電磁騷擾輻射發射的測試方法

以下將全面介紹電磁騷擾輻射發射的測試方法。電磁騷擾發射（EMI）包括輻射發射（RE）和傳導發射（CE）。輻射發射測試是測量受試設備（EUT）通過空間傳播的騷擾輻射場強。傳導發射測試是測量受試設備（EUT）通過電源線或信號線向外發射的騷擾電壓和電流。

騷擾的輻射發射測試（9KHz～18GHz）

在30MHz～18GHz頻率段，測量騷擾的電場強度。1GHz以下使用開闊場地或半電波暗室，模擬半自由空間；1GHz以上使用全電波暗室，模擬自由空間。如采用替代法測量，則測試場地可用開闊場地、半電波暗室或全電波暗室，測量結果用發射功率表示。

在9KHz～30MHz頻率段，測量騷擾的磁場強度。如果EUT較小，則將其放在大磁環天線（LLA）中，測量騷擾磁場的感應電流。如果EUT較大，則采用遠天線法，用單小環在規定距離測量騷擾的磁場強度。

1.1.1.1 30MHz～1000MHz頻率段的輻射發射測試

為了對輻射騷擾有一個統一的度量，標準不但對測量布置、測量方法作了規定，而且對騷擾測量儀、天線和測量場地都作了嚴格的規定，現分別加以討論。

（1） 測量布置和測量方法

標準要求測試在開闊場地或半電波暗室內進行，場地必須符合NSA（歸一化場地衰減）的要求。測試布置如圖1所示。

測試天線和受試設備（EUT）之間的距離應符合遠場條件，標準規定為3、10m或30m。遠場的場結構比較簡單，電場方向、磁場方向和電波傳播方向三者互相垂直，波阻抗即電場強度與磁場強度之比為377Ω，場強隨距離一次方衰減。近場的場結構比較復雜，在電波傳播方向存在電場或磁場的分量，三者不一定互相垂直，波阻抗不為常數而是隨距離變化，場強隨距離平方或三次方衰減。

圖1：30MHz～1000MHz輻射發射測試的布置

比較近場和遠場的特性可知，在遠場條件下測量場強一致性和重復性較好，測量誤差較小。在遠場條件下測試距離d應滿足下列情況：

a） d ≥ λ/2π， 如EUT被看作是偶極子天線，則誤差為3dB。

b） d ≥ λ， 可看作是平面波，如EUT被看作是偶極子天線，則誤差為0.5dB。

c） d ≥ 2D2/λ， D為EUT的最大尺寸，該條件僅適用于D》》λ的情況。

在30MHz～1000MHz頻率段，λ為10m～0.3m， d=3m、10m、30m時都符合上述遠場條件。

國內暗室絕大部分只能進行3m法測試，而標準上給出的限值很多都是針對10m法測試的，所以應該將它們轉換為3m法的限值，轉換公式為：

L2 ＝L1 （d1/d2）或L2 （dB） ＝ L1 （dB）+ 20lg（d1/d2）

式中L1和 L2分別為測試距離為d1 和d2時的輻射限值，例如GB9245中僅規定了信息技術設備在10m 測量距離處的輻射騷擾限值，由此可轉換為3m處限值，如表1所示。

表1：B級ITE在10m和3m處的輻射限值

一般不同頻率段的限值是不一樣的，過渡頻率點應該采取較低的限值，表1中230MHz的限值應取較低值：30dB（μV/m）（10m法），40dB（μV/m）（3m法）。

在確定測試距離時常遇到起始點和終止點的問題，起始點是被測設備（EUT）的邊框，這在標準上有明確的規定。終止點應該在天線的什么部位？當天線是對稱振子天線或雙錐天線時，終止點在天線的中間部位。當天線是喇叭天線時，終止點應為喇叭口。但當天線是對數周期天線和混合寬帶天線時，終止點就不好確定，標準中也沒有明確規定。對數周期天線，根據其工作原理，在頻率較高時是短振子起作用，；頻率較低時是長振子起作用。如果把終止點定在對數天線的頂端，則高頻測量時距離約為3m，而低頻測量時距離偏移較大。由于天線接收的場強E∝f/d，而由距離引起的測量誤差為△E∝f△d/d2，顯然對于同樣的距離偏移，頻率越高，產生的場的測量誤差就越高，所以筆者認為終止點放在對數周期天線的頂端比較合適。如果天線上已有天線中心的標記，則終止點放在天線中心的標記處。

由于達標測試是測量EUT可能輻射的最大值，所以EUT應放在轉臺上（可360°旋轉）以便尋找EUT的最大騷擾輻射方向。臺式EUT離地面高度通常為0.8m，立式EUT則直接放置地面，接觸點與地面應絕緣。接收天線的高度應該在1～4m（如測試距離為3m或10m）或2～6m（如測試距離為30m）內掃描，記錄最大輻射場強。EUT的輻射電磁波到達天線有兩條途徑，如圖2所示。一條是直達波，一條是通過地面的反射波，天線接收到的總場強為直達波和反射波的矢量和，即由于二條路徑長度不同，電磁波到達天線所需時間不同，因此和有一定相位差Δφ，總場強與Δφ有關。如果和同相，則兩者相加，總場強最大；如果和反相，則兩圖2 輻射電磁波的直達波和反射波 者相減，總場強最小。Δφ與天線高度有關，當接收天線在1～4m之間移動時，接收到的場強也以駐波方式變化，波峰和波谷間的高度差約為λ/2，因此可以保證在30MHz仍能找到最大場強。

由于騷擾場強的水平極化分量和垂直極化分量是不同的，所以測量時應把天線水平放置測水平極化分量，垂直放置測垂直極化分量。垂直放置時天線的最低端離地應大于25cm，以免影響天線的性能。整個測試系統是同軸傳輸系統，應該保持阻抗匹配，即天線的阻擾、同軸電纜的特性阻抗和干擾測量儀的輸入阻抗都應相等，一般為50Ω。阻抗不匹配將引起反射，從而影響讀數的準確性。目前自動化的EMI測試系統己普遍使用，測量儀、天線塔、轉臺都用GPIB（IEEE-488）接口連接，由計算機控制，進行自動測試、數據處理和報告生成。

（2） 騷擾測量儀

騷擾測量儀實際上是一臺超外差式選頻電壓表。騷擾波形通常是由很多頻率組成的，騷擾測量儀可用來測量這些頻率的電壓幅值。圖3是其電路方框圖。

其電路結構類似于半導體收音機。測量時先將測量儀調諧，對準某個頻率fi。該頻率經高頻衰減器和高頻放大器后進人混頻器，與本地振蕩器的頻率fl混頻，產生很多混頻信號。經過中頻濾波器以后僅得到中頻f0＝fl－fi。中頻信號經中頻衰減器、中頻放大器后，由包絡檢波器進行包絡檢波，濾去中頻得到其低頻包絡信號A（t）。A（t）再進一步進行加權檢波，加權可根據需要獲得A（t）的峰值（Peak）、有效值（rms）、平均值（Ave）或準峰值（QP），這些值經低頻放大后可推動電表指示。測量前如果用校準信號發生器的信號進行預先校準， 則可以直接讀數。騷擾信號的讀數等效于正弦信號的有效植。

圖3：騷擾測量儀的電路框圖

由于很多騷擾都是脈沖性的，所以騷擾測量儀應能測量脈沖信號，這是它與一般電壓表的不同之處。設輸人信號是幅度為A、寬度為τ、周期為T的脈沖信號。由圖3可見其中頻信號波形［（b）點］為載波頻率為中頻f0的調幅信號，其包絡幅度為2AτGB，G為中頻放大器和以前各級電路的增益，B為中頻帶寬；包絡主瓣寬度為2/B，兩個主瓣之間間隔為T．包絡檢波器后的波形［（c）點］只不過是濾去中頻載波后的中頻包絡。由于包絡的寬度和幅度都與中頻帶寬B有關，因此測量儀的中頻帶寬一定要有統一的規定 否則對于同一脈沖信號，由于中頻帶寬不同，測量結果可能不同，這是與僅能測量正弦波的電壓表的一個不同之處。

對同一個脈沖輸人信號的中頻輸出波形進行不同形式的加權檢波，可能得到不同的值，一般包絡的峰值＞準峰值＞有效值＞平均值。騷擾測量中的發射限值（即標準允許的最大騷擾發射量）絕大多數都是以準峰值形式規定的，因為準峰值可以反映人耳或人眼對脈沖騷擾的響應，當脈沖很快上升時，人耳不能立即反應，當脈沖跌落后，人耳的感覺仍有滯留效應。加權檢波的形式是由檢波電路的充放電時間常數決定的，充電慢、放電快得到的加權值就越低，所以對準峰值的充放電時間也要有統一規定。這是與僅能測量正弦波的電壓表的又一個不同之處，因為對于正弦波輸人信號，其中頻輸出波形的包絡的峰值、準峰值、有效值、平均值都是相等的。

圖中（d）點的波形是準峰值加權波形，（e）點是電表讀數。由于電表具有一定的慣性（即電表機械時間常數）所以電表讀數將受一定影響，因此標準規定電表應處于臨界阻尼狀態，并具有確定的機械時間常數。雖然現在大多使用數字化電表，該指標仍然保留，只要在A/D變換器后加一個二階低通濾波器即可。

由于騷擾測量儀以測量脈沖信號為主，脈沖幅度往往很大，所以測量儀還應該具有較大的過載能力，以免把脈沖頂部削掉。

綜上所述，騷擾測量儀必須具有統一的中頻帶寬、檢波器充放電時間常數、電表機械時間常數和過載系數，這樣才能保證在測量同一脈沖信號時得到一致的結果。表2為GB/T6113.1規定的騷擾測量儀指標。其中各頻率段的范圍為：

A頻段——9～150kHz；

B頻段——0.15～30MHz；

C頻段——30～300MHz；

D頻段——300～1000MHz；

表2：騷擾測量儀的四大類指標

為了鑒別騷擾測量儀是否達到了表2規定的四大類指標，標準又進一步規定了騷擾測量儀的絕對脈沖特性和相對脈沖特性。所謂絕對脈沖特性指輸人規定的周期脈沖信號時騷擾測量儀的讀數應達到規定的值。絕對脈沖特性見表3。

表3：騷擾測量儀的絕對脈沖特性

表3的含義是：在A、B、C、D各頻段內，分別輸入各自的標準周期脈沖，要求脈沖的幅度×寬度等于a（μVs），重復頻率為c（Hz），該周期脈沖的頻譜至少應該在b（MHz）以下是均勻的，脈沖信號發生器的源阻抗應和騷擾測量儀輸入阻抗相等。對于該輸人信號，騷擾測量儀在該頻段的任何頻率上的讀數都應該等于60dB（μV）。

所謂相對脈沖特性指輸人周期性脈沖信號時，脈沖的重復頻率越高，其讀數越高，重復頻率低，讀數低。當讀數不變時輸人脈沖的幅度和重復頻率的關系應符合表4的規定。

表4中各頻段的輸入脈沖的相對等效電平，以絕對脈沖特性中的該頻段的標準周期脈沖的幅值為基準（定義為0dB）。如果騷擾測量儀的絕對脈沖特性和相對脈沖特性都符合表3和表4的要求，則說明該騷擾測量儀的四大類指標基本符合表2的要求。

表4：騷擾測量儀的相對脈沖特性

騷擾測量儀除了具有準峰值測試功能外，一般還具有峰值和平均值測試功能，峰值檢波器的放電時間常數（TD）和充電時間常數（TC）的比值要遠遠大于準峰值檢波器，各項段的TD/TC值如表5所示。

表5：騷擾測量儀峰值測量時的指標

峰值測量時中頻帶是可以選擇的，其選擇范圍和優選值如表5所示，在給出騷擾電平時應標明所選帶寬。對于非重疊騷擾，指中頻段輸出波形中的各個主瓣不重疊，見圖3中（b）點波形，由于峰值測量結果和帶寬成正比，所以測量結果也可用對于1MHz帶寬的歸一化值V1MHz （dBμＶ/MHz）來表示。

V1MHz （dBμＶ/MHz）═Ｖ（dBμ）+20lg 1MHz/Bimp

式中Bimp為脈沖帶寬，與6dB帶寬B6 的關系為Bimp =1.05 B6。Ｖ（dBμ）為使用Bimp帶寬時的峰值測量讀數， 20lg 1MHz/Bimp為1MHz和Bimp的比值的對數。峰值測量所需的過載系數比峰值測量小的多，檢波器前電路的過載系數只需比1稍大些即可。

峰值測量時的絕對脈沖特性的含義和準峰值測量是相同的，只不過輸入的標準脈沖強度不同，標準規定為脈沖幅度×寬度=1.4/Bimp（mＶs）， Bimp單位為Hz ，具體數值見表6。對于標準脈沖輸入，測量儀在該頻段上的任何頻率上的測量結果均應該等于60dB（μＶ）。

騷擾測量儀用于平均值測量時，帶寬的選擇同峰值測量方法。檢波器前電路對于脈沖重復頻率為fPR 的脈沖過載系數應該為Bimp/fPR，但是實際上當fPR很低時，接收機不可能提供足夠的過載系數。平均值測量時要求的絕對脈沖特性和峰值基本一樣，但各頻段的重復頻率不同，即輸入標準強度為1.4/Bimp（mＶ．s），重復頻率為Ａ頻段：25Hz;B頻段：500Hz;C和D頻段：5KHz。對于標準脈沖輸入，測量儀在該頻段上的任何頻率上的測量結果均應該等于60dB（μＶ）。

表6：峰值測量時的絕對脈沖特性

騷擾測量儀可以進行準峰值測量、峰值測量和平均值測量。當輸入信號是正弦波時，無論用何種方式測量，得到的讀數都是相同的，等于該正弦波的有效值，精度應優于±2dB。但是如果輸入的是周期脈沖信號，則三種測量方法得到的讀數是不一樣的，其結果如表7所示。

表7：峰值、準峰值和平均值測量的結果比較

表中 E——正弦波的有效值；

δ——脈沖強度，等于脈沖幅度×脈沖寬度，單位：mＶS

Bimp——脈沖寬度；Bimp=1.05B6

fPR——脈沖重復頻率；

P（α）——準峰值檢波效率，與檢波器的充、放電時間常數、脈沖重復頻率和帶寬有關，P（α）≤1。

由表7可知，峰值測量結果≥準峰值測量結果。表6中列出了輸入標準脈沖，在標準寬帶情況下峰值與準峰值表頭指示之比值。表8列出了具有相同帶寬的準峰值和平均值表頭指示之比值，由表可知，準峰值≥平均值。對于規則的周期性脈沖可以根據表7來進行峰值、準峰值、平均值之間的轉換。但是一般騷擾都是隨機的，很難進行彼此間的換算，因此有些標準同時規定了發射測量的準峰值限值和平均值限值。

表8：在相同帶寬條件下準峰值和平均值表頭讀數之比值

在準峰值測量時，如想要在某個頻率點得到較穩定的測量值，則測量時間應大于檢波器充放電時間和電表機械時間常數之和，并且測量不止一個周期，所以一般準峰值測量時間要求比較長。如果測量儀具有掃頻測量功能，則設置的掃描時間應符合表9的規定。在實際測量中，往往先用峰值進行全頻段測量，然后再對超過限值的頻率點進行峰值測量，這樣可以大大節省測量時間。

表9：最小掃頻時間

綜上所述騷擾測量儀由于規定了四大類指標和二個脈沖特性，所以可以測量脈沖信號和正弦信號，在測量正弦信號時無論采用哪一種檢波方式，結果都是一樣的。一般的電壓表（包括場強儀）僅能測量正弦波，不能測量脈沖信號。騷擾測量儀目前市場上有二種基本類型，一種是測量接收機類型，它是單頻點測量，靈敏度較高，自動化程度高的可以自動掃描各頻點。另一種是頻譜分析儀類型，可以顯示整個頻段，但靈敏度稍低些。但是無論什么類型的測量儀，只有符合GB/T6113.1規定的四大類指標和二個脈沖特性后才能進行EMI測量。

（3）測量用天線

圖4：EMI測量用的天線

（a） 雙錐天線 （b）對數周期天線 （c）混合寬帶天線 （d）喇叭天線 （e）對稱振子天線

天線用來接收騷擾電磁場，把場強轉變成電壓，騷擾測量儀測量的是轉變后的電壓值，所以測量儀的讀數只有加上天線系數后才能得到騷擾場強，如果連接天線和測量儀的同軸

電纜有損耗，則還應加上損耗值，即

騷擾場強［dB（μV／m）］＝測量儀讀數［dB（μV）］十天線系數（dB）＋電纜損耗（dB）

每部天線都有天線系數，該系數與頻率有關，曲線一般由天線制造商給出。電磁騷擾測量中

常用的天線為寬帶天線，便于自動化掃頻測量。一般用雙錐天線（30～300MHz）和對數周期天線（200～1000MHz），最近又推出把二種天線合二為一的寬帶天線（30～1000MHz）。在測量1GHz以上的頻率時常用喇叭天線，喇叭天線具有很強的方向性。有時EMI測量也用對稱振子天線，其長度應該等于被測頻率的半波長，由于改變測量頻率時需同時改變振子長度，所以這種天線不適合進行自動化掃頻測量。以上這些天線的形狀見圖4。

1.1.1.2 1GHz～18GHz頻率段的輻射發射測試

1GHz～18GHz頻率段的輻射發射測試一般使用全電波暗室，現以工科醫（ISM）設備為例說明。由于試驗場地是自由空間，只有直達波，沒有反射波，所以接收天線可以設置在與EUT同一高度上，不必上下移動。但是轉臺仍需360度轉動，以獲得最大值。測試距離為3米。天線應采用小口徑定向天線，水平和垂直二種狀態都要測試。測量采用頻譜分析儀，因為工科醫（ISM）設備在運行期間工作頻率可能會有明顯變化，所以采用全景分析比較適宜。頻譜分析儀應設在最大保持方式和對數dB顯示方式。測量結果用電場強度的峰值或平均值表示（不用準峰值）。峰值測量時采用1MHz的分辨率帶寬和視頻帶寬，平均值測量時仍采用1MHz的分辨率帶寬，但是視頻帶寬應大大縮小至10Hz，相當于加入一個低通濾波器。

1.1.1.3 30MHz～18GHz頻率段的輻射發射替代法測試

輻射發射測試時，測量天線接收到的騷擾強場包括兩個部分，一部分是EUT內部的導線和電路直接通過機箱殼體的縫隙向外的輻射，稱殼體輻射，另一部分是由外接電纜引出的共模電流輻射。替代法測試的目的是僅僅測試EUT的殼體輻射，所以要求拆除所有可以拆卸的電纜，不能拆卸的電纜上要加鐵氧體磁環，并放在不會影響測量結果的位置上。

圖7所示為替代法測試的方法和布置。首先用半波振子天線A和測量接收機測量出EUT的最大騷擾值，然后用半波振子天線B替代EUT。調節信號發生器輸出功率，直至測量接收機達到同樣的值。記錄替代天線B的輸入端功率，即為EUT的殼體輻射功率。

由于采用替代法，所以對試驗場地的要求比較寬松，只要求替代天線B在各方向上移動±10cm，測量值變化不超過±1.5dB既可。合格的開闊場地、半波暗室和全電波暗室都符合上述要求，都可以進行替代法測試。

測試天線A的高度h應和EUT中心的高度相同，只要求h》1m，測試天線A也不需上下移動。但要求EUT在常規放置位置和90o翻轉位置上分別旋轉翻360o，以便尋找EUT的最大騷擾值。

測試距離d雖然沒有明確要求，但最好還應符合遠場條件。d的起始點為EUT的幾何中心，終止點為測量天線A的天線中心。替代試驗和校準試驗時，替代天線B應置于EUT 的幾何中心。

對天線的要求：在30MHz～1GHz頻段，測量天線A可采用半波振子天線，也可采用寬帶天線，但替代天線B則必須用半波振子天線。1GHz～8GHz 都用線性極化的喇叭天線。

替代法的校準很重要。一般水平極化和垂直極化狀態都要進行校準。校準時發射天線B與測量天線A平行放置，對于每個頻率點，都要記錄發射天線的輸入功率和測量接收機的接收電壓的關系曲線，找出校準系數K（f）。以后測試時就可以直接將測到的最大騷擾電壓加入校準系數K（f）后得到殼體輻射功率，不必再做替代試驗。

圖7：輻射發射的替代法測試

1.1.1.4 9KHz～30MHz頻率段的磁場輻射發射測試

9KHz～30KHz頻段用環型天線測量EUT輻射的磁場分量。測量方法有兩種：一種是大環天線（LLA）法，見圖8；一種是遠天線法。采用何種方法主要是由EUT的尺寸決定的，例如對于工科醫（ISM）設備，國標GB4824規定，直徑為2m的LLA可測量的最大設備其對角線尺寸不應超過1.6m。大環天線法比較好，因為EUT的三個正交磁偶極距的磁場分量都可以測量，三個環上都有電流探頭，測量結果用大環上的磁感應電流dB（μA）表示。大環的標準直徑為2m，也可用1、1.5、3和4m直徑的大環，但結果都應轉換到2m大環上，以便和標準規定的限值比較。大環天線（LLA）測量系統應使用規定的標準天線進行校準，所以大環法也可以視做某種替代法，即EUT的磁場輻射強度等效于標準天線的輻射強度。如果EUT太大無法使用LLA法，則應采用遠天線法。例如國標GB4824規定，尺寸超過1.6m的家用感應炊具的輻射磁場測量，使用直徑0.6m的單小環天線，測量距離3m。單小環天線垂直地面放置，最低部高于地面1m（典型值），所以測量得到的是環天線處的磁場的水平分量，但是由于測量處于近場條件，地面又有反射，所以測量所得的值仍然反映了EUT的水平和垂直偶極距的情況。

圖8：大環天線（LLA）法測量EUT輻射的磁場分量