電磁干擾測(cè)量與診斷

王兆升

【摘要】電磁干擾是一種不希望存在的信號(hào)，它對(duì)電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作會(huì)造成有害影響。同時(shí)，每一種電子產(chǎn)品都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)，這些信號(hào)可能以電磁輻射的形式發(fā)射出去。也可能通過(guò)電纜或電源線傳播。電磁干擾的產(chǎn)生應(yīng)具備三個(gè)條件：傳播和輻射電磁波的源，電磁波借以傳播的媒介，因接收到了信號(hào)而受到干擾的干擾器。三者只要消除一個(gè)，就不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。所以，診斷和消除電磁干擾是我們必須解決的問(wèn)題，要解決電磁干擾問(wèn)題，首先要能夠“看”到電磁干擾，了解電磁干擾的幅度和發(fā)生源。本文要介紹有關(guān)電磁干擾測(cè)量和判斷干擾發(fā)生源的方法。

【關(guān)鍵詞】電磁干擾;頻譜分析;頻率;帶寬;信號(hào)

1.測(cè)量?jī)x器

測(cè)量電信號(hào)，首先想到的可能就是示波器。示波器是一種電壓幅度隨時(shí)間變化的規(guī)律顯示出來(lái)的儀器，使能夠看到線路中電流和電壓的變化規(guī)律，從而掌握電路的工作狀態(tài)。但是示波器并不是電磁干擾測(cè)量與診斷的理想工具。這是因?yàn)椋?/p>

A.所有電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中的電磁干擾極限值都是在頻域中定義的，而示波器顯示出的時(shí)域波形。因此測(cè)試得到的結(jié)果無(wú)法直接與標(biāo)準(zhǔn)比較。

B.電磁干擾相對(duì)于電路的工作信號(hào)往往都是較小的，并且電磁干擾的頻率往往比信號(hào)高，而當(dāng)一些幅度較低的高頻信號(hào)疊加在一個(gè)幅度較大的低頻信號(hào)時(shí)，用示波器是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

C.示波器的靈敏度在mV級(jí)，而由天線接收到的電磁干擾的幅度通常為V級(jí)，因此示波器不能滿足靈敏度的要求。

所以測(cè)量電磁干擾更合適的儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規(guī)律顯示出來(lái)的儀器，它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測(cè)量電磁干擾中的缺點(diǎn)，它能夠精確測(cè)量各個(gè)頻率上的干擾強(qiáng)度，可以直接顯示出信號(hào)的各個(gè)頻譜分量。

1.1 頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀是一臺(tái)在一定頻率范圍內(nèi)掃描接收的接收機(jī)，頻譜分析儀采用頻率掃描超外差的工作方式?；祛l器將天線上接收到的信號(hào)與本振產(chǎn)生的信號(hào)混頻，當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號(hào)被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來(lái)。由于本振電路的振蕩頻率隨著時(shí)間變化，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行掃描時(shí)，屏幕上就顯示出了被測(cè)信號(hào)在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號(hào)的幅度記錄下來(lái)，就得到了被測(cè)信號(hào)的頻譜。根據(jù)這個(gè)頻譜，就能夠知道被測(cè)設(shè)備是否有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的干擾發(fā)射。

1.2 頻譜分析儀的使用方法

要獲得正確的測(cè)量結(jié)果，必須正確地操作頻譜分析儀。正確使用頻譜分析儀的關(guān)鍵是正確設(shè)置頻譜分析儀的各個(gè)參數(shù)。

A.頻率掃描范圍

規(guī)定了頻譜分析儀掃描頻率的上限和下限。通過(guò)調(diào)整掃描頻率范圍，可以對(duì)感興趣的頻率進(jìn)行細(xì)致的觀察。掃描頻率范圍越寬，則掃描一遍所需要時(shí)間越長(zhǎng)，頻譜上各點(diǎn)的測(cè)量精度越低，因此，在可能的情況下，盡量使用較小的頻率范圍。

B.中頻分辨帶寬

規(guī)定了頻譜分析儀的中頻帶寬，這項(xiàng)指標(biāo)決定了儀器的選擇性和掃描時(shí)間。調(diào)整分辨帶寬可以達(dá)到兩個(gè)目的，一個(gè)是提高儀器的選擇性，以便對(duì)頻率相距很近的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行區(qū)別。另一個(gè)目的是提高儀器的靈敏度。因?yàn)槿魏坞娐范加袩嵩肼暎@些噪聲會(huì)將微弱信號(hào)淹沒(méi)，而使儀器無(wú)法觀察微弱信號(hào)。噪聲的幅度與儀器的通頻帶寬成正比，帶寬越寬，則噪聲越大。因此減小儀器的分辨帶寬可以減小儀器本身的噪聲，從而增強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。

信號(hào)帶寬超過(guò)中頻帶寬的信號(hào)稱為寬帶信號(hào)，信號(hào)帶寬小于中頻帶寬的信號(hào)稱為窄帶信號(hào)。根據(jù)信號(hào)是寬帶信號(hào)還是窄帶信號(hào)能夠有效地定位干擾源。

C.掃描時(shí)間

儀器接收的信號(hào)從掃描頻率范圍的最低端掃描到最高端所使用的時(shí)間叫做掃描時(shí)間。掃描時(shí)間與掃描頻率范圍是相匹配的。如果掃描時(shí)間過(guò)短，測(cè)量到的信號(hào)幅度比實(shí)際的信號(hào)幅度要小。

D.視頻帶寬

視頻帶寬的作用與中頻帶寬相同，可以減小儀器本身的帶內(nèi)噪聲，從而提高儀器對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。

2.用頻譜分析儀分析干擾的來(lái)源

2.1 根據(jù)干擾信號(hào)的頻率確定干擾源

在解決電磁干擾問(wèn)題時(shí)，最重要的一個(gè)問(wèn)題是判斷干擾的來(lái)源，只有準(zhǔn)確將干擾源定位后，才能夠提出解決干擾的措施。根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)確定干擾源是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)樵谛盘?hào)的所有特征中，頻率特征是最穩(wěn)定的。因此，只要知道了干擾信號(hào)的頻率，就能夠推測(cè)出干擾是哪個(gè)部位產(chǎn)生的。

對(duì)于電磁干擾信號(hào)，由于其幅度往往遠(yuǎn)小于正常工作信號(hào)，因此用示波器很難測(cè)量到干擾信號(hào)的頻率。而用頻譜分析儀做這種測(cè)量是十分簡(jiǎn)單的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠?qū)⑴c干擾信號(hào)頻率不同的信號(hào)濾除掉，精確地測(cè)量出干擾信號(hào)頻率，從而判斷產(chǎn)生干擾信號(hào)的電路。

2.2 根據(jù)干擾信號(hào)的帶寬確定干擾源

判斷干擾信號(hào)的帶寬也是判斷干擾源的有效方法。如：在一個(gè)寬帶源的發(fā)射中可能存在一個(gè)單個(gè)高強(qiáng)度信號(hào)，如果能夠判斷這個(gè)高強(qiáng)度信號(hào)是窄帶信號(hào)，則它不可能是從寬帶發(fā)射源產(chǎn)生的。干擾源可能是電源中的振蕩器，或工作不穩(wěn)定的電路，或諧振電路。當(dāng)在儀器的通頻帶中只有一根譜線時(shí)，就可以斷定這個(gè)信號(hào)是窄帶信號(hào)。

3.用近場(chǎng)測(cè)試方法確定輻射源

除了上述的根據(jù)信號(hào)特征判斷干擾源的方法以外，在近場(chǎng)區(qū)查找輻射源可以直接發(fā)現(xiàn)干擾源。在近場(chǎng)區(qū)查找輻射源的工具有近場(chǎng)探頭和電流卡鉗。檢查電纜上的發(fā)射源要使用電流卡鉗，檢查機(jī)箱縫隙的泄漏要使用近場(chǎng)探頭。

3.1 電流卡鉗與近場(chǎng)探頭

電流探頭是利用變壓器原理制造的能夠檢測(cè)導(dǎo)線上電流的傳感器。當(dāng)電流探頭卡在被測(cè)導(dǎo)線上時(shí)，導(dǎo)線相當(dāng)于變壓器的初級(jí)，探頭中的線圈相當(dāng)于變壓器的次級(jí)。導(dǎo)線上的信號(hào)電流在電流探頭的線圈上感應(yīng)出電流，在儀器的輸入端產(chǎn)生電壓。于是頻譜分析儀的屏幕上就可以看到干擾信號(hào)的頻譜。對(duì)于機(jī)箱的泄漏，要用近場(chǎng)探頭進(jìn)行探測(cè)。

3.2 用電流卡鉗檢測(cè)共模電流

設(shè)備產(chǎn)生輻射的主要原因之一是電纜上有共模電流。因此當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)有超標(biāo)發(fā)射時(shí)，首先應(yīng)該懷疑的就是設(shè)備上外拖的各種電纜。這些電纜包括電源線電纜和設(shè)備之間的互連電纜。測(cè)量共模電流時(shí)，最好在屏蔽室中進(jìn)行。如果不在屏蔽室中，周圍環(huán)境中的電磁場(chǎng)會(huì)在電纜上感應(yīng)出電流，造成誤判。因此應(yīng)首先將設(shè)備的電源斷開，在設(shè)備沒(méi)有加電的狀態(tài)下測(cè)量電纜上的背景電流，并記錄下來(lái)，以便與設(shè)備加電后測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，排除背景的影響。如果在用天線進(jìn)行測(cè)量時(shí)將頻譜分析儀的掃描頻率局限感興趣的頻率周圍很小的范圍內(nèi)，則可以排除環(huán)境中的干擾。

3.3 用近場(chǎng)探頭檢測(cè)機(jī)箱的泄漏

如果設(shè)備上外拖電纜上沒(méi)有較強(qiáng)的共模電流，就要檢查設(shè)備機(jī)箱上是否有電磁泄漏。檢查機(jī)箱泄漏的工具是近場(chǎng)探頭。將近場(chǎng)探頭靠近機(jī)箱上的接縫和開口處，觀察頻譜分析儀上是否有感興趣的信號(hào)出現(xiàn)。一般由于探頭的靈敏度較低，即使用了放大器，很弱的信號(hào)在探頭中感應(yīng)的電壓也很低，因此在測(cè)量時(shí)要將頻譜分析儀的靈敏度調(diào)得盡量高。根據(jù)前面的討論，減小頻譜分析儀的分辨帶寬能夠提高儀器的靈敏度。但是要注意的是，當(dāng)分辨帶寬很窄時(shí)，掃描時(shí)間會(huì)變得很長(zhǎng)。為了縮短掃描時(shí)間，提高檢測(cè)效率，應(yīng)該使頻譜分析儀的掃描頻率范圍盡量小。因此一般在用近場(chǎng)探頭檢測(cè)機(jī)箱泄漏時(shí)，都是首先用天線測(cè)出泄漏信號(hào)的精確頻率，然后使儀器用盡量小的掃描頻率范圍覆蓋住這個(gè)干擾頻率。這樣做的另一個(gè)好處是不會(huì)將背景干擾誤判為泄漏信號(hào)。對(duì)于機(jī)箱而言，靠近濾波器安裝位置的縫隙是最容易產(chǎn)生電磁泄漏的。因?yàn)闉V波器將信號(hào)線上的干擾信號(hào)旁路到機(jī)箱上，在機(jī)箱上形成較強(qiáng)的干擾電流，這些電流流過(guò)縫隙時(shí)，就會(huì)在縫隙處產(chǎn)生電磁泄漏。

4.關(guān)于電磁兼容測(cè)試診斷的說(shuō)明如下：

電磁兼容測(cè)試一般首先測(cè)量干擾發(fā)射，因?yàn)楦蓴_發(fā)射的試驗(yàn)費(fèi)用一般比敏感度試驗(yàn)費(fèi)用低。另外當(dāng)設(shè)備的干擾發(fā)射能夠滿足要求時(shí)，往往敏感度也不會(huì)有大的問(wèn)題。因?yàn)閹缀跛械慕鉀Q干擾發(fā)射的措施同樣對(duì)改善敏感度有效。

測(cè)量干擾發(fā)射時(shí)要先測(cè)量傳導(dǎo)發(fā)射，不僅要在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量，還要對(duì)更高的頻率進(jìn)行摸底測(cè)量。當(dāng)電源線上有較強(qiáng)的干擾電流時(shí)，要先解決這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)檫@些傳導(dǎo)干擾電流會(huì)借助導(dǎo)線的天線作用產(chǎn)生輻射，導(dǎo)致輻射發(fā)射不合格。

當(dāng)傳導(dǎo)發(fā)射完全合格后，再進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試。對(duì)于輻射發(fā)射不合格的頻率，要記錄下精確頻率，便于在用近場(chǎng)探頭查找問(wèn)題時(shí)，將頻譜分析儀的掃描范圍設(shè)置在干擾頻率附近。

參考文獻(xiàn)

[1]賴祖武.電磁干擾防護(hù)與電磁兼容[M].北京原子能出版社，1993.

[2]孫隆慶.頻譜分析與頻譜測(cè)量[M].北京：人民郵電出版社，1982.

[3]林占江，林放編著，電子測(cè)量?jī)x器原理與使用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.