各式各樣之三C整合系統(tǒng)設(shè)備帶給人類生活無(wú)限方便利益,卻也造成復(fù)雜電磁雜訊環(huán)境。四十年前歐體IEC/CISPR等委員會(huì)之電磁相容性(ElectroMagneticCompatibility, EMC)研究小組有鑒于此電磁雜訊環(huán)境趨勢(shì)，發(fā)出 89/336/EECEMC 指令(及后續(xù)修訂版92/31/EEC，93/68/EEC)，說(shuō)明電子電機(jī)設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品必須符合輻射干擾與傳導(dǎo)干擾發(fā)射規(guī)格外，同時(shí)陸續(xù)增訂輻射耐受性與傳導(dǎo)耐受性規(guī)格，要求1996年元旦起強(qiáng)制實(shí)施，國(guó)內(nèi)各類電子電機(jī)產(chǎn)品廠商為強(qiáng)化所生產(chǎn)產(chǎn)品符合內(nèi)外銷相關(guān)EMC指令，促使EMC測(cè)試場(chǎng)地快速成長(zhǎng)，較大規(guī)模之資訊廠都趨向自行籌建EMI(ElectroMagnetic Interference)除錯(cuò)場(chǎng)地，加速產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)達(dá)到外銷各國(guó)相關(guān)EMC需求。然而為了驗(yàn)證電子電機(jī)設(shè)備電磁相容性設(shè)計(jì)是否良好，就必須在研發(fā)之整個(gè)過(guò)程中，對(duì)各種電磁干擾源之發(fā)射雜訊、傳輸特性及受干擾設(shè)備能否負(fù)荷耐受性測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)備是否符合相關(guān)電磁相容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；找出設(shè)備設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過(guò)程中，在電磁相容性方面之盲點(diǎn)。在客戶安裝和使用設(shè)備時(shí)，提供了既真實(shí)又有效之?dāng)?shù)據(jù)，因此，電磁相容性測(cè)試是電磁相容性設(shè)計(jì)所不可或缺之重要環(huán)節(jié)。本文將針對(duì)EMC測(cè)試*新之軍規(guī)、商規(guī)、車輛規(guī)范等作一比較分析測(cè)試方法差異及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。
表一
常見(jiàn)美軍軍規(guī),歐美商規(guī)及車輛用電磁干擾(EMI)測(cè)試項(xiàng)目摘要比較表二
常見(jiàn)美軍軍規(guī),歐美商規(guī)及車輛用磁用耐受性(EMS)測(cè)試項(xiàng)目摘要比較電磁相容性測(cè)試范圍與所采用之標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
依據(jù)相應(yīng)之電磁相容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，電磁干擾(EMI)及電磁耐受性測(cè)試(EMS)在不同頻率范圍內(nèi)，采用不同之方式進(jìn)行。基于任意電子電機(jī)設(shè)備既可能是一個(gè)干擾源，也可能是**擾者。因而，電磁相容性測(cè)試包含電磁干擾測(cè)試(EMI)及電磁耐受性測(cè)試(EMS)。由于電磁相容性測(cè)試種類太多，實(shí)在無(wú)法逐一詳細(xì)說(shuō)明，本文就表１及表２摘要列舉了幾個(gè)典型EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范(含常見(jiàn)美軍軍規(guī)、歐美商規(guī)及車輛用EMC標(biāo)準(zhǔn))，在不同頻率范圍中之測(cè)試項(xiàng)目，從軍規(guī)EMC標(biāo)準(zhǔn)之演變，就可觀察到歐美商規(guī)EMC標(biāo)準(zhǔn)之趨勢(shì)。近年來(lái)，車輛工業(yè)界面對(duì)二十一世紀(jì)車輛設(shè)計(jì)新穎要求，紛紛成立車輛研發(fā)中心，由于國(guó)內(nèi)主要汽車制造廠均需符合相關(guān)車輛用EMC標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此更需了解比較車輛EMC設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證之方法。
此二表中CE表示可以傳導(dǎo)發(fā)射(ConductedEmission)，CS表示傳導(dǎo)耐受性(Conductedusceptibility)，RE表示輻射發(fā)射(RadiatedEmission)，RS表示輻射耐受性(RadiatedSusceptibility)。一般電磁干擾(EMI，包括CE及RE)測(cè)試主要內(nèi)容有?電子電機(jī)產(chǎn)品和設(shè)備在各種電磁雜訊環(huán)境中之傳導(dǎo)干擾和輻射干擾發(fā)射量之測(cè)試(例如電子電機(jī)設(shè)備之交換式電源之脈沖干擾和連續(xù)干擾)及各種訊號(hào)傳輸時(shí)，干擾傳遞特性之測(cè)試(例如如各種傳輸線之傳輸特性和屏蔽效果)。
而電磁耐受性(EMS，包括CS及RS)測(cè)試主要內(nèi)容則有?
1.對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)之輻射耐受性測(cè)試
2.對(duì)電源線、控制線、訊號(hào)線、地線等注入干擾之傳導(dǎo)耐受性測(cè)試
3.對(duì)靜電放電和各種暫態(tài)電磁波(突波或電性快速暫態(tài))之耐受性測(cè)試
EMC測(cè)試場(chǎng)地之一般要求?
如何有效地量測(cè)出實(shí)際待測(cè)產(chǎn)品設(shè)備溢出之雜訊，與產(chǎn)生類似EMI之干擾源，用來(lái)驗(yàn)證待測(cè)產(chǎn)品設(shè)備之電磁耐受性，都是EMC工程人員所必須掌握。因此，為了模擬復(fù)雜電磁雜訊環(huán)境及保證EMC測(cè)試結(jié)果之重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠性，EMC測(cè)試對(duì)環(huán)境有較高之需求，測(cè)試場(chǎng)地可分為隔離室(包含 TEM/GTEMCell等積向電磁波EMC測(cè)試室)、電波暗室和室外開(kāi)放測(cè)試區(qū)之場(chǎng)地(open AreaTest Site，OATS)等。這些EMC測(cè)試場(chǎng)地之功能、建材和限制條件簡(jiǎn)述如下
?就隔離室而言，隔離室之作法一方面是對(duì)外來(lái)電子電機(jī)干擾加以屏蔽，從而保證室內(nèi)電磁雜訊環(huán)境滿足要求，另一方面是對(duì)內(nèi)部如天線等發(fā)射源進(jìn)行屏蔽而不對(duì)外界造成干擾。
MIL-STD-461及其它相關(guān)電磁相容性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，許多測(cè)試項(xiàng)目必須在隔離室內(nèi)進(jìn)行，隔離室為一個(gè)由金屬材料做成之六面體，其建材形式為鍍鋅鋼板式、銅網(wǎng)式、多層復(fù)合金板式等等不勝枚舉。影響隔離室性能之主要原因有?屏蔽門(mén)、屏蔽材料、電源濾波器、通風(fēng)波導(dǎo)、安裝及焊接接縫、接地等。從屏蔽效益來(lái)看，鋼板式*好，在10kHz至18GHz頻率范圍，可滿足屏蔽效益80~120dB之要求。在使用隔離室進(jìn)行電磁相容性測(cè)試時(shí)，要注意隔離室之共振及反射。根據(jù)電磁理論，隔離室是一個(gè)很大之方形波導(dǎo)共振腔，具有一系列之電磁共振頻率，當(dāng)隔離室發(fā)生共振時(shí)，將會(huì)影響屏蔽效益及測(cè)試結(jié)果，隔離室基本共振頻率公式為：式中ｆ為共振頻率(MHz)，a，b，c為隔離室之長(zhǎng)、寬、高度(公尺)；m，n，p為０及正整數(shù)，三者中*多只能一個(gè)為零，對(duì)于TE波m不能為零，舉例來(lái)說(shuō)，商規(guī)長(zhǎng)、寬、高9*6*6立方公尺之隔離室基本TE101波之共振頻率約為30MHz。由式(1)可見(jiàn)，隔離室有許多個(gè)共振頻率，當(dāng)隔離室共振時(shí)，其屏蔽效益大幅下降，并且會(huì)造成很大之測(cè)試誤差，因此在進(jìn)行EMC測(cè)試時(shí)應(yīng)避免這些共振頻率。天線等發(fā)射源將會(huì)在隔離室壁面上產(chǎn)生多重反射，從而影響測(cè)試結(jié)果，往往誤差大到30～40dB，為此在條件許可之各種狀況下，在體積較大之隔離室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)使待測(cè)件在保證入射為平面波之前提下，縮短待測(cè)件與接收天線之距離，對(duì)于*近之反射路徑，針對(duì)反射點(diǎn)局部加貼吸波材料，可以減少反射波。
就電波暗室(全電波暗室或半電波暗室)而言，全電波暗室是針對(duì)一般隔離室各內(nèi)壁面反射，將會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，因而在六個(gè)壁面上，加裝吸波材料而形成之隔離室(為了模擬室外開(kāi)放測(cè)試區(qū)之場(chǎng)地測(cè)試，接地地板上不貼吸波材料之電波暗室稱為半電波暗室)。吸波材料一般采用介質(zhì)損耗型(如聚氨脂類之泡沫塑料，亞鐵磁磚等)，為了確保其耐燃燒特性需在碳酸溶液中滲透，吸波材料通常作成圓錐狀、棱角錐狀及方楔形狀，以保持連續(xù)漸變之焦耳阻抗。軍規(guī)MIL-STD-462D對(duì)吸波材料之*小吸收量有所規(guī)定，即頻率80MHz～250MHz至少6dB，頻率大于250MHz則至少10dB以上。而為了保證內(nèi)部測(cè)試場(chǎng)之均勻，吸波體之長(zhǎng)度相對(duì)于隔離室工作頻率下限，所對(duì)應(yīng)之波長(zhǎng)要足夠長(zhǎng)(1/4波長(zhǎng)效果較好)，吸波體之體積也會(huì)限制吸波材料之有效工作頻率(一般在30MHz以上)減小了隔離室之有效空間，電波暗室之屏蔽效益要求與隔離室相同。此外，商規(guī)EMC測(cè)試對(duì)電波暗室之場(chǎng)地衰減 (SiteAttenuation，SA)規(guī)定NSA(Normalized SA)要在理論值±4dB之范圍；對(duì)電波暗室內(nèi)部測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)之均勻度，則要求執(zhí)行16點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)之均勻度校正試驗(yàn)，此試驗(yàn)之測(cè)試方法詳加說(shuō)明如圖，發(fā)射天線與待測(cè)場(chǎng)強(qiáng)之均勻面(1.5m×1.5m)相距3公尺，16點(diǎn)均勻面正方形(4點(diǎn)×4點(diǎn)，點(diǎn)距0.5m)場(chǎng)強(qiáng)之均勻度，至少要求其中12點(diǎn) (75%)要符合規(guī)格需求，這種測(cè)試方法與1993年版之軍規(guī)MIL-STD-462D要求相當(dāng)就室外開(kāi)放測(cè)試區(qū)之場(chǎng)地(OATS)而言，開(kāi)放測(cè)試區(qū)之場(chǎng)地通常用于**測(cè)量待測(cè)件之發(fā)射極限值，OATS要求平坦開(kāi)闊，遠(yuǎn)離建筑標(biāo)地、塔臺(tái)、電線、樹(shù)林、地下電纜和金屬管道，環(huán)境電磁干擾背景要很小(如一般電磁相容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求至少低于允許之極限值6dB)，接地地板可為鋼板或其他低阻金屬結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地尺寸在不同之EMC標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求不盡相同?！?/span>
EMC測(cè)試所需基本儀器之要求及其配備
在前節(jié)所述EMC測(cè)試場(chǎng)地執(zhí)行EMI/EMS測(cè)試時(shí)，所需基本儀器之要求及其配備，隨著不同頻率范圍中之測(cè)試項(xiàng)目而有所差異，圖劃出典型EMI/EMS測(cè)試組合示意架構(gòu)，其中測(cè)試所需不同儀器之基本配備則如下列說(shuō)明。
1、隔離室屏蔽效益(ShieldingEffectiveness，SE)測(cè)試所需儀器之基本配備參考IEEE-299-1997和MIL-STD-285等測(cè)試隔離室屏蔽效益之標(biāo)準(zhǔn)，在不同頻率范圍內(nèi)將隔離室屏蔽效益分為磁場(chǎng)屏蔽(低阻抗場(chǎng))，電場(chǎng)屏蔽(高阻抗場(chǎng))平面波電磁場(chǎng)屏蔽和微波屏蔽，其測(cè)試儀器之基本配備為?頻譜分析儀或EMI測(cè)試接收機(jī)、場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視系統(tǒng)、各類訊號(hào)產(chǎn)生器、功率放大器、各類衰減器、定向耦合器及各類發(fā)射、接收天線(棒狀天線、環(huán)路天線、對(duì)數(shù)螺旋天線、喇叭天線等)及輸出變壓器。
?。病㈦姶鸥蓴_EMI測(cè)試所需儀器之基本配備需求 由于使用測(cè)試儀器時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定電磁干擾，為了保證測(cè)試之準(zhǔn)確性，CISPR16要求測(cè)試儀器之干擾量至少比待測(cè)裝置干擾電壓或電流小20dB，且比允許之干擾量小40dB。測(cè)試儀器**度要求為?電壓測(cè)試時(shí)誤差不超過(guò)正負(fù)2dB，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試時(shí)誤差不超過(guò)正負(fù)3dB。測(cè)試儀器之屏蔽效益至少要有60dB，測(cè)試儀器接入測(cè)試系統(tǒng)后，既不應(yīng)改變被測(cè)電子電機(jī)設(shè)備之工作狀態(tài)，也不應(yīng)對(duì)被測(cè)干援源有分壓分流效應(yīng)，測(cè)試儀器本身之干擾耐受性應(yīng)遠(yuǎn)低于可能受到之干擾量。常用之電磁干擾EMI(含RE及CE)測(cè)試儀器配備有?
●EMI自動(dòng)測(cè)試控制系統(tǒng)(電腦及其介面單元)
●EMI測(cè)試接收機(jī)(或頻譜分析儀)
●各式天線(主動(dòng)、被動(dòng)棒狀天線、大小形狀環(huán)路天線、功率雙錐天線、對(duì)數(shù)螺旋天線、喇叭天線)及天線控制單元等
●電流注入感應(yīng)器(CurrentProbe)、電壓感應(yīng)器、隔離變壓器
●電源阻抗模擬網(wǎng)路(LineImpedance Stabilization Network，LISN)貫穿電容，儲(chǔ)存式示波器，各型濾波器、定向耦合器等
3.電磁耐受性(EMS)測(cè)試儀器之基本配備需求常用之電磁耐受性EMS(含RS及CS)測(cè)試儀器之基本配備需求有?
●EMS自動(dòng)測(cè)試控制系統(tǒng)(電腦及其介面單元)
●EMI測(cè)試接收機(jī)(或頻譜分析儀)
●各式發(fā)射、接收天線
●訊號(hào)產(chǎn)生器2功率放大器、場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視系統(tǒng)
●儲(chǔ)存式示波器，注入隔離變壓器，各型濾波器、定向耦合器
●電源阻抗模擬網(wǎng)路，射頻抑制濾波器，光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
4.簡(jiǎn)介常用之EMC測(cè)試重點(diǎn)儀器和設(shè)備電磁相容性測(cè)試除了通用測(cè)試儀器外，還需許多特殊儀器和設(shè)備，下面將簡(jiǎn)介一些電流感應(yīng)器、電源阻抗模擬網(wǎng)路、EMI測(cè)試接收機(jī)、頻譜分析儀、各式發(fā)射接收天線、平行板線、及TEM/GTEMCell等橫向電磁波測(cè)試室等主要儀器設(shè)備之工作原理和使用特點(diǎn)。
電流感應(yīng)器
電流感應(yīng)器是引用荷爾效應(yīng)(Halleffect)，從流動(dòng)導(dǎo)線之電流穿過(guò)電流感應(yīng)器產(chǎn)生磁場(chǎng)，執(zhí)行CE101/CE102等傳導(dǎo)干擾測(cè)試時(shí)，利用電流感應(yīng)器來(lái)感應(yīng)偵測(cè)導(dǎo)線所溢放射出之雜訊。
電源阻抗模擬網(wǎng)路(LISN)
電源阻抗模擬網(wǎng)路是一種耦合電路，主要用來(lái)提供干凈之DC/AC電源品質(zhì)，阻擋待測(cè)件雜訊回饋至電源及RF耦合，內(nèi)部電路架構(gòu)與阻抗特性曲線詳如圖。早期軍規(guī)傳導(dǎo)干擾測(cè)試是以10厲貫穿電容為主，電源阻抗模擬網(wǎng)路(LISN)為輔，1993年以來(lái)，軍規(guī)MIL-STD-462D要求改以LISN為主，所用導(dǎo)電桌或木桌上接地平面(GroundPlane)皆配備LISN作測(cè)試，而CISPR商規(guī)要求所用木桌上也配備LISN作測(cè)試。
EMI測(cè)試接收機(jī)
EMI測(cè)試接收機(jī)是EMC試驗(yàn)中*常用之基本測(cè)試儀器，EMI測(cè)試接收機(jī)實(shí)際上是含高頻選頻放大之超外差接收機(jī)，其靈敏度可通過(guò)輸入回路之可調(diào)衰減器來(lái)調(diào)變，由于測(cè)試訊號(hào)輸入常常是極寬之頻譜訊號(hào)，運(yùn)用可調(diào)諧高頻選擇器對(duì)輸入訊號(hào)進(jìn)行預(yù)選，可以改善混頻器之工作
狀況，中頻放大器和中頻選擇器用來(lái)確定儀器之通行頻帶，并對(duì)訊號(hào)進(jìn)行功率放大?；跍y(cè)試接收機(jī)之頻率響應(yīng)特性要求，按CISPR16規(guī)定，測(cè)試接收機(jī)應(yīng)有四種基本檢波方式?準(zhǔn)峰值檢波、均方根值檢波、峰值檢波及平均值檢波。然而，大多數(shù)電磁干擾都是脈沖干擾，它們對(duì)音頻影響之客觀效果是隨著重復(fù)頻率之增高而增大，具有特定時(shí)間常數(shù)之準(zhǔn)峰值檢波器之輸出特性，可以近似反應(yīng)這種影響。因此在無(wú)線廣播頻率領(lǐng)域，CISPR所推薦之電磁相容性規(guī)范采用準(zhǔn)峰值檢波。由于準(zhǔn)峰值檢波既要利用干擾訊號(hào)之幅度，又要反映它之時(shí)間分布，因此其充電時(shí)間常數(shù)比峰值檢波器大，而放電時(shí)間常數(shù)比峰值檢波器小，對(duì)不同頻譜段應(yīng)有不同之充放電時(shí)間常數(shù)，這兩種檢波方式主要用于脈沖干擾測(cè)試。瞬間變化及重復(fù)頻率很低之脈沖干擾源已成為主流，使用準(zhǔn)峰值檢波器已不能客觀評(píng)估此類干擾之特性，軍規(guī)測(cè)試EMC對(duì)于單一脈沖或重復(fù)頻率很低之脈沖進(jìn)行檢測(cè)，常用峰值檢波，由于峰值檢波是要測(cè)試出干擾訊號(hào)振幅之*大值，故它只取決于訊號(hào)之幅度而與時(shí)間無(wú)關(guān)，其充電放電時(shí)間常數(shù)比值TC/TD要足夠小，通常TC/TD為幾百分之一。平均值檢波主要用來(lái)測(cè)試窄頻之連續(xù)波、調(diào)諧波干擾，其充放電時(shí)間常數(shù)比值TC/TD為1。
若是干擾經(jīng)常由許多獨(dú)立之脈沖源產(chǎn)生，而往往是隨機(jī)的，則*好使用均方根檢波器。選用檢波器取決于被測(cè)受干擾源之性質(zhì)以及所受保護(hù)之對(duì)象，對(duì)于同一干擾雜訊用不同檢波器測(cè)得之值是不同，而各種檢波器對(duì)脈沖干擾之相對(duì)響應(yīng)也是不同。但將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換后，仍可得出一致之結(jié)果，有些接收機(jī)只有峰值或準(zhǔn)峰值檢波器，此時(shí)只需通過(guò)準(zhǔn)峰值或峰值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，就能滿足不同之測(cè)試要求。
頻譜分析儀
頻譜分析儀之檢波器為峰值檢波，因而滿足軍規(guī)EMC測(cè)試要求，但不符合歐美EMC商規(guī)及我國(guó)電磁相容性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CNS13430系列)規(guī)定之極限值測(cè)試。為此必須在輸入端配備預(yù)選器(Preselector)以防止混頻器飽和，改善頻譜分析儀之S/N比，提高靈敏度，并且在中頻輸出端配備準(zhǔn)峰值轉(zhuǎn)換器或檢波器。則系統(tǒng)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍也提高，就可以滿足軍規(guī)EMC測(cè)試及CISPR標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
EMI測(cè)試接收機(jī)與頻譜分析儀兩類設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)?測(cè)試接收機(jī)之優(yōu)點(diǎn)有測(cè)試準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率分辨率高、靈敏度高、互調(diào)干擾小及有四種基本檢波方式；缺點(diǎn)就是不能像頻譜儀分析儀在很寬之頻率范圍內(nèi)展開(kāi)觀察，而對(duì)被測(cè)訊號(hào)無(wú)法快速進(jìn)行頻譜分析和振幅測(cè)試。頻譜分析儀之優(yōu)點(diǎn)是能在很寬廣之頻率范圍內(nèi)觀察而迅速地對(duì)被測(cè)訊號(hào)進(jìn)行頻譜分析和振幅測(cè)試、測(cè)試設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單及測(cè)試比較方便；缺點(diǎn)就是測(cè)試準(zhǔn)確度相對(duì)差一些、頻率分辨率較低、互調(diào)干擾大、選擇性較差及只有單一峰值檢波方式。
EMC測(cè)試用天線
電磁相容性測(cè)試頻率范圍從幾10Hz到幾10GHz，在這么寬之頻率范圍內(nèi)作電磁干擾及電磁耐受性測(cè)試，所用天線種類繁多，且必須借助各種探測(cè)天線把被測(cè)場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電壓。電磁相容性試驗(yàn)中各頻段優(yōu)先使用之天線，包括在150Hz～30MHz采用棒狀與環(huán)路天線，30MHz～300MHz采用偶極與雙錐天線，300MHz～1GHz采用偶極、對(duì)數(shù)周期及對(duì)數(shù)螺旋天線，1GHz～40GHz采用喇叭天線，這些天線之相關(guān)參數(shù)與理論可參考制造廠商提供天線出廠之資料。電磁相容性測(cè)試用天線具有下列特點(diǎn)?廣泛的應(yīng)用到寬頻帶天線，為了提高測(cè)試速度，不得不采用寬頻帶天線，除非只對(duì)少數(shù)已知之干擾頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。寬頻頻帶天線在出廠前提供校正曲線，使用時(shí)需輸入此天線因素。天線增益不高，方向性不甚明顯。不少試驗(yàn)用天線都工作在近場(chǎng)區(qū)，測(cè)試結(jié)果對(duì)測(cè)試距離很敏感，為此試驗(yàn)中必須嚴(yán)格按試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行。其次，在近場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)、磁場(chǎng)之比(波阻抗)不再是個(gè)常數(shù)，所以有些天線雖然給了電場(chǎng)、磁場(chǎng)之校正系數(shù)，但只有當(dāng)這些天線作遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)才有效，測(cè)試近場(chǎng)干擾時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果不能再按此換算，這是在試驗(yàn)中容易忽略之問(wèn)題。天線之場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍較寬，應(yīng)根據(jù)測(cè)試對(duì)象正確選用，電磁相容性試驗(yàn)之場(chǎng)強(qiáng)相差很大，對(duì)強(qiáng)大場(chǎng)強(qiáng)雖然可用衰減器擴(kuò)大天線量測(cè)范圍，但應(yīng)以不損壞天線轉(zhuǎn)換器為前提。收、發(fā)天線有時(shí)是不能互易，如同為雙錐天線，收、發(fā)用天線有區(qū)別，收、發(fā)環(huán)路天線也不同，使用時(shí)不能互換。
平行板天線
車輛零組件執(zhí)行電磁場(chǎng)輻射耐受性試驗(yàn)(ISO11452-6)時(shí)，需要均勻橫電磁波之測(cè)量環(huán)境。利用平行板線，在其一端接相應(yīng)之訊號(hào)產(chǎn)生器與功率放大器，另一端接匹配負(fù)載，可在兩平行板間產(chǎn)生橫電磁波之行波狀態(tài)(詳見(jiàn)圖
)。當(dāng)兩板間距為d，所加電壓為V時(shí)，平行板之電場(chǎng)強(qiáng)度E為 E = V /d ．．．．（２）
平行板線之工作頻率與終端負(fù)載之匹配情況有關(guān)，而且與平行板之間之距離d成反比，距離越大，上限工作頻率越低。隨頻率上升，傳輸訊號(hào)之?/4送到平皮間距d時(shí)，平行板在其開(kāi)放之側(cè)面將產(chǎn)生強(qiáng)烈輻射，以致于影響周圍其它測(cè)試設(shè)備之工作，甚至危害試驗(yàn)人員之健康。
因此，當(dāng)其內(nèi)部電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)將其放在電磁隔離室內(nèi)，或在其開(kāi)放之側(cè)面布置適當(dāng)之可移動(dòng)吸波材料墻。當(dāng)頻率進(jìn)一步提高時(shí)，板間將出現(xiàn)高次模，使板間電磁場(chǎng)發(fā)生畸變，一般把出現(xiàn)高次模之頻率定為平行板線之上限頻率。當(dāng)待測(cè)件置于平行板時(shí)，原來(lái)之均勻電場(chǎng)將發(fā)生畸變，為此通常規(guī)定待測(cè)件之體積應(yīng)小于兩板中間體積之1/3。與一般采用輻射天線對(duì)待測(cè)件進(jìn)行電場(chǎng)輻射耐受性試驗(yàn)相比，平行板線有下列優(yōu)點(diǎn)?可在寬頻段范圍內(nèi)產(chǎn)生平面波場(chǎng)；所有能量集中在平行板間，因而電磁能量利用率高，不需很大瓦特?cái)?shù)之功率訊號(hào)放大器就可在板間產(chǎn)生高于25V/m之場(chǎng)強(qiáng)(車輛零組件規(guī)格)；平行板線之造價(jià)與其它產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)，用以進(jìn)行電磁耐受性試驗(yàn)之方法和裝置相比，成本較低。其主要缺點(diǎn)是?僅適用于如車輛零組件等小型設(shè)備之試驗(yàn)，對(duì)周圍之輻射較為嚴(yán)重，影響監(jiān)測(cè)儀器之功能及操作人員之健康。這些缺點(diǎn)限制了應(yīng)用，從1980年以來(lái)，平行板線已逐漸被橫電磁波室所取代，但在電磁脈沖(EMP)研究中，仍將其作為場(chǎng)強(qiáng)模擬裝置。
橫電磁波室 (TEM/GTWMCELL)
橫電磁波(TransverseElectro Magnetic，TEM)室是利用傳輸線原理，由同軸線演變而來(lái)，一種內(nèi)部能傳輸均勻橫電磁波之長(zhǎng)方形測(cè)試室。它是電子電機(jī)設(shè)備電場(chǎng)輻射耐受性試驗(yàn)之理想裝置，除了可進(jìn)行射頻連續(xù)波耐受性，脈沖波耐受性試驗(yàn)外，還可用于測(cè)試電子電機(jī)設(shè)備所產(chǎn)生之輻射干擾，及作為對(duì)各種近場(chǎng)測(cè)試探夾(如電流注入感應(yīng)器、電壓感應(yīng)器、場(chǎng)強(qiáng)感應(yīng)器等)進(jìn)行校正用之標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)源裝置。圖
為橫電磁波室之示意圖，如圖所示，橫電磁波室由矩形外導(dǎo)體和平板中心接地導(dǎo)電板所構(gòu)成，兩端通過(guò)四面尖錐過(guò)渡區(qū)與精密50咫冷型同軸連接器連接，接地導(dǎo)電板用絕緣支架固定，將橫電磁波室分成兩部分。待測(cè)件之供電系統(tǒng)通過(guò)電源濾波器進(jìn)入，長(zhǎng)方形橫電磁波室之優(yōu)點(diǎn)是腔體內(nèi)之場(chǎng)強(qiáng)比較均勻，而正方形橫電磁波室之優(yōu)點(diǎn)是在相同可用空間條件下，工作頻率范圍較寬，所需用料省，體積較小。與平行板線相類似，待測(cè)件在橫電磁波室占有之空間一般不超過(guò)接地導(dǎo)電板到底板間距的三分之一和前后壁板間距的三分之一，橫電磁波室之工作頻率與終端負(fù)載之匹配情況有關(guān)，上限頻率依賴于接地導(dǎo)電板到上下底板間距之尺寸，而且與接地導(dǎo)電板到底板間距d成反比，距離越大，上限工作頻率越低。為了使橫電磁波室之工作頻率提高到1GHz范圍，于是GTEM(GigahertzTEM)橫電磁波室因應(yīng)而生，它之外型是斜面角錐狀，詳加說(shuō)明如圖，待測(cè)件放置方式與TEM橫電磁波室類似，如圖所示，有各種不同之終端負(fù)載，因?yàn)楣ぷ黝l率與終端負(fù)載之匹配情況有關(guān)，目前歐美EMC商規(guī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用GTEM橫電磁波室來(lái)執(zhí)行輻射發(fā)射與輻射耐受性測(cè)試。
典型軍規(guī)、商規(guī)之電磁相容性測(cè)試
無(wú)論是美軍軍規(guī)、歐美商規(guī)或車輛用電磁相容性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，都對(duì)EMI/EMS各類試驗(yàn)，就儀器之配備、場(chǎng)地布置、試驗(yàn)步驟、連接方式等都有嚴(yán)格之規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)格要求執(zhí)行。由表及表摘要得知電磁相容性測(cè)試種類太多，實(shí)在無(wú)法逐一詳細(xì)說(shuō)明，因此下面列舉了幾個(gè)典型CE、RE、CS及RS等EMC測(cè)試之試驗(yàn)方法。
電源線傳導(dǎo)干擾發(fā)射測(cè)試(ConductedEmission，CE)
參考規(guī)格?MIL-STD-461D/462D，CE102(10kHz～10MHz)，規(guī)格極限如圖7
FCC Part15 （450kHz～30MHz）
CISPR Pub22（150kHz～30MHz）
從規(guī)格極限圖就可知道以上各種CE規(guī)格之差異，實(shí)際擺設(shè)、電纜、引線和接地平板間之*小間隔亦有些差異，其中細(xì)節(jié)相關(guān)規(guī)格皆有闡述。
電源線傳導(dǎo)干擾測(cè)試目的?待測(cè)件所有適用于上列參考規(guī)格之頻率范圍內(nèi)交直流電源輸入和輸出線(包括設(shè)備內(nèi)部不接地之中線)之傳導(dǎo)干擾測(cè)試。
電源線傳導(dǎo)干擾測(cè)試所需配備?如圖８所示，以CE102為例，電纜、引線和接地平板間之*間隔為5cm，從待測(cè)件LISN或到貫穿電容之電源線長(zhǎng)度不超過(guò)2cm，待測(cè)設(shè)備之每條電源線，從導(dǎo)線分界處到LISN或貫穿電容器之長(zhǎng)度是2m，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)之靈敏度及寬頻帶測(cè)試要求選用阻抗匹配變換器和濾波器。電源線傳導(dǎo)干擾測(cè)試步驟?將電流探夾沿每根電源線之導(dǎo)線分界處到LISN或貫穿電容器之線段上移動(dòng)，以使頻譜分析儀或測(cè)試接收機(jī)之讀數(shù)*大，并記錄讀數(shù)，所得結(jié)果與規(guī)格極限圖比較即可知道是否合格。
電場(chǎng)輻射干擾發(fā)射測(cè)試(RadiatedEmission，RE)
參考規(guī)格?MIL-STD-461D/462D，RE102（10kHz～18GHz）
FCC Part15（30MHz～1GHz）
CISPR Pub22（30MHz～1GHz）
電場(chǎng)輻射干擾測(cè)試目的?測(cè)試電子電機(jī)、電氣和機(jī)電設(shè)備及其組件所輻射之電磁發(fā)射，包括來(lái)自所有組件、電纜及連接線上之雜訊發(fā)射。它適用于發(fā)射機(jī)之基本波發(fā)射、假電訊發(fā)射、振蕩器發(fā)射及寬頻帶發(fā)射，但不包括天線之輻射發(fā)射與交連導(dǎo)線上之電場(chǎng)輻射。
電場(chǎng)輻射干擾測(cè)試所需配備?如圖９所示，按照待測(cè)件之性質(zhì)，可分為桌上型配備及落地型配備。以CISPR Pub 22之開(kāi)放空間測(cè)試為例，旋轉(zhuǎn)臺(tái)上木桌高度80公分，天線與待測(cè)件距離10m，在1m至4m間升降天線，同時(shí)待測(cè)件應(yīng)在轉(zhuǎn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，找出*大輻射點(diǎn)。對(duì)不同頻率，選擇相應(yīng)之測(cè)試天線，以上電場(chǎng)輻射試驗(yàn)亦可在隔離室內(nèi)進(jìn)行之。
傳導(dǎo)耐受性測(cè)試(ConductedSusceptibility，CS)
參考規(guī)格?MIL-STD-461D/462D，CS102(10kGHz～10MHz)IEC1000-4-6(150kHZ～30MHz)傳導(dǎo)耐受性測(cè)試?如圖10示，以IEC1000-4-6為例，RF電壓直接注入電源線或訊號(hào)線，試驗(yàn)水準(zhǔn)有三種1、3及10V；頻率范圍是150kHz～80MHz，使用耦合／去耦合網(wǎng)路，可加振幅調(diào)變。
電場(chǎng)輻射耐受性測(cè)試(RadiatedSusceptibility，RS)
參考規(guī)格?MIL-STD-461D/462D，RS103(10kHz～18GHz)，IEC1000-4-3(80MHz～1GHz)電場(chǎng)輻射耐受性測(cè)試?如圖11所示，以IEC1000-4-3為例，測(cè)試設(shè)備對(duì)于規(guī)定頻譜成分和規(guī)定強(qiáng)度之電場(chǎng)輻射場(chǎng)之耐受性。RF訊號(hào)經(jīng)由天線輻射RF功率，對(duì)試件產(chǎn)生干擾，干擾頻率范圍在80MHz～1GHz，試驗(yàn)水準(zhǔn)分1V/m，3V/m，10V/m；試驗(yàn)方向包括前、后、左、右(上、下)，使用無(wú)電波反射室(需符合16點(diǎn)均勻場(chǎng)之規(guī)定)，試件至天線距離3米，可加振幅調(diào)變。
電場(chǎng)輻射耐受性測(cè)試(橫電磁波室法，10kHz～200MHz)
參考規(guī)格?ISO11452-3(10kHz～200MHz)橫電磁波室法電場(chǎng)輻射耐受性測(cè)試?以ISO11452-3為例，如圖12所示，使設(shè)備盡可能置于接近地電位處，待測(cè)件尺寸*好符合三分之一原則，連接線和電源線保持在底板上面4～6cm處。待測(cè)件應(yīng)在它直立位置之兩個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)試，一個(gè)方向使設(shè)備前面板，沿著橫電磁波室長(zhǎng)度方向。另一個(gè)方向使設(shè)備之前面板，對(duì)著錐形過(guò)渡段方向。設(shè)定對(duì)待測(cè)件耐受性之頻率和*小場(chǎng)強(qiáng)或按規(guī)定之極限值作耐受性試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率不應(yīng)超出正常之工作頻率范圍。其他較常用之電磁耐受性測(cè)試
靜電放電耐受性測(cè)試(ESD)?參考規(guī)格IEC 1000-4-2(如圖13所示靜電放電波形)，模擬人體所帶靜電對(duì)產(chǎn)品之影響。試驗(yàn)點(diǎn)包括所有接觸面(如圖14所示)，空氣放電加至15kV，接觸放電加至8kV(含垂直與水平耦合)，試驗(yàn)次數(shù)分正負(fù)極性，至少各放電10次，試驗(yàn)間隔一般約1秒鐘，靜電放電測(cè)試前后要同時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)件功能是否正常，以判定是否合格。電性快速暫態(tài)耐受性測(cè)試(EFT/Burst)?參考規(guī)格IEC1000-4-4(如圖15所示快速暫態(tài)波形)，干擾頻率為5kHz，試驗(yàn)水準(zhǔn)分0?25kV～4kV，雜訊脈沖型式在5/50ns，試驗(yàn)?zāi)Ｊ接脕?lái)干擾電源線與訊號(hào)線，雜訊耦合模式可分直接入與電容性線夾，試驗(yàn)方法分正負(fù)極性，不同兩線接法均可測(cè)試測(cè)試前后要同時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)件功能是否正常，以判定是否合格。雷擊突波耐受性測(cè)試(Surge)?參考規(guī)格IEC 1000-4-5(如圖16所示雷擊突波波形)，模擬雷擊誘導(dǎo)與電感性負(fù)載切換，試驗(yàn)水準(zhǔn)為 0.5kV～4kV，脈沖型式在 1.2/50us(8/20us)，10×700us；試驗(yàn)?zāi)Ｊ娇煞蛛娫淳€與訊號(hào)(通訊)線，試驗(yàn)方法包括正負(fù)極性、相位，不同兩線接法均可測(cè)試，測(cè)試前后要同時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)件功能是否正常，以判定是否合格。電源頻率磁場(chǎng)耐受性測(cè)試?參考規(guī)格IEC1000-4-8(如圖17之測(cè)試架構(gòu))，模擬電流流經(jīng)電力線所產(chǎn)生之電源頻率磁場(chǎng)，模擬器須提供連續(xù)120A與暫態(tài)1200A之電流，經(jīng)誘導(dǎo)線圈注入電流(sinusoid)產(chǎn)生干擾源，試驗(yàn)水準(zhǔn)包括1，3，10，30，100A/m；試驗(yàn)方向可分前后、左右、上下；試驗(yàn)環(huán)境電磁場(chǎng)至少需低于試驗(yàn)條件20dB以上，試件至誘導(dǎo)線圈距離約為試件直徑之1/3，測(cè)試前后要同時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)件功能是否正常，以判定是否合格。電壓瞬降瞬斷耐受性測(cè)試?參考規(guī)格IEC1000-4-11(如圖18之測(cè)試架構(gòu))，模擬電源暫態(tài)快速變動(dòng)與緩慢連續(xù)變動(dòng)，試驗(yàn)?zāi)Ｊ街挥须娫淳€，試驗(yàn)水準(zhǔn)包括0%，40%，70%；持續(xù)周期可分 0.5，1.5，10，25，50cycles?侵入電流為100-120V/250A，220-240V/500A等；試驗(yàn)方法包括變動(dòng)相位范圍0～360度，間隔范圍3dips/s；電壓上升、下降速率范圍1～5us等等，測(cè)試前后要同時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)件功能是否正常，以判定是否合格。電磁相容性測(cè)試可以采用人工操作及自動(dòng)控制操作之方法，由于人工操作在電磁干擾發(fā)射(EMI)測(cè)試中要手動(dòng)調(diào)諧，隨不同頻率點(diǎn)校準(zhǔn)及鑒別寬、窄頻帶；在電磁耐受性(EMS)測(cè)試中隨不同頻率點(diǎn)調(diào)諧，確定施加訊號(hào)強(qiáng)度，人為觀察動(dòng)態(tài)，以判定是否合格。因而使得人工操作測(cè)試速度慢，重復(fù)性差，難以進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。采用電腦控制之EMI、EMS自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有測(cè)試靈活、誤差小與重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，而且可以進(jìn)行即時(shí)測(cè)試，目前國(guó)內(nèi)業(yè)者已經(jīng)普遍使用。
結(jié) 語(yǔ)
電磁相容性測(cè)試基本上已經(jīng)在驗(yàn)證產(chǎn)品量產(chǎn)前是否符合電磁相容規(guī)范，但是，就筆者之經(jīng)驗(yàn)，顯示顧客層中(包括軍規(guī)與商規(guī)業(yè)者)百分之八十五之設(shè)計(jì)者都在產(chǎn)品研發(fā)后期，才來(lái)考慮電磁相容設(shè)計(jì)，這時(shí)要作EMI問(wèn)題的修改，往往捉襟見(jiàn)肘，無(wú)法克盡全功。因此，只有在研究新型產(chǎn)品之初期，擬訂產(chǎn)品電磁相容設(shè)計(jì)整體規(guī)劃書(shū)及電磁相容設(shè)計(jì)指南，才能有系統(tǒng)地整合接地、布線、搭接、濾波、包裝與隔離等根本因素，完成符合電磁相容設(shè)計(jì)之布局。