电子产品电磁兼容测试之三：EMC测试所需基本仪器之要求及其配置

在前节所述EMC测试场地执行EMI/EMS测试时，所需基本仪器之要求及其配置，随着不同频率范围中之测试项目而有所差异，图划出典型EMI/EMS测试组合示意图，其中测试所需不同仪器之基本配置则如下列说明。

图1 场强均匀度校正测试示意图


图2 典型EMI/EMS测试示意图

1. 隔离室屏蔽效益(Shielding Effectiveness，SE)测试所需仪器之基本配置参考IEEE-299-1997和MIL-STD-285等测试屏蔽室屏蔽效益之标准，在不同频率范围内将屏蔽室屏蔽效益分为磁场屏蔽(低阻抗场)，电场屏蔽(高阻抗场)平面波电磁场屏蔽和微波屏蔽，其测试仪器之基本配置为：频谱分析仪或EMI测试接收机、场强监视系统、各类信号产生器、功率放大器、各类衰减器、定向耦合器及各类发射、接收天线(棒状天线、环路天线、对数螺旋天线、喇叭天线等)及输出变压器。

2. 电磁干扰EMI测试所需仪器之基本配置需求  

由于使用测试仪器时也会产生一定电磁干扰，为了保证测试之准确性，CISPR16要求测试仪器之干扰量至少比待测装置干扰电压或电流小20dB，且比允许之干扰量小40dB。测试仪器精确度要求为：电压测试时误差不超过正负2dB，场强测试时误差不超过正负3dB。测试仪器之屏蔽效益至少要有60dB，测试仪器接入测试系统后，既不应改变被测电子电机设备之工作状态，也不应对被测干援源有分压分流效应，测试仪器本身之干扰耐受性应远低于可能受到之干扰量。

常用之电磁干扰EMI(含RE及CE)测试仪器配置有： 

• EMI自动测试控制系统(电脑及其介面单元) 

• EMI测试接收机(或频谱分析仪) 

• 各式天线(主动、被动棒状天线、大小形状环路天线、功率双锥天线、对数螺旋天线、喇叭天线)及天线控制单元等 

• 电流注入感应器(Current Probe)、电压感应器、隔离变压器 

• 电源阻抗模拟网路(Line Impedance Stabilization Network，LISN)贯穿电容，储存式示波器，各型滤波器、定向耦合器等 

3.电磁耐受性(EMS)测试仪器之基本配备需求常用之电磁耐受性EMS(含RS及CS)测试仪器之基本配置需求有： 

• EMS自动测试控制系统(电脑及其介面单元)  • EMI测试接收机(或频谱分析仪)  • 各式发射、接收天线 

• 信号产生器2功率放大器、场强监视系统

• 储存式示波器，注入隔离变压器，各型滤波器、定向耦合器 

• 电源阻抗模拟网路，射频抑制滤波器，光纤数据传输系统 

4.简介常用之EMC测试重点仪器和设备电磁相容性测试除了通用测试仪器外，还需许多特殊仪器和设备，下面将简介一些电流感应器、电源阻抗模拟网路、EMI测试接收机、频谱分析仪、各式发射接收天线、平行板线、及TEM/GTEM Cell等横向电磁波测试室等主要仪器设备之工作原理和使用特点。

电流感应器

电流感应器是引用荷尔效应(Hall effect)，从流动导线之电流穿过电流感应器产生磁场，执行CE101/CE102等传导干扰测试时，利用电流感应器来感应侦测导线所溢放射出之杂讯。

电源阻抗模拟网路(LISN)

电源阻抗模拟网路是一种耦合电路，主要用来提供干净之DC/AC电源品质，阻挡待测件杂讯回馈至电源及RF耦合，内部电路架构与阻抗特性曲线详如图。早期军规传导干扰测试是以10厉贯穿电容为主，电源阻抗模拟网路(LISN) 为辅，1993年以来，军规MIL-STD-462D要求改以LISN为主，所用导电桌或木桌上接地平面(Ground Plane)皆配备LISN作测试，而CISPR标准要求所用木桌上也配置LISN作测试。

EMI测试接收机

图3 LISN等效电路及阻抗特性曲线

EMI测试接收机是EMC试验中最常用之基本测试仪器，EMI测试接收机实际上是含高频选频放大之超外差接收机，其灵敏度可通过输入回路之可调衰减器来调变，由于测试信号输入常常是极宽之频谱信号，运用可调谐高频选择器对输入信号进行预选，可以改善混频器之工作状况，中频放大器和中频选择器用来确定仪器之通行频带，并对讯号进行功率放大。基于测试接收机之频率响应特性要求，按CISPR16规定，测试接收机应有四种基本检波方式：准峰值检波、均方根值检波、峰值检波及平均值检波。然而，大多数电磁干扰都是脉冲干扰，它们对音频影响之客观效果是随着重复频率之增高而增大，具有特定时间常数之准峰值检波器之输出特性，可以近似反应这种影响。因此在无线广播频率领域，CISPR所推荐之电磁相容性规范采用准峰值检波。由于准峰值检波既要利用干扰讯号之幅度，又要反映它之时间分布，因此其充电时间常数比峰值检波器大，而放电时间常数比峰值检波器小，对不同频谱段应有不同之充放电时间常数，这两种检波方式主要用于脉冲干扰测试。瞬间变化及重复频率很低之脉冲干扰源已成为主流，使用准峰值检波器已不能客观评估此类干扰之特性，军用测试EMC对于单一脉冲或重复频率很低之脉冲进行检测，常用峰值检波，由于峰值检波是要测试出干扰讯号振幅之最大值，故它只取决于讯号之幅度而与时间无关，其充电放电时间常数比值 TC/TD 要足够小，通常TC/TD为几百分之一。平均值检波主要用来测试窄频之连续波、调谐波干扰，其充放电时间常数比值TC/TD为1。

若是干扰经常由许多独立之脉冲源产生，而往往是随机的，则最好使用均方根检波器。选用检波器取决于被测受干扰源之性质以及所受保护之对象，对于同一干扰杂讯用不同检波器测得之值是不同，而各种检波器对脉冲干扰之相对响应也是不同。但将测试数据通过转换后，仍可得出一致之结果，有些接收机只有峰值或准峰值检波器，此时只需通过准峰值或峰值转换器转换，就能满足不同之测试要求。

频谱分析仪

频谱分析仪之检波器为峰值检波，因而满足军用EMC测试要求，但不符合欧美EMC商用及CNS13430系列标准规定之极限值测试。为此必须在输入端配备预选器(Preselector)以防止混频器饱和，改善频谱分析仪之S/N比，提高灵敏度，并且在中频输出端配备准峰值转换器或检波器。则系统灵敏度、动态范围也提高，就可以满足军规EMC测试及CISPR标准测试。

EMI测试接收机与频谱分析仪两类设备各有优缺点：测试接收机之优点有测试准确度高、动态范围大、频率分辨率高、灵敏度高、互调干扰小及有四种基本检波方式；缺点就是不能像频谱仪分析仪在很宽之频率范围内展开观察，而对被测讯号无法快速进行频谱分析和振幅测试。频谱分析仪之优点是能在很宽广之频率范围内观察而迅速地对被测讯号进行频谱分析和振幅测试、测试设备相对简单及测试比较方便；缺点就是测试准确度相对差一些、频率分辨率较低、互调干扰大、选择性较差及只有单一峰值检波方式。

EMC测试用天线

图5 平行板天线及测试组合

电磁相容性测试频率范围从几10Hz到几10GHz，在这么宽之频率范围内作电磁干扰及电磁耐受性测试，所用天线种类繁多，且必须借助各种探测天线把被测场强转换成电压。电磁相容性试验中各频段优先使用之天线，包括在150Hz～30MHz采用棒状与环路天线，30MHz～300MHz采用偶极与双锥天线，300MHz～1GHz采用偶极、对数周期及对数螺旋天线，1GHz～40GHz采用喇叭天线，这些天线之相关参数与理论可参考制造厂商提供天线出厂之资料。电磁相容性测试用天线具有下列特点：广泛的应用到宽频带天线，为了提高测试速度，不得不采用宽频带天线，除非只对少数已知之干扰频率点进行测试。宽频频带天线在出厂前提供校正曲线，使用时需输入此天线因素。天线增益不高，方向性不甚明显。不少试验用天线都工作在近场区，测试结果对测试距离很敏感，为此试验中必须严格按试验规定进行。其次，在近场区电场、磁场之比(波阻抗)不再是个常数，所以有些天线虽然给了电场、磁场之校正系数，但只有当这些天线作远场测试时才有效，测试近场干扰时，电场与磁场测试结果不能再按此换算，这是在试验中容易忽略之问题。天线之场强测试动态范围较宽，应根据测试对象正确选用，电磁相容性试验之场强相差很大，对强大场强虽然可用衰减器扩大天线量测范围，但应以不损坏天线转换器为前提。收、发天线有时是不能互易，如同为双锥天线，收、发用天线有区别，收、发环路天线也不同，使用时不能互换。

平行板天线

车辆零组件执行电磁场辐射耐受性试验(ISO 11452-6)时，需要均匀横电磁波之测量环境。利用平行板线，在其一端接相应之讯号产生器与功率放大器，另一端接匹配负载，可在两平行板间产生横电磁波之行波状态(详见图󰀀)。当两板间距为d，所加电压为V时，平行板之电场强度E为 E = V / d （２）
平行板线之工作频率与终端负载之匹配情况有关，而且与平行板之间之距离d成反比，距离越大，上限工作频率越低。随频率上升，传输讯号之 /4送到平皮间距d时，平行板在其开放之侧面将产生强烈辐射，以致于影响周围其它测试设备之工作，甚至危害试验人员之健康。

因此，当其内部电场较强时，应将其放在电磁隔离室内，或在其开放之侧面布置适当之可移动吸波材料墙。当频率进一步提高时，板间将出现高次模，使板间电磁场发生畸变，一般把出现高次模之频率定为平行板线之上限频率。当待测件置于平行板时，原来之均匀电场将发生畸变，为此通常规定待测件之体积应小于两板中间体积之1/3。与一般采用辐射天线对待测件进行电场辐射耐受性试验相比，平行板线有下列优点：可在宽频段范围内产生平面波场；所有能量集中在平行板间，因而电磁能量利用率高，不需很大瓦特数之功率讯号放大器就可在板间产生高于25V/m之场强(车辆零组件规格)；平行板线之造价与其它产生场强，用以进行电磁耐受性试验之方法和装置相比，成本较低。其主要缺点是：仅适用于如车辆零组件等小型设备之试验，对周围之辐射较为严重，影响监测仪器之功能及操作人员之健康。这些缺点限制了应用，从1980年以来，平行板线已逐渐被横电磁波室所取代，但在电磁脉冲(EMP)研究中，仍将其作为场强模拟装置。

横电磁波室 (TEM/GTWM CELL)

横电磁波(Transverse Electro Magnetic，TEM)室是利用传输线原理，由同轴线演变而来，一种内部能传输均匀横电磁波之长方形测试室。它是电子电机设备电场辐射耐受性试验之理想装置，除了可进行射频连续波耐受性，脉冲波耐受性试验外，还可用于测试电子电机设备所产生之辐射干扰，及作为对各种近场测试探夹(如电流注入感应器、电压感应器、场强感应器等)进行校正用之标准场源装置。图󰀀为横电磁波室之示意图，如图所示，横电磁波室由矩形外导体和平板中心接地导电板所构成，两端通过四面尖锥过渡区与精密50咫冷型同轴连接器连接，接地导电板用绝缘支架固定，将横电磁波室分成两部分。待测件之供电系统通过电源滤波器进入，长方形横电磁波室之优点是腔体内之场强比较均匀，而正方形横电磁波室之优点是在相同可用空间条件下，工作频率范围较宽，所需用料省，体积较小。与平行板线相类似，待测件在横电磁波室占有之空间一般不超过接地导电板到底板间距的三分之一和前后壁板间距的三分之一，横电磁波室之工作频率与终端负载之匹配情况有关，上限频率依赖于接地导电板到上下底板间距之尺寸，而且与接地导电板到底板间距d成反比，距离越大，上限工作频率越低。为了使横电磁波室之工作频率提高到1GHz范围，于是GTEM(Gigahertz TEM)横电磁波室因应而生，它之外型是斜面角锥状，详加说明如图，待测件放置方式与TEM横电磁波室类似，如图所示，有各种不同之终端负载，因为工作频率与终端负载之匹配情况有关，目前欧美EMC商规已经广泛应用GTEM横电磁波室来执行辐射发射与辐射耐受性测试。

图6 GTEM 横电波测试室