使用探头定位近场EMI故障点(第3部分)

        在本系列的前两篇文章中，我们讨论了RTO示波器进行EMI排查所能够提供的各项功能。在这篇文章中，让我们看下使用近场探头检测EMI干扰的通用准则。在研发后期进行的一致性测试所采用的远场测试并不能够在问题根源定位中提供多少帮助，这使得工程师面对问题电路无从下手。因此，定位和确定EMI问题根源的能力始终是排查任何EMI问题的重中之重。
近场探头，又称嗅探探头，已经被广泛地用于辐射源的识别中。它们在探测中起到天线的作用，能够检测到从被测件中辐射出来的近场的电场或磁场骚扰信号。这有助于工程师缩小排查范围，并尽可能地聚焦在骚扰泄露点处。在这种情况下，精度或与远场测试结果的相关性就显得不是那么重要。


图1：通过在问题电路附近探查扫描，你可以很容易地观察到当探头靠近辐射泄露点时在频域上出现的频谱尖峰

近场测试能够展现出当前情况下是何种类型的电磁场占主导以及骚扰源辐射出来的场强，尽管这只是相对的结果。一般来说，越接近源头，所探测到的场强会越大。这就给排查的着手点提供了一个很好的指引。现在我们来讨论下使用近场探头检测EMI问题的一般方法。
用好你的模拟前端
通常通过探头耦合进来的辐射骚扰都很微弱，需要使用小到mV级别的档位进行测量。因此你的示波器拥有一个高灵敏度和高动态范围的模拟前端就显得尤为重要。记得随时调整你示波器的垂直档位，让你的波形尽可能充满屏幕。这样才能够保证在进行信号捕获时，能用满ADC的量程，避免出现削波的现象。
一般情况下，垂直档位的设置是先从能够检测到微弱信号的低档位开始(如1mV/格~4mV/格)，然后根据信号的特点调整到一个更高的档位。这时同样需要确保设备能够在如此之高的灵敏度下，捕获所需带宽的信号。

【系列文章】

示波器可用于电磁干扰(EMI)排查？真的吗？(第1部分)
示波器可用于电磁干扰(EMI)排查？仍然不够确定？(第2部分)
示波器可用于EMI排查吗？设置并进入捕获状态(第4部分)
示波器可用于EMI排查吗？使用多个FFT(第5部分)
EMI排查：预一致性的重要性(第6部分)


       
近场宽带探查
通过在所有的电路元件、走线和连接器上进行宽带扫描探查，获得在感兴趣频跨内辐射骚扰的简要分布概览对于排查很有必要。在传统的测试接收机中，骚扰功率只在一段有限的带宽范围内进行量测。这使得观察的范围十分有限，因为该源可能产生并辐射出更高频率成分的骚扰。例如，带有RF模块的嵌入式电路板，可以在GHz的频段上对其他的部件产生干扰。


图2：在窄带范围内做进一步分析定位前，了解整个感兴趣的带宽范围内辐射骚扰的分布很必要

因此，在一个宽带的范围内用一个更高的频跨来了解被测件的整体辐射情况是一个很好的做法。高性能的示波器，如R&S的RTO示波器，能够在GHz级别的采集带宽内深入了解来自被测件各个模组在宽频跨范围内的频谱泄露。


图3：信号走线产生的磁场和电场分布

先从大的环状探头开始
环状探头对磁场辐射提供不同的灵敏度。环状探头前端环的直径越大，探头的灵敏度就越高。从较大的环状探头开始来获得对于辐射泄露位置分布的总体情况，接着可以切换成更小的环状探头来提供更精细的灵敏度。越小的环状探头能够提供更佳的空间分辨率，在关注的频段内定位辐射源。

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使用磁场和电场探头
在任何电路板上，很少存在纯粹的电场或纯粹的磁场辐射。分别使用两种探头来了解骚扰的本质并确定导致该问题的根本原因对于排查十分重要。一般情况下，磁场泄露是由于PCB走线、线缆等导致的，而电场泄露则是由相邻走线和信号平面之间的电压差造成的。不同的信号路径设计将会导致不同区域内不同类型的场占主要优势。因此具备同时观测两个方面场的分析功能能够在测量分析过程中带来更多的灵活性。


图4：磁场探头（左）和电场探头（右）在进行信号捕获时的行为

近场扫描方式
小步进或着近场探头的微小重定位可能会影响场强读数，从而增加重复测量比对的困难度，特别是当辐射强度相对基底噪声只有几个dB的差异时。探头支架或夹具能够在测试过程中提供一个稳定的位置。这对于保持探头的距离和稳定探头方向，从而尽量减小测量中的变化，是非常有必要的。

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观察随机和杂散信号
进行近场信号观测时，EMI的辐射往往是随机的。当探头在被测件上面移动时，它能够以一个非常短的间隔进行信号的拾取，而且可以一致地进行复现。最大保持功能被证明在这种复杂的观测情况下是十分有用的。
峰值检测和包络模式下的最大保持功能能够帮助工程师捕获并且保持住所检测到信号的最大峰值，从而在被测件不同模块间进行信号测量排查时提供一个快速的视觉参考。如果创建一个模板来模拟标准的限制线，你还可以设置示波器在信号触碰到模板时进行报警声提示或者停止捕获。这一功能对于当你盯着被测件，并在上面来回移动近场探头进行探查时十分有用，因为此时你的注意力是保持在电路板上而非仪器屏幕。


图5：一些示波器在包络模式下带有类似于频谱仪最大保持的功能，此时测试中频谱波形的最大最小值都会被描绘出来。你也可以创建一个模板(上图中的灰色部分)来模拟标准的测试限制线。

在近场EMI调试测试中，总会有一些新的想法和权衡方法来减轻排查工作。设立任何近场测量时，可以使用上面的指南作为参考。在随后的文章中，我们将通过几个案例来详细讨论如何使用示波器的各种功能进行EMI的排查应用。
Alvin Ding
罗德与施瓦茨公司
业务发展部
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