3 kW微波源傳導(dǎo)電磁干擾測試及分析*

馮 強, 廖 成, 熊祥正， 葉志紅

(西南交通大學(xué) 電磁場與微波技術(shù)研究所,成都 610031)

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3 kW微波源傳導(dǎo)電磁干擾測試及分析*

馮 強**, 廖 成, 熊祥正， 葉志紅

(西南交通大學(xué) 電磁場與微波技術(shù)研究所,成都 610031)

微波源工作時內(nèi)部的電磁干擾可以通過電源輸入線耦合出來，干擾其他電力電子設(shè)備。研究三相輸入電源線的傳導(dǎo)干擾文獻很多，但分離的共模(CM)和差模(DM)電流局限于相線之間，缺少對中線上干擾的分析。使用電流探頭測試3 kW磁控管微波源輸入線的傳導(dǎo)干擾，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)電流探頭，從而獲得150 kHz～30 MHz頻帶內(nèi)相線和中線的傳導(dǎo)干擾電流，并分離出CM電流與DM電流。通過對比DM電流和中線上干擾的頻譜，分析了中線上傳導(dǎo)干擾成分。測試數(shù)據(jù)表明，在150 kHz～8 MHz頻帶內(nèi)差模干擾電流比共模干擾電流大10 dB以上；中線上的干擾與DM干擾幅值一致，表明中線上的干擾主要是差模成分。該干擾分布規(guī)律有助于提出有效的干擾抑制手段。

微波源；電磁干擾；共模;差模；中線

1 引 言

對傳導(dǎo)電磁干擾進行準(zhǔn)確測量是對電磁干擾進行量化，這對有效實施電磁干擾抑制措施有著重要的意義。電力線中傳導(dǎo)電磁干擾(EMI)可以分為共模(Common Mode，CM)干擾和差模(Differential Mode，DM)干擾[1]。CM干擾存在于電源線與地構(gòu)成的回路中，而差模干擾是指電源線之間的回路噪聲。三相五線制中的CM和DM電流不僅存在于相線之間，也存在于相線與中線之間。

微波源工作時，電路中的快恢復(fù)二極管的正向反向恢復(fù)作用[2]，三極管漏源極的振鈴現(xiàn)象，以及對散熱片的寄生電容[3]，都是產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射的原因。內(nèi)部嚴(yán)峻的電磁干擾可以通過輸入電源箱耦合出來[4-5]，經(jīng)過電網(wǎng)影響其他電力設(shè)備的正常工作。

電流探頭是電磁干擾常用的測試設(shè)備，具有使用簡單、測試方便的優(yōu)點。文獻[6]中采用電流探頭測試變頻器電源輸入線上的電磁干擾，用于驗證所設(shè)計的共模差模分離網(wǎng)絡(luò)。文獻[7]使用電流探頭測量逆變器輸入端和交流電動機輸入端的共模和差模傳導(dǎo)干擾，并詳細(xì)闡述了電源線的共模和差模的測試方法。這些文獻中分離的共模和差模干擾只局限于三根相線，對電源線中中線的電磁干擾并未考慮。研究中線與相線之間的共模與差模干擾，判定中線上的干擾成分，對輸入電源線上干擾模態(tài)的分析具有重要的意義。

本文根據(jù)傳導(dǎo)電磁干擾測試標(biāo)準(zhǔn)制定以電流探頭、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、人工電源網(wǎng)絡(luò)和頻譜儀為主要儀器的測試方案。以3 kW磁控管微波源為測試對象，測試了微波源電源輸入線上的相線和中線150 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)的傳導(dǎo)電磁干擾。通過改變電流探頭不同的嵌套方式獲得相線和中線的傳導(dǎo)干擾，測試結(jié)果經(jīng)過電流探頭的傳輸導(dǎo)納校準(zhǔn)。對比分離出相線與中線之間的差模干擾和兩者對地的共模干擾，研究電源線上傳導(dǎo)電磁干擾的分布，數(shù)據(jù)表明在中線上，主要是差模干擾，共模成分很少。

2 測試及CM/DM分離方法

2.1測量儀器

線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)也叫人工電源網(wǎng)絡(luò)，簡稱LISN(Line Impedance Steady Network)，是電磁兼容測量的常用儀器，其阻抗隨著頻率變化，在工頻時呈高阻抗，在噪聲頻率呈低阻抗。其基本電路圖如圖1所示。LISN的主要作用：一是隔絕外網(wǎng)的電磁干擾；二是給待測設(shè)備的電源線的噪聲輸出端提供一個穩(wěn)定阻抗；三是耦合出線上的干擾電壓，傳送至測量接收機。

圖1 LISN簡化原理圖Fig.1 Simplified schematic diagram of LISN

電流探頭是一種將流過導(dǎo)線的電流成比例地轉(zhuǎn)換為電壓的耦合裝置，可以測量一定頻帶下的干擾電流。常用的電流探頭有兩種：一種是霍爾(Hall)傳感器，另一種是測量電流的磁場。本文中采用的是前一種。將測量得到的電壓，通過轉(zhuǎn)移阻抗校準(zhǔn)，就可以得到干擾電流的大小。

頻譜儀作為一種常用的測量接收機，可以得到功率或電壓頻譜數(shù)據(jù)。通過混頻和調(diào)諧，將待分析信號下變頻至中頻，在中頻進行分析，得到頻譜。測量前，設(shè)置起始頻點、終止頻率，選取合適的取樣點。保存文檔數(shù)據(jù)方便畫圖和操作。

2.2測量與校準(zhǔn)方法

用電流探頭直接鉗夾住相線或者中線，相應(yīng)線上的干擾可以通過頻譜儀檢測得到。圖2中描述了測量單相電路中共模和差模電流的方法。當(dāng)同時鉗夾住相線和中線時，差模電流方向相反，幅值相同，產(chǎn)生通量剛好抵消，共模電流加強，此時接收機檢測到的是2ICM。通過環(huán)繞其中一根電源線，用電流探頭同時鉗夾住兩根線如圖2中右圖所示，此時本來相反的DM電流在電流探頭鉗夾住的繞環(huán)中的DM電流與另外一個線上的DM電流同相了，接收機檢測到的是2IDM。

圖2 共模和差模電流測試方法Fig.2 Arrangement for the CM and DM current measurement

用頻譜儀接收的干擾數(shù)據(jù)為電壓，此時數(shù)據(jù)并不是線上干擾電流，干擾電流需要通過電流探頭的傳輸導(dǎo)納進行校準(zhǔn)。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對電流探頭的轉(zhuǎn)移阻抗進行校準(zhǔn)[8]獲得端口散射參量S21數(shù)據(jù)，用公式(6)實現(xiàn)傳輸導(dǎo)納Yt的轉(zhuǎn)換。線上干擾電流可以通過頻譜儀檢測的電壓和電流探頭傳輸導(dǎo)納修正:

Yt=-S21-34

(6)

I=U-Yt

(7)

其中，Yt的單位為dBs，S21的單位為dB,I的單位為dBμA，U的單位為dBμV。

3 測量及分析

通過對一臺3 kW微波源進行電源線的傳導(dǎo)干擾測試，并利用上述方法得到相線、中線、CM干擾電流和DM干擾電流。測試布置如圖3所示，LISN接在微波源電源輸入端，隔絕外網(wǎng)干擾，電流探頭接收的數(shù)據(jù)經(jīng)同軸線傳送至頻譜儀。該微波源輸入電源為三相電。線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)選用北京大澤公司生產(chǎn)的ZN3770A型、50 Ω/50 μH的V型網(wǎng)絡(luò)，符合GB/T 6113.102-2008標(biāo)準(zhǔn)在150 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)的阻抗要求，用于測量EUT大電流條件下交流電源上的射頻騷擾電壓。電流探頭選用ZN23101型號，測量頻率范圍為0.01～60 MHz。頻譜儀使用安捷倫N9000A信號分析儀，可檢測的頻率范圍為9 kHz～7.5 GHz。圖3中虛線為系統(tǒng)地線，LISN和微波源都系統(tǒng)接地。測試時，設(shè)置樣點1 001個，起始頻率150 kHz，終止頻率30 MHz。

圖3 微波源電源線傳導(dǎo)干擾測試布局Fig.3 Arrangement for the measurement of the microwave source power lines

在三相線中，相線與中線及相線與相線之間都存在CM和DM電流，如圖4所示。在N線上存在差模電流idm4和共模電流icm4,并且滿足

idm1=idm2+idm3+idm4

(8)

icm1+icm2+icm3+icm4=iGnd

(9)

圖4 電源線的共模差模電流分布Fig.4 Distribution of CM and DM current on the power lines

為了研究相線與中線的CM和DM電流，將3根相線(L1、L2和L3表示)用一根相線(L表示)替代，這樣三相線就簡化為了單相，使用電流探頭鉗夾電源線就可以簡單快速得到相線、中線傳導(dǎo)干擾和兩者之間的共模與差模干擾。

校準(zhǔn)測試過程中使用的電流探頭和同軸線。圖5所示為連接了同軸線的電流探頭校準(zhǔn)布置圖，在150 kHz～30 MHz內(nèi)，確定好校準(zhǔn)點為1 001個，以保證樣點數(shù)與接收機的一致，使得校準(zhǔn)得到的干擾電流有意義。電流探頭和同軸線連接起來的傳輸導(dǎo)納曲線如圖6所示。

圖5 電流探頭校準(zhǔn)布局Fig.5 Arrangement for the current sensor calibration

圖6 電流探頭傳輸導(dǎo)納Fig.6 Admittance of the current sensor

圖7顯示，在150 kHz～30 MHz頻帶上，中線干擾電流大小與3根相線的CM干擾電流總體趨勢一致，隨著頻率增加干擾大小下降；并且在10 MHz以后，兩者幾乎重疊，因為高頻時干擾電流本身就很小，電流探頭檢測精度有限。利用上一節(jié)中測量方法，得到的相線與中線的CM干擾電流和DM干擾電流如圖8所示。很明顯，在150 kHz～30 MHz頻帶上，DM電流幾乎都要高于CM電流，最大的差別有20 dB。在相線與中線存在的主要是差模分量，而相對的共模分量很少。

圖7 相線與中線上干擾電流Fig.7 Interference current of the phase-lines and the neutral-line

圖8 相線與中線之間的共模和差模干擾電流Fig.8 CM and DM interference current between the phase-lines and the neutral line

分析干擾電源線上中線上的干擾成分。對比圖7中的中線電流和圖8中的CM電流發(fā)現(xiàn)，CM干擾電流比中線上干擾電流要小很多。任何電源線上的干擾等于CM干擾和DM干擾的矢量和，因此CM分量對中線上的影響很小，在中線上主要是差模干擾分量。圖9為中線上傳導(dǎo)干擾噪聲和差模噪聲對比，發(fā)現(xiàn)在150 kHz～30 MHz頻帶上，兩者整體比較吻合；在5～8 MHz頻率范圍，吻合得不好。因為在該頻帶，CM電流和中線上的干擾電流大小可比擬，在此頻帶內(nèi)CM電流對中線上干擾由明顯影響。由以上分析可知，在中線上150 kHz～30 MHz的傳導(dǎo)干擾主要是差模成分。

圖9 中線上干擾電流與DM干擾電流Fig.9 Interference current of the neutral line and DM

4 結(jié) 論

微波源內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境通過電源線給電網(wǎng)產(chǎn)生干擾,目前文獻中研究三相輸入線中的中線上干擾報道不多。針對該問題，本文使用電流探頭測量電源線的傳導(dǎo)電磁干擾的方法，快速方便測量出150 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)相線、中線和兩者之間的CM與DM干擾電流,最后通過對比測試數(shù)據(jù)知，差模噪聲明顯高于共模噪聲，得出在中線上的傳導(dǎo)干擾主要是差模成分的結(jié)論。該測試和分析工作，完善了對三相電源線上的干擾測量和差模共模模態(tài)分析，對提出有效的抑制手段有著重要意義。

對比中線上的干擾和DM干擾頻譜，兩者在整體幅值上大致相等，但對于350 kHz頻點附近，中線的干擾比DM干擾小很多，本文并未給出完善的解釋。采用其他的傳導(dǎo)干擾測試方法研究該微波源的傳導(dǎo)干擾，是本課題今后的研究方向。

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FENG Qiang was born in Fengcheng, Jiangxi Province, in 1990. He received the B.S. degree from Southwest Jiaotong University in 2012. He is now a graduate student. His research concerns electromagnetic compatibility.

Email: weikan126@163.com

廖成(1964-),男, 重慶人，西南交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向為計算電磁學(xué)、電磁兼容和天線原理與設(shè)計;

LIAO Cheng was born in Chongqing, in 1964. He is now a professor and also the Ph.D. supervisor. His research interests include computational electromagnetic, electromagnetic compatibility, and antenna theory and technology.

Email: c.liao@swjtu.edu.cn

熊祥正(1964—)，男，重慶人，西南交通大學(xué)教授，主要研究方向為微波電路設(shè)計、電磁兼容；

XIONG Xiang-zheng was born in Chongqing, in 1964. He is now a professor. His research concerns microwave circuit design and electromagnetic compatibility.

葉志紅(1988—),男，江蘇泰興人，西南交通大學(xué)博士研究生，主要研究方向為電磁兼容。

YE Zhi-hong was born in Taixing, Jiangsu Province, in 1988. He is currently working toward the Ph.D. degree. His research concerns electromagnetic compatibility.

The National Program on Key Basic Research Project(973 Program)(2013CB328904)

MeasurementandAnalysisofConductedElectromagneticInterferenceinside3kWMicrowaveSource

FENG Qiang, LIAO Cheng, XIONG Xiang-zheng, YE Zhi-hong

(Institute of Electromagnetics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Electromagnetic interference (EMI) inside the microwave source case can couple outside along the power lines to affect other power electronic equipment when it is working. There exists many literatures for research on conducted EMI of the three-phase input power lines, in which the separated common-mode (CM) current and differential-mode (DM) current between three-phase lines are only considered, but the analysis of conducted EMI on neutral line is absent. In this paper,a current sensor, which is calibrated in a vector network analyzer, is used to measure the conducted EMI of 3 kW magnetron microwave source power lines， then the interference current on phase line and neutral line at 150 kHz～30 MHz is obtained, and the CM and DM current is separated. EMI mode on the neutral line is analyzed by comparing the DM current spectrum with the interference spectrum on the neutral line. The tested data shows that DM interference magnitude is above 10 dB larger than CM interference at 150 kHz～8 MHz, and the phenomenon that interference on neutral line and DM interference show a good concordance in terms of peak value indicates DM interference is in dominant on neutral line. Knowing about these interference distribution is helpful for proposing efficient interference suppression method.

microwave source;electromagnetic interference; common-mode;differential-mode;neutral line

10.3969/j.issn.1001-893x.2014.06.026

馮強, 廖成, 熊祥正，等.3 kW微波源傳導(dǎo)電磁干擾測試及分析[J].電訊技術(shù)，2014,54(6):835-839.[FENG Qiang, LIAO Cheng, XIONG Xiang-zheng,et al.Measurement and Analysis of Conducted Electromagnetic Interference inside 3 kW Microwave Source[J].Telecommunication Engineering,2014,54(6):835-839.]

2014-01-10；

：2014-04-02 Received date:2014-01-10；Revised date：2014-04-02

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB328904)

： weikan126@163.comCorrespondingauthor： weikan126@163.com

TN01;TM931

：A

：1001-893X(2014)06-0835-05

馮強(1990—),男，江西豐城人，2012年于西南交通大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為電磁兼容；

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