電子電氣設(shè)備電磁兼容測試探討

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摘要：本文開展電磁兼容測試系統(tǒng)設(shè)計分析，首先解析民用電磁兼容測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，由單一設(shè)備組成復(fù)雜測試系統(tǒng)，通過理論推導(dǎo)計算，驗證系統(tǒng)可實現(xiàn)性。基于前期設(shè)計內(nèi)容，對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行不確定因素評估，驗證測試系統(tǒng)設(shè)計可行性。優(yōu)化解決系統(tǒng)理論推導(dǎo)計算問題，包括EMS測試干擾限值推導(dǎo)問題，保證不同等級對功率放大器放大增益值。通過前期系統(tǒng)設(shè)計理論推導(dǎo)，保證系統(tǒng)設(shè)計時全套設(shè)備利用率。

關(guān)鍵詞：民用電子電氣設(shè)備；電磁兼容測試系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計

電磁兼容性測試研究電子電氣設(shè)備適用中獨立工作的電磁抗干擾能力，隨著無線電設(shè)備大量出現(xiàn)，各類無線電收發(fā)設(shè)備相互電磁干擾情況嚴(yán)重。20世紀(jì)中期后，電子設(shè)備內(nèi)部元器件小型化，各電子元器件占用空間擁擠，頻譜資源占有率增加，需要提高頻譜資源利用率。與EMC相關(guān)法律有很多，發(fā)達(dá)國家相關(guān)組織有相關(guān)規(guī)定。我國電磁兼容測試為3C強制認(rèn)證，電子電氣產(chǎn)品EMC為法律規(guī)定要求，電子電氣設(shè)備進(jìn)入市場前需通過EMC。本文設(shè)計科學(xué)高效的民用電子電氣設(shè)備EMC系統(tǒng)，滿足工程應(yīng)用實踐分析。設(shè)計系統(tǒng)可實現(xiàn)EMI發(fā)射騷擾測試，可實現(xiàn)子系統(tǒng)分為RE輻射發(fā)射等。

1民用電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)分析

設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的民用電磁兼容測試系統(tǒng)，需要了解對應(yīng)測試方法要求等。EMI接收機是電磁騷擾測試重要儀表，測試干擾信號有間發(fā)行等特點，EMI接收機通常采用掃頻測試進(jìn)行逐點掃描測試[1]。GB/T6113.101標(biāo)準(zhǔn)對EMI測量接收機有明確指標(biāo)要求。測量接收機內(nèi)部放大器幅度特性需比測正弦信號有較大動態(tài)范圍儲備。應(yīng)注意區(qū)分檢波器功能與測試接收機上輸出指示的意義，采用正弦波等效RMS進(jìn)行校準(zhǔn)。測試CE傳導(dǎo)發(fā)射騷擾電壓時，需在被測試設(shè)備間增加規(guī)定人工電源網(wǎng)絡(luò)。人工電源網(wǎng)絡(luò)作用點包括將外部供電電路與被測設(shè)備電路隔離，電源供電端子提供測試阻抗。系統(tǒng)選用人工電源網(wǎng)絡(luò)為耦合非對稱電壓V型網(wǎng)絡(luò)[2]。電探頭在CE傳導(dǎo)發(fā)射騷擾電流測試使用，不需改變被測設(shè)備原有電路，適合測試復(fù)雜接線電路系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計使用高阻電壓探頭，可使用高阻電壓探頭測試優(yōu)點是不影響供電網(wǎng)絡(luò)下測試，缺點是需避免被測電路阻抗較高。高阻電壓探頭由電阻與電容組成，接地端子需良好接到參考地。EMI天線接收空間強信號后，場強值與電壓值比為天線系數(shù)。電磁兼容無線電騷擾測量要注意具有可復(fù)現(xiàn)性，物相互作用。測量裝置運行條件作出明確規(guī)定，需測量電平上有足夠信噪比，掃頻接收機測量適當(dāng)考慮設(shè)備特殊工作特性。非源于EUI產(chǎn)生騷擾，需在實驗報告中記錄[3]。測試EMI干擾電平時需較長測試時間，EMI接收機使用峰值檢波器捕捉信號，僅對發(fā)射幅值接近的關(guān)鍵頻率測量最大值。RE輻射發(fā)射測試目的是針對機箱端口輻射騷擾測試，對多種電子電氣產(chǎn)品，需測試輻射騷擾電磁場干擾，電場干擾需測試水平極化。輻射騷擾測量需考慮實驗環(huán)境，環(huán)境噪聲電平滿足低于極限值6dB要求。通用EMI測試流程圖如圖1所示。

2民用電磁兼容測試系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)解析，通過測試項目分類得出民用EMC測試系統(tǒng)主設(shè)備清單。EMI測試機必須具備QP準(zhǔn)峰值檢波器、AV平均值檢波器等，EMI測試接收機選用德科技更厚實數(shù)字中頻測量接收機。人工電源網(wǎng)絡(luò)用語電磁騷擾電壓測試，根據(jù)GB6113.102等標(biāo)準(zhǔn)要求，選用NSLK8127人工電源網(wǎng)絡(luò)[4]。阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)用語電信騷擾電壓測試，選用八線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)ISNT8-Caat6阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。儀表選型根據(jù)出廠技術(shù)規(guī)格核對標(biāo)準(zhǔn)滿足要求，EMC測試系統(tǒng)需要有第三方實驗室針出具計量報告，保證符合測試規(guī)范要求。由于測試系統(tǒng)整體完成自動測試，組成包括RS輻射抗擾度測試路徑等，射頻測試路徑需要可程控射頻開關(guān)自動切換，程控路徑考慮在屏蔽室進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換通信。對CE發(fā)射騷擾測試時，射頻電纜衰減影響系統(tǒng)靈敏度。設(shè)備電纜功率影響系統(tǒng)安全性。選擇射頻電纜需從功率容限等方面考慮。電磁兼容測試系統(tǒng)不同項目，進(jìn)行理論測試值推導(dǎo)，包括干擾測試限值推導(dǎo)等。EMI發(fā)射騷擾測試重要指標(biāo)為系統(tǒng)靈敏度，CE傳導(dǎo)騷擾測試頻率范圍為150kHZ-30MHz，需保證測試頻段底噪數(shù)據(jù)低于標(biāo)準(zhǔn)要求極限值-20dB.CE傳導(dǎo)騷擾測試影響靈敏度測試值由脈沖限幅器，傳感器修整等決定[5]。對系統(tǒng)測量場強分布采用仿真手段進(jìn)行分析，使用天線為復(fù)合天線，仿真天線使用雙錐天線，整體仿真包括幾何尺寸建立，介質(zhì)參數(shù)考量等。對RS場強分布作出仿真案例分析。技術(shù)參數(shù)滿足測試頻率范圍80MHz-6GHz，測試場強最高達(dá)10V/m，測試距離為3米，系統(tǒng)測試場強10V/m，校準(zhǔn)場強為18v/m，校準(zhǔn)場強范圍為18-36V/m。

3系統(tǒng)不確定度評估

規(guī)范的民用電磁兼容測試系統(tǒng)需進(jìn)行不確定度評估，對設(shè)計測試系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評估，建立不確定度基本模型，進(jìn)行各參數(shù)分量不確定性計算。按照國家檢定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，通過分量對應(yīng)概率分布情況統(tǒng)計為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，通過測試得到統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差值，如若獨立屬性信息統(tǒng)計檢驗概率分布?xì)w類為B類評估方法。采用B類評估計算其他不確定度來源引入不確定度[6]。在重復(fù)性條件下對測量獨立性重復(fù)測量n次，被測量X最佳估計值是n個獨立測得值算數(shù)平均值x.A類評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式為：屏蔽室內(nèi)對電源端口傳導(dǎo)騷擾測量，對待測設(shè)備進(jìn)行頻率150kHz-30MHz的傳導(dǎo)連續(xù)騷擾測量，EUT為落地式設(shè)備可立于地平面。根據(jù)傳導(dǎo)連續(xù)騷擾測試系統(tǒng)連接方法確定不確定性數(shù)學(xué)模型。EMI測量接收機測試結(jié)果隨外界環(huán)境變化有部分偏差，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，使用梳狀信號發(fā)生器為被測設(shè)備進(jìn)行重復(fù)測量，計算頻率點標(biāo)準(zhǔn)差，測得150KHz時標(biāo)準(zhǔn)差最大。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行路徑校準(zhǔn)，衰減量S21校準(zhǔn)結(jié)果在頻段最大誤差值為0.05dB，校準(zhǔn)不確定度為0.15dB，分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.08dB。輻射騷擾測試靈敏度與極限值符合度對照表如表1。30MHz-1GHz輻射騷擾測量在半電波暗室內(nèi)進(jìn)行，支撐物由低介電常數(shù)材料制成，EUT可立于地面，天線距EUT為3m，測試用接收機型號為N9038A。根據(jù)輻射連續(xù)騷擾測試系統(tǒng)連接方法，可確定不確定數(shù)學(xué)模型[7]。測試接收機讀數(shù)變化由測量系統(tǒng)不穩(wěn)定性等因素引起，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，計算公式為：為測試次數(shù)，xi為接收機單詞測試值。使用信號源為被測設(shè)備進(jìn)行10次測量，不確定度為0.11dB。合網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)抗擾度測試，測試前需進(jìn)行校準(zhǔn)獲得所需射頻噪聲信號強度。根據(jù)射頻感應(yīng)傳導(dǎo)騷擾抗擾度校準(zhǔn)測試方法，對測試引入不確定度，|VTest=VCal+δVMTt+δVLMCt+δVTGM+VPAt+δVswt.δVswt為測試中自動測試軟件電平容差設(shè)置不確定度；δVTGM為信號源不確定度；δVLMCt為測試中功率探頭不確定度，從原廠校準(zhǔn)證書獲得150Ω轉(zhuǎn)50Ω適配器插入損耗最大差值X1=0.04dB，X1為矩形分布，95%置信度時k=2，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(δVRCAL)=0.35dB，校準(zhǔn)系統(tǒng)連接不確定度分量為正態(tài)分布。

4系統(tǒng)實現(xiàn)驗證

目前建設(shè)完成民用電子電氣設(shè)備電磁兼容測試系統(tǒng)，包括RS輻射抗擾度測試等，如圖2所示。EMI傳導(dǎo)騷擾測試不接入測試樣品時，實測值滿足測試底噪滿足低于極限值20dB要求。測試結(jié)果未超限。EMI輻射騷擾測試系統(tǒng)不接入測試樣品，測試底噪滿足低于極限值20dB要求。樣品測試結(jié)果未超限值。CS傳導(dǎo)抗擾度測試系統(tǒng)頻率范圍150kHz-230MHz,系統(tǒng)注入干擾值，可得出滿足極限要求。各頻段CS傳導(dǎo)抗擾度測試干擾電平精度范圍，80-230MHz標(biāo)稱干擾電壓值±0.3V，偏差范圍在0.2V內(nèi)。RS輻射抗擾度測試系統(tǒng)頻率范圍80MHz-6GHz，場地均勻面為1.5米*1.5米，系統(tǒng)注入干擾強度值可得出滿足極限值要求。各頻段RS輻射抗擾度測試干擾場強精度范圍，1000-6000MHz標(biāo)稱場強值±0.5V/m，偏差范圍在0.3V/m內(nèi)。電磁兼容自動測試系統(tǒng)設(shè)計完成后，對系統(tǒng)測量功能需進(jìn)行實驗。在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求下對樣品進(jìn)行測試，EMI傳導(dǎo)發(fā)射騷擾測試由于測試儀表影響大，統(tǒng)一使用梳狀信號源為被測物測試。EMS輻射抗擾度測試施加干擾電平準(zhǔn)確性取決于檢測端設(shè)備，監(jiān)測端設(shè)備可通過第三方實驗室出具計量報告為判定依據(jù)。比對計算結(jié)果|En|<=1，根據(jù)要求評定監(jiān)檢測系統(tǒng)符合測試要求。根據(jù)不確定計算結(jié)果，Uref=3.1dB，測試結(jié)果|En|<=1滿意。根據(jù)不確定計算結(jié)果，Uref=4.2dB，通過雙方對比結(jié)果分析，根據(jù)要求評定系統(tǒng)符合測試要求。

5結(jié)語

電磁兼容測試是電子電氣產(chǎn)品必須進(jìn)行的檢驗，是法律的硬性規(guī)定，需要科學(xué)的民用電子電氣設(shè)備電磁兼容性能測試系統(tǒng)。以往國內(nèi)同行電磁兼容測試系統(tǒng)設(shè)計中缺乏科學(xué)依據(jù)，通常為經(jīng)驗性方式進(jìn)行。本文研究系統(tǒng)建設(shè)后測試數(shù)據(jù)有效性評估，測試系統(tǒng)通過科學(xué)方法進(jìn)行不確定度評估，根據(jù)不確定度考慮CE，CS測試項目不同確定度來源，得出各分系統(tǒng)綜合不確定度。CR抗擾度測試系統(tǒng)中功率放大器是重要儀表，通過理論計算可優(yōu)化評估需使用的功放輸出等級，減少設(shè)計成本。

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作者：徐曉昂 單位：江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院