1 騷擾的輻射發(fā)射測試（9KHz～18GHz）

 

在30MHz～18GHz頻率段，測量騷擾的電場強度。1GHz以下使用開闊場地或半電波暗室，模擬半自由空間；1GHz以上使用全電波暗室，模擬自由空間。如采用替代法測量，則測試場地可用開闊場地、半電波暗室或全電波暗室，測量結(jié)果用發(fā)射功率表示。

 

在9KHz～30MHz頻率段，測量騷擾的磁場強度。如果EUT較小，則將其放在大磁環(huán)天線（LLA）中，測量騷擾磁場的感應電流。如果EUT較大，則采用遠天線法，用單小環(huán)在規(guī)定距離測量騷擾的磁場強度。

 

1.1.1.1 30MHz～1000MHz頻率段的輻射發(fā)射測試

 

為了對輻射騷擾有一個統(tǒng)一的度量，標準不但對測量布置、測量方法作了規(guī)定，而且對騷擾測量儀、天線和測量場地都作了嚴格的規(guī)定，現(xiàn)分別加以討論。

 

(1) 測量布置和測量方法

 

標準要求測試在開闊場地或半電波暗室內(nèi)進行，場地必須符合NSA（歸一化場地衰減）的要求。測試布置如圖1所示。

 

測試天線和受試設備（EUT）之間的距離應符合遠場條件，標準規(guī)定為3、10m或30m。遠場的場結(jié)構(gòu)比較簡單，電場方向、磁場方向和電波傳播方向三者互相垂直，波阻抗即電場強度與磁場強度之比為377Ω，場強隨距離一次方衰減。近場的場結(jié)構(gòu)比較復雜，在電波傳播方向存在電場或磁場的分量，三者不一定互相垂直，波阻抗不為常數(shù)而是隨距離變化，場強隨距離平方或三次方衰減。

 

圖1：30MHz～1000MHz輻射發(fā)射測試的布置

 

比較近場和遠場的特性可知，在遠場條件下測量場強一致性和重復性較好，測量誤差較小。在遠場條件下測試距離d應滿足下列情況：

 

a)  d ≥ λ/2π, 如EUT被看作是偶極子天線，則誤差為3dB。

b)  d ≥ λ，  可看作是平面波，如EUT被看作是偶極子天線，則誤差為0.5dB。

c)  d ≥ 2D2/λ， D為EUT的最大尺寸，該條件僅適用于D>>λ的情況。

 

在30MHz～1000MHz頻率段，λ為10m～0.3m, d=3m、10m、30m時都符合上述遠場條件。

 

國內(nèi)暗室絕大部分只能進行3m法測試,而標準上給出的限值很多都是針對10m法測試的,所以應該將它們轉(zhuǎn)換為3m法的限值,轉(zhuǎn)換公式為：

 

L2 ＝L1 (d1/d2)或L2 (dB) ＝ L1 (dB)+ 20lg(d1/d2)

式中L1和 L2分別為測試距離為d1 和d2時的輻射限值,例如GB9245中僅規(guī)定了信息技術設備在10m 測量距離處的輻射騷擾限值，由此可轉(zhuǎn)換為3m處限值，如表1所示。

 

表1：B級ITE在10m和3m處的輻射限值

 

一般不同頻率段的限值是不一樣的，過渡頻率點應該采取較低的限值，表1中230MHz的限值應取較低值：30dB(µV/m)（10m法），40dB(µV/m)(3m法)。

 

在確定測試距離時常遇到起始點和終止點的問題，起始點是被測設備（EUT）的邊框，這在標準上有明確的規(guī)定。終止點應該在天線的什么部位？當天線是對稱振子天線或雙錐天線時，終止點在天線的中間部位。當天線是喇叭天線時,終止點應為喇叭口。但當天線是對數(shù)周期天線和混合寬帶天線時，終止點就不好確定，標準中也沒有明確規(guī)定。對數(shù)周期天線，根據(jù)其工作原理，在頻率較高時是短振子起作用，；頻率較低時是長振子起作用。如果把終止點定在對數(shù)天線的頂端，則高頻測量時距離約為3m，而低頻測量時距離偏移較大。由于天線接收的場強E∝f/d，而由距離引起的測量誤差為△E∝f△d/d2，顯然對于同樣的距離偏移，頻率越高，產(chǎn)生的場的測量誤差就越高，所以筆者認為終止點放在對數(shù)周期天線的頂端比較合適。如果天線上已有天線中心的標記，則終止點放在天線中心的標記處。

 

由于達標測試是測量EUT可能輻射的最大值，所以EUT應放在轉(zhuǎn)臺上（可360°旋轉(zhuǎn)）以便尋找EUT的最大騷擾輻射方向。臺式EUT離地面高度通常為0.8m，立式EUT則直接放置地面，接觸點與地面應絕緣。接收天線的高度應該在1～4m（如測試距離為3m或10m）或2～6m（如測試距離為30m）內(nèi)掃描，記錄最大輻射場強。EUT的輻射電磁波到達天線有兩條途徑，如圖2所示。一條是直達波，一條是通過地面的反射波，天線接收到的總場強為直達波和反射波的矢量和，即由于二條路徑長度不同，電磁波到達天線所需時間不同，因此和有一定相位差Δφ，總場強與Δφ有關。如果和同相，則兩者相加，總場強最大；如果和反相，則兩圖2 輻射電磁波的直達波和反射波 者相減，總場強最小。Δφ與天線高度有關，當接收天線在1～4m之間移動時，接收到的場強也以駐波方式變化，波峰和波谷間的高度差約為λ/2，因此可以保證在30MHz仍能找到最大場強。

 

由于騷擾場強的水平極化分量和垂直極化分量是不同的，所以測量時應把天線水平放置測水平極化分量，垂直放置測垂直極化分量。垂直放置時天線的最低端離地應大于25cm,以免影響天線的性能。整個測試系統(tǒng)是同軸傳輸系統(tǒng)，應該保持阻抗匹配，即天線的阻擾、同軸電纜的特性阻抗和干擾測量儀的輸入阻抗都應相等，一般為50Ω。阻抗不匹配將引起反射，從而影響讀數(shù)的準確性。目前自動化的EMI測試系統(tǒng)己普遍使用，測量儀、天線塔、轉(zhuǎn)臺都用GPIB（IEEE-488）接口連接，由計算機控制，進行自動測試、數(shù)據(jù)處理和報告生成。

 

(2) 騷擾測量儀

 

騷擾測量儀實際上是一臺超外差式選頻電壓表。騷擾波形通常是由很多頻率組成的，騷擾測量儀可用來測量這些頻率的電壓幅值。圖3是其電路方框圖。

 

其電路結(jié)構(gòu)類似于半導體收音機。測量時先將測量儀調(diào)諧，對準某個頻率fi。該頻率經(jīng)高頻衰減器和高頻放大器后進人混頻器，與本地振蕩器的頻率fl混頻，產(chǎn)生很多混頻信號。經(jīng)過中頻濾波器以后僅得到中頻f0＝fl－fi。中頻信號經(jīng)中頻衰減器、中頻放大器后，由包絡檢波器進行包絡檢波，濾去中頻得到其低頻包絡信號A（t）。A（t）再進一步進行加權(quán)檢波，加權(quán)可根據(jù)需要獲得A（t）的峰值（Peak）、有效值（rms）、平均值（Ave）或準峰值（QP），這些值經(jīng)低頻放大后可推動電表指示。測量前如果用校準信號發(fā)生器的信號進行預先校準， 則可以直接讀數(shù)。騷擾信號的讀數(shù)等效于正弦信號的有效植。

 

圖3：騷擾測量儀的電路框圖

 

由于很多騷擾都是脈沖性的，所以騷擾測量儀應能測量脈沖信號，這是它與一般電壓表的不同之處。設輸人信號是幅度為A、寬度為τ、周期為T的脈沖信號。由圖3可見其中頻信號波形[（b）點]為載波頻率為中頻f0的調(diào)幅信號，其包絡幅度為2AτGB，G為中頻放大器和以前各級電路的增益，B為中頻帶寬；包絡主瓣寬度為2/B，兩個主瓣之間間隔為T．包絡檢波器后的波形[（c）點]只不過是濾去中頻載波后的中頻包絡。由于包絡的寬度和幅度都與中頻帶寬B有關，因此測量儀的中頻帶寬一定要有統(tǒng)一的規(guī)定 否則對于同一脈沖信號，由于中頻帶寬不同，測量結(jié)果可能不同，這是與僅能測量正弦波的電壓表的一個不同之處。

對同一個脈沖輸人信號的中頻輸出波形進行不同形式的加權(quán)檢波，可能得到不同的值，一般包絡的峰值＞準峰值＞有效值＞平均值。騷擾測量中的發(fā)射限值（即標準允許的最大騷擾發(fā)射量）絕大多數(shù)都是以準峰值形式規(guī)定的，因為準峰值可以反映人耳或人眼對脈沖騷擾的響應，當脈沖很快上升時，人耳不能立即反應，當脈沖跌落后，人耳的感覺仍有滯留效應。加權(quán)檢波的形式是由檢波電路的充放電時間常數(shù)決定的，充電慢、放電快得到的加權(quán)值就越低，所以對準峰值的充放電時間也要有統(tǒng)一規(guī)定。這是與僅能測量正弦波的電壓表的又一個不同之處，因為對于正弦波輸人信號，其中頻輸出波形的包絡的峰值、準峰值、有效值、平均值都是相等的。

 

圖中（d）點的波形是準峰值加權(quán)波形，（e）點是電表讀數(shù)。由于電表具有一定的慣性（即電表機械時間常數(shù)）所以電表讀數(shù)將受一定影響，因此標準規(guī)定電表應處于臨界阻尼狀態(tài)，并具有確定的機械時間常數(shù)。雖然現(xiàn)在大多使用數(shù)字化電表，該指標仍然保留，只要在A/D變換器后加一個二階低通濾波器即可。

由于騷擾測量儀以測量脈沖信號為主，脈沖幅度往往很大，所以測量儀還應該具有較大的過載能力，以免把脈沖頂部削掉。

 

綜上所述，騷擾測量儀必須具有統(tǒng)一的中頻帶寬、檢波器充放電時間常數(shù)、電表機械時間常數(shù)和過載系數(shù)，這樣才能保證在測量同一脈沖信號時得到一致的結(jié)果。表2為GB/T6113.1規(guī)定的騷擾測量儀指標。其中各頻率段的范圍為：

 

A頻段——9～150kHz；

B頻段——0.15～30MHz；

C頻段——30～300MHz；

D頻段——300～1000MHz；

 

表2：騷擾測量儀的四大類指標

 

為了鑒別騷擾測量儀是否達到了表2規(guī)定的四大類指標，標準又進一步規(guī)定了騷擾測量儀的絕對脈沖特性和相對脈沖特性。所謂絕對脈沖特性指輸人規(guī)定的周期脈沖信號時騷擾測量儀的讀數(shù)應達到規(guī)定的值。絕對脈沖特性見表3。

 

表3：騷擾測量儀的絕對脈沖特性

 

表3的含義是：在A、B、C、D各頻段內(nèi)，分別輸入各自的標準周期脈沖，要求脈沖的幅度×寬度等于a（μVs），重復頻率為c（Hz），該周期脈沖的頻譜至少應該在b（MHz）以下是均勻的，脈沖信號發(fā)生器的源阻抗應和騷擾測量儀輸入阻抗相等。對于該輸人信號，騷擾測量儀在該頻段的任何頻率上的讀數(shù)都應該等于60dB（μV）。

 

所謂相對脈沖特性指輸人周期性脈沖信號時，脈沖的重復頻率越高，其讀數(shù)越高，重復頻率低，讀數(shù)低。當讀數(shù)不變時輸人脈沖的幅度和重復頻率的關系應符合表4的規(guī)定。

 

表4中各頻段的輸入脈沖的相對等效電平，以絕對脈沖特性中的該頻段的標準周期脈沖的幅值為基準（定義為0dB）。如果騷擾測量儀的絕對脈沖特性和相對脈沖特性都符合表3和表4的要求，則說明該騷擾測量儀的四大類指標基本符合表2的要求。

 

表4：騷擾測量儀的相對脈沖特性

 

騷擾測量儀除了具有準峰值測試功能外，一般還具有峰值和平均值測試功能，峰值檢波器的放電時間常數(shù)(TD)和充電時間常數(shù)（TC）的比值要遠遠大于準峰值檢波器，各項段的TD/TC值如表5所示。

 

表5：騷擾測量儀峰值測量時的指標

 

峰值測量時中頻帶是可以選擇的，其選擇范圍和優(yōu)選值如表5所示，在給出騷擾電平時應標明所選帶寬。對于非重疊騷擾，指中頻段輸出波形中的各個主瓣不重疊，見圖3中（b）點波形，由于峰值測量結(jié)果和帶寬成正比，所以測量結(jié)果也可用對于1MHz帶寬的歸一化值V1MHz (dBμＶ/MHz)來表示。

 

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

 

式中Bimp為脈沖帶寬,與6dB帶寬B6 的關系為Bimp =1.05 B6。Ｖ(dBμ)為使用Bimp帶寬時的峰值測量讀數(shù), 20lg 1MHz/Bimp為1MHz和Bimp的比值的對數(shù)。峰值測量所需的過載系數(shù)比峰值測量小的多，檢波器前電路的過載系數(shù)只需比1稍大些即可。

 

峰值測量時的絕對脈沖特性的含義和準峰值測量是相同的，只不過輸入的標準脈沖強度不同，標準規(guī)定為脈沖幅度×寬度=1.4/Bimp(mＶs), Bimp單位為Hz ,具體數(shù)值見表6。對于標準脈沖輸入,測量儀在該頻段上的任何頻率上的測量結(jié)果均應該等于60dB(μＶ)。

 

騷擾測量儀用于平均值測量時，帶寬的選擇同峰值測量方法。檢波器前電路對于脈沖重復頻率為fPR 的脈沖過載系數(shù)應該為Bimp/fPR，但是實際上當fPR很低時，接收機不可能提供足夠的過載系數(shù)。平均值測量時要求的絕對脈沖特性和峰值基本一樣,但各頻段的重復頻率不同，即輸入標準強度為1.4/Bimp(mＶ．s),重復頻率為Ａ頻段：25Hz;B頻段：500Hz;C和D頻段:5KHz。對于標準脈沖輸入,測量儀在該頻段上的任何頻率上的測量結(jié)果均應該等于60dB(μＶ)。

 

表6：峰值測量時的絕對脈沖特性

 

騷擾測量儀可以進行準峰值測量、峰值測量和平均值測量。當輸入信號是正弦波時，無論用何種方式測量，得到的讀數(shù)都是相同的，等于該正弦波的有效值，精度應優(yōu)于±2dB。但是如果輸入的是周期脈沖信號，則三種測量方法得到的讀數(shù)是不一樣的，其結(jié)果如表7所示。

 

表7：峰值、準峰值和平均值測量的結(jié)果比較

 

表中  E——正弦波的有效值；

δ——脈沖強度，等于脈沖幅度×脈沖寬度，單位：mＶS

Bimp——脈沖寬度；Bimp=1.05B6

fPR——脈沖重復頻率；

P(α)——準峰值檢波效率，與檢波器的充、放電時間常數(shù)、脈沖重復頻率和帶寬有關，P(α)≤1。

 

由表7可知，峰值測量結(jié)果≥準峰值測量結(jié)果。表6中列出了輸入標準脈沖，在標準寬帶情況下峰值與準峰值表頭指示之比值。表8列出了具有相同帶寬的準峰值和平均值表頭指示之比值，由表可知，準峰值≥平均值。對于規(guī)則的周期性脈沖可以根據(jù)表7來進行峰值、準峰值、平均值之間的轉(zhuǎn)換。但是一般騷擾都是隨機的，很難進行彼此間的換算，因此有些標準同時規(guī)定了發(fā)射測量的準峰值限值和平均值限值。

 

表8：在相同帶寬條件下準峰值和平均值表頭讀數(shù)之比值

 

在準峰值測量時，如想要在某個頻率點得到較穩(wěn)定的測量值，則測量時間應大于檢波器充放電時間和電表機械時間常數(shù)之和，并且測量不止一個周期，所以一般準峰值測量時間要求比較長。如果測量儀具有掃頻測量功能，則設置的掃描時間應符合表9的規(guī)定。在實際測量中，往往先用峰值進行全頻段測量，然后再對超過限值的頻率點進行峰值測量，這樣可以大大節(jié)省測量時間。

 

表9：最小掃頻時間

 

綜上所述騷擾測量儀由于規(guī)定了四大類指標和二個脈沖特性，所以可以測量脈沖信號和正弦信號，在測量正弦信號時無論采用哪一種檢波方式，結(jié)果都是一樣的。一般的電壓表（包括場強儀）僅能測量正弦波，不能測量脈沖信號。騷擾測量儀目前市場上有二種基本類型，一種是測量接收機類型，它是單頻點測量，靈敏度較高，自動化程度高的可以自動掃描各頻點。另一種是頻譜分析儀類型，可以顯示整個頻段，但靈敏度稍低些。但是無論什么類型的測量儀，只有符合GB/T6113.1規(guī)定的四大類指標和二個脈沖特性后才能進行EMI測量。

 

（3）測量用天線

 

圖4：EMI測量用的天線

 

(a) 雙錐天線 (b)對數(shù)周期天線 (c)混合寬帶天線 (d)喇叭天線 (e)對稱振子天線

 

天線用來接收騷擾電磁場，把場強轉(zhuǎn)變成電壓，騷擾測量儀測量的是轉(zhuǎn)變后的電壓值，所以測量儀的讀數(shù)只有加上天線系數(shù)后才能得到騷擾場強，如果連接天線和測量儀的同軸

電纜有損耗，則還應加上損耗值，即

 

騷擾場強[dB（μV／m）]＝測量儀讀數(shù)[dB（μV）]十天線系數(shù)（dB）＋電纜損耗（dB）

 

每部天線都有天線系數(shù)，該系數(shù)與頻率有關，曲線一般由天線制造商給出。電磁騷擾測量中

常用的天線為寬帶天線，便于自動化掃頻測量。一般用雙錐天線（30～300MHz）和對數(shù)周期天線（200～1000MHz），最近又推出把二種天線合二為一的寬帶天線（30～1000MHz）。在測量1GHz以上的頻率時常用喇叭天線，喇叭天線具有很強的方向性。有時EMI測量也用對稱振子天線，其長度應該等于被測頻率的半波長，由于改變測量頻率時需同時改變振子長度，所以這種天線不適合進行自動化掃頻測量。以上這些天線的形狀見圖4。

 

1.1.1.2 1GHz～18GHz頻率段的輻射發(fā)射測試

 

1GHz～18GHz頻率段的輻射發(fā)射測試一般使用全電波暗室，現(xiàn)以工科醫(yī)（ISM）設備為例說明。由于試驗場地是自由空間，只有直達波，沒有反射波，所以接收天線可以設置在與EUT同一高度上，不必上下移動。但是轉(zhuǎn)臺仍需360度轉(zhuǎn)動，以獲得最大值。測試距離為3米。天線應采用小口徑定向天線，水平和垂直二種狀態(tài)都要測試。測量采用頻譜分析儀，因為工科醫(yī)（ISM）設備在運行期間工作頻率可能會有明顯變化，所以采用全景分析比較適宜。頻譜分析儀應設在最大保持方式和對數(shù)dB顯示方式。測量結(jié)果用電場強度的峰值或平均值表示（不用準峰值）。峰值測量時采用1MHz的分辨率帶寬和視頻帶寬，平均值測量時仍采用1MHz的分辨率帶寬，但是視頻帶寬應大大縮小至10Hz，相當于加入一個低通濾波器。

 

1.1.1.3 30MHz～18GHz頻率段的輻射發(fā)射替代法測試

 

輻射發(fā)射測試時,測量天線接收到的騷擾強場包括兩個部分,一部分是EUT內(nèi)部的導線和電路直接通過機箱殼體的縫隙向外的輻射,稱殼體輻射，另一部分是由外接電纜引出的共模電流輻射。替代法測試的目的是僅僅測試EUT的殼體輻射,所以要求拆除所有可以拆卸的電纜,不能拆卸的電纜上要加鐵氧體磁環(huán),并放在不會影響測量結(jié)果的位置上。

 

圖7所示為替代法測試的方法和布置。首先用半波振子天線A和測量接收機測量出EUT的最大騷擾值，然后用半波振子天線B替代EUT。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出功率，直至測量接收機達到同樣的值。記錄替代天線B的輸入端功率，即為EUT的殼體輻射功率。

 

由于采用替代法，所以對試驗場地的要求比較寬松,只要求替代天線B在各方向上移動±10cm，測量值變化不超過±1.5dB既可。合格的開闊場地、半波暗室和全電波暗室都符合上述要求，都可以進行替代法測試。

 

測試天線A的高度h應和EUT中心的高度相同，只要求h>1m，測試天線A也不需上下移動。但要求EUT在常規(guī)放置位置和90o翻轉(zhuǎn)位置上分別旋轉(zhuǎn)翻360o，以便尋找EUT的最大騷擾值。

 

測試距離d雖然沒有明確要求，但最好還應符合遠場條件。d的起始點為EUT的幾何中心，終止點為測量天線A的天線中心。替代試驗和校準試驗時，替代天線B應置于EUT 的幾何中心。

 

對天線的要求：在30MHz～1GHz頻段，測量天線A可采用半波振子天線，也可采用寬帶天線，但替代天線B則必須用半波振子天線。1GHz～8GHz 都用線性極化的喇叭天線。

 

替代法的校準很重要。一般水平極化和垂直極化狀態(tài)都要進行校準。校準時發(fā)射天線B與測量天線A平行放置，對于每個頻率點，都要記錄發(fā)射天線的輸入功率和測量接收機的接收電壓的關系曲線，找出校準系數(shù)K（f）。以后測試時就可以直接將測到的最大騷擾電壓加入校準系數(shù)K（f）后得到殼體輻射功率，不必再做替代試驗。

 

圖7：輻射發(fā)射的替代法測試

 

1.1.1.4 9KHz～30MHz頻率段的磁場輻射發(fā)射測試

 

9KHz～30KHz頻段用環(huán)型天線測量EUT輻射的磁場分量。測量方法有兩種：一種是大環(huán)天線（LLA）法，見圖8；一種是遠天線法。采用何種方法主要是由EUT的尺寸決定的，例如對于工科醫(yī)（ISM）設備，國標GB4824規(guī)定，直徑為2m的LLA可測量的最大設備其對角線尺寸不應超過1.6m。大環(huán)天線法比較好，因為EUT的三個正交磁偶極距的磁場分量都可以測量，三個環(huán)上都有電流探頭，測量結(jié)果用大環(huán)上的磁感應電流dB(μA)表示。大環(huán)的標準直徑為2m，也可用1、1.5、3和4m直徑的大環(huán)，但結(jié)果都應轉(zhuǎn)換到2m大環(huán)上，以便和標準規(guī)定的限值比較。大環(huán)天線（LLA）測量系統(tǒng)應使用規(guī)定的標準天線進行校準，所以大環(huán)法也可以視做某種替代法，即EUT的磁場輻射強度等效于標準天線的輻射強度。如果EUT太大無法使用LLA法，則應采用遠天線法。例如國標GB4824規(guī)定，尺寸超過1.6m的家用感應炊具的輻射磁場測量，使用直徑0.6m的單小環(huán)天線，測量距離3m。單小環(huán)天線垂直地面放置，最低部高于地面1m（典型值），所以測量得到的是環(huán)天線處的磁場的水平分量，但是由于測量處于近場條件，地面又有反射，所以測量所得的值仍然反映了EUT的水平和垂直偶極距的情況。

 

圖8：大環(huán)天線（LLA）法測量EUT輻射的磁場分量