量和電磁干擾源的定位。虛擬暗室系統(tǒng)把先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)引入到了EMI測量中，能通過算法準(zhǔn)確濾除背景噪聲，得到被測設(shè)備(EUT)實際的準(zhǔn)確的電磁輻射情況。CASSPER不僅能濾除一般的背景噪聲，還能精確提取與背景噪聲相同頻率的EUT信號。即使背景噪聲的幅度或者頻率被調(diào)制了，其背景噪聲濾除性能也不會下降。虛擬暗室系統(tǒng)也能濾除來自多個地方的背景噪聲。能在市內(nèi)區(qū)域精確測量電子設(shè)備的電磁發(fā)射。
⑴ 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由雙通道EMI接收機(jī)、高性能計算機(jī)、雙通道高速DSP卡(內(nèi)置于計算機(jī))、天線、近場探頭以及測量軟件等組成，見圖4(a)所示。
從圖4(a)可見該系統(tǒng)的接收機(jī)有A/B兩個通道，每個通道都在接收機(jī)的前面板上設(shè)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(tǒng)可以對不同頻段的天線進(jìn)行自動切換。接收機(jī)把收到的信號經(jīng)過中頻處理后，由AD變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由計算機(jī)內(nèi)部的高速雙通道DSP卡對兩個通道的數(shù)據(jù)按照有專利技術(shù)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終由計算機(jī)進(jìn)行分析、存儲、顯示、打印等處理。

圖4 (a) 虛擬暗室EMC測量系統(tǒng)；

(b) “時間/頻率/相位”同步識別技術(shù)應(yīng)用示意圖

⑵ 普通環(huán)境下的電磁預(yù)兼容測試
在被測設(shè)備(EUT)的前方一定距離(d)處放置一天線并連接到通道A，負(fù)責(zé)接收來自EUT以及背景共同作用的信號。另外一個天線則放置在離EUT較遠(yuǎn)的地方，其距離至少是d的十倍，并連接到通道B，負(fù)責(zé)測量來自整個背景的噪聲情況。
同步的雙通道EMI接收機(jī)，可以保證背景信號能同時被接收機(jī)的兩個通道分別收到。從而可以將收到的共同具有的背景噪聲記錄下來并濾除掉，這就創(chuàng)建了一個虛擬的第三個測量通道，這種測量方法可以很真實地反映被測設(shè)備的電磁輻射情況。
系統(tǒng)在“消除”背景噪聲方面．采用了“時間/頻率/相位”同步識別技術(shù)，通過相位識別，把背景噪聲用傅立葉計算方法剔除掉，并能提取被調(diào)制的EUT的信號，也能提取與背景噪聲頻率一致的EUT信號，見圖4(b)所示。
這種測試方法允許背景噪聲是不穩(wěn)定的，如果背景噪聲在測試場地是“均勻”的，則測試結(jié)果能與標(biāo)準(zhǔn)EMC場地的測試結(jié)果保持基本一致。而在實際測試中，“背景噪聲均勻”的環(huán)境是很容易找到的。
⑶ 定位輻射源的測試
相同頻率的兩個信號，未必來自同一信號源。在定位輻射源的測試中，通道A接到一個放在EUT附近的遠(yuǎn)場天線或者電流卡鉗，探測EUT產(chǎn)生的電磁干擾，通道B連接一個近場探頭。移動通道B的探頭，通過兩個信號的相關(guān)性來確定輻射源的位置。這就意味著即使不同的幾個發(fā)射器發(fā)出同樣頻率和幅度的信號，系統(tǒng)也可以加以區(qū)分，從而準(zhǔn)確定位干擾源。
該系統(tǒng)由于能通過“時間/頻率/相位”來識別兩個天線接收到信號的相關(guān)性，所以在EMI定位方面，它能找到真正使遠(yuǎn)場測試不合格的干擾源位置。找干擾源的時候，一個顯示窗口上同時顯示遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)(天線收到的信號)和近場數(shù)據(jù)(探頭收到的信號)，能在產(chǎn)生相同頻率的多個位置中找出與遠(yuǎn)場信號相關(guān)聯(lián)的位置，可以節(jié)約大量的時間，能應(yīng)用于從板級設(shè)計一直到系統(tǒng)級設(shè)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EMC預(yù)測量發(fā)現(xiàn)設(shè)備(或分系統(tǒng))的EMC問題后，可以借助一些診斷工具進(jìn)一步定位EMC問題。這有助于測試(設(shè)計)工程師有針對性的提出EMC對策，順利解決已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的EMC問題。以下介紹當(dāng)前使用比較普遍的84105EM診斷系統(tǒng)。
其系統(tǒng)功能為用于表面電流、插槽、電纜和集成電路的磁場輻射測量。其系統(tǒng)組成是由三EMC分析儀、近場探頭和前置預(yù)放三部分組成。系統(tǒng)特點：對環(huán)境沒有特別要求(不需要屏蔽室或暗室)，可測頻段寬，測量精度高，只配置了磁場探頭，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(tǒng)診斷內(nèi)容與測量配置。
⑴ 診斷目的
針對已經(jīng)檢測出的EMI不合格頻率點，采用近場檢測的方法進(jìn)一步定位干擾發(fā)生點；針對已經(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(tǒng)，該系統(tǒng)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，參見圖5(a)。

圖5 (a) 電磁故障診斷系統(tǒng)測量配置示意圖；

(b)為診斷屏蔽殼體上不應(yīng)有的孔隙部位測量示意

近場探頭套所包含的探頭11941A的測量頻段為9kHz-30MHz，11940A的測量頻段為30MHz～1MHz，它們都采用雙環(huán)設(shè)計。探頭的兩個環(huán)天線在平衡/不平衡變換器(簡稱“巴侖”)合并變?yōu)椴黄胶廨敵?同軸線采用雙環(huán)可使它們的電場感應(yīng)電壓分量反相，相互抵消，只保留磁場感應(yīng)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號，難實現(xiàn)可重復(fù)的測量，而環(huán)天線的磁場探頭有很好的測量可重復(fù)性，并可抑制感應(yīng)的電場，所以本系統(tǒng)采用這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)的磁場探頭。
為了進(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)，內(nèi)置在EHC分析儀中。由于跟蹤發(fā)生器與測量接收機(jī)做成一體，兩者的頻率保持同步，這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(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)，每個探頭在其頻段的5個頻率點測校正系數(shù)(dB(uA/m)/uV)，將接收機(jī)讀數(shù)(dB uv)加上此校正系數(shù)就得出所測的磁磁場強(qiáng)度(dB(uA/m))。兩個近場探頭的校正系數(shù)已存儲在EMC分析儀的ROM中。
⑶ 診斷內(nèi)容
尋找PCB板的“熱點”(即電磁輻射過強(qiáng)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(yīng)有的孔隙部位。圖5(b)為診斷屏蔽殼體上不應(yīng)有的孔隙部位的測量配置示意圖?！?/p>