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基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

2020年04月06日 15:33 ? 次閱讀

進行開場測試時,有時候不方便多次關閉和打開被測設備的電源。本文探討了在這種情況下,如何辨識環境信號的影響,識別出被測設備(DUT)的輻射發射信號。本文討論了采用現代信號分析儀和EMI接收機進行開闊場地的輻射發射測量的實現方法。

1、概述

開場的輻射發射測試(OATS)測量中,需要確定信號分析儀上顯示的信號到底是被測設備的輻射信號還是來自周圍環境的信號。反復地關閉被測設備,以檢查信號是否消失,再打開設備電源繼續測試,是一項繁復的工作。

本文介紹了幾種方法用來區別被測設備信號和環境信號,希望能解決OATS測量工作中遇到的問題。這些技術包括:采用轉臺來辨識被測設備信號和環境信號;采用雙天線進行信號辨識;采用屏蔽法和采用調諧與監聽法辨識信號。本文同時也介紹了如何使用跡線加減(Trace math)功能在信號分析儀顯示的被測信號中去除環境信號。還探討了使用具有信號列表(Signal List)功能的EMI接收機和信號分析儀去除環境信號僅留下被測設備信號的方法。

2、辨識環境信號的若干方法

2.1、采用轉臺法確定被測信號

如果被測設備的電源不容易頻繁打開或關閉,測量中可以使用一個轉臺(turntable)來幫助識別被測信號。大多數情況下,從被測設備輻射出來的信號在某個平面比其他平面更強。當轉臺旋轉時,被測設備輻射信號的幅度會隨之變化。旋轉轉臺并觀察接收機上的信號幅度,尋找最大和最小信號。記錄下高于規范限制或裕量的信號的最大值、頻率和轉臺位置,便于進一步分析該信號。

轉臺旋轉進行測量的方法之所以可以標識出環境信號,因為當轉臺旋轉時,環境信號的幅度不會隨之改變。如果在相同區域進行多次測量,建議使用一個列表來記錄環境信號的頻率和幅度。

2.2、雙天線法辨識環境信號

一種非常靈活的辨識環境信號的方法是使用雙天線法。通常第一個天線用于正常輻射測量,放置于規范定義的距離被測設備平面10米遠處,第二個天線放置于兩倍距離處。兩個天線使用一個射頻開關與接收機連接,正常測量時用第一個天線,當遇到異常信號,可能是環境信號也可能是被測設備輻射信號,切換到第二個天線再次測量。如果兩次測量的信號幅度大致相同,則該信號是環境信號,如果第二次測量的幅度值低6 dB左右,則該信號是被測設備發出的信號。

雙天線法使用的天線應是相同的類型并且具有類似的傳輸因數。另外,兩個天線和被測設備要盡量成直線放置。以保證每個天線接收到的輻射來自被測設備的同一平面。

2.3、屏蔽法辨識環境信號

如果被測設備的電源不方便打開和關閉,一種較少用到但很經濟的方法是在被測設備和測量天線之間放置一個屏蔽板。屏蔽板通常是鋁板,與天線垂直,重要的一點是,屏蔽板必須接地,與OATS地平面連接。在大風天使用這種方法可能會有問題,因為很難保證鋁板穩定地固定在測試場地上。

2.4、調諧與監聽法識別環境信號

很多信號分析儀和EMI接收機提供解調某個標記(marker)處調幅信號或調頻信號的功能。在感興趣的信號點放置標記,選擇調幅、調頻或調相等相應的解調方法進行解調。當信號被解調時,掃描會在標記處暫停一段時間。這對于快速辨識是本地無線電臺還是被測設備輻射信號非常有用。該方法不適用于辨識數字通信信號(手機,數字電視等)。

2.5、信號列表法去除環境信號

信號分析儀和EMI接收機的一個功能是可以把信號峰值放入信號列表(Signal List)。這些峰值可能是被測設備輻射信號,也可能是來自周圍環境的信號。圖1是一個典型的捕獲到的輻射信號顯示,既有被測信號又有環境信號。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖1、輻射發射

對信號列表進行操作,例如用標記信號、刪除信號的功能可以將信號列表減少到只有被測設備輻射信號和在兩次掃描中的某次沒有出現的環境信號。

操作過程非常簡單,第一次掃描,被測設備電源未打開,記錄信號列表;然后打開被測設備電源,進行第二次掃描,再記錄信號列表;搜索兩次掃描都記錄到的重復信號。這些重復信號就是兩次掃描都出現過的環境信號。圖2顯示了標記出重復信號的信號列表。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖2、標記重復信號

刪除重復信號,剩下的信號就是被測設備信號和在兩次掃描的某一次未出現的環境信號。圖3顯示了刪除重復信號后剩下的信號。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖3、刪除重復信號后剩下的信號

2.6、從顯示的頻譜中去除環境信號

進行EMI測量的根本目的是辨識出被測設備的輻射信號,去除其他無關信號,因為一旦所有被測信號能被辨識出來,再執行準峰值或平均值測量,即可確保所有被測設備輻射信號能通過規范規定的限制。如果信號分析儀沒有上述的信號列表功能,也可以使用先進分析(Advanced Analysis)功能來去除顯示的環境信號。

下述方法取決于現代信號分析儀的功能,必須具有足夠的數據點以保證寬帶掃描的頻譜分辨率。數據點越多,信號未被采集的可能性越小,顯示的幅度比期望值更低。

消除顯示的環境信號的原理相當簡單。一條跡線中包含了環境信號和被測設備信號,另一條跡線中僅包含了環境信號,兩條跡線做減法,即可得到僅有被測設備信號的信號跡線。

盡管原理很簡單,但真正實現過程還是比較復雜的。最終目的是獲得一組可疑的被測信號,再進行準峰值檢波或者平均值檢波的重新測量。

成功的關鍵是分而治之。圖4中的跡線顯示出很多的被測信號和環境信號之間間隔非常近。頻譜儀的頻率精度決定了在屏幕上能顯示間隔多近的一組信號。如果頻率精度很低,那能分辨出的信號需要間隔比較大。而如果頻率精度相當好,則可以分辨出間隔非常近的信號。另外,掃描寬度越大,信號看起來越接近。

下面簡要總結了從頻譜顯示中消除環境信號的過程:

1.在轉臺上搭建好被測設備并按照規范設置好天線。
2.連接信號分析儀和天線,加載校正因子,選擇規范要求的限制線,保證噪底和限制線之間的靈敏度足夠,通常至少有6 dB。否則,需要增加一個低噪聲放大器提高靈敏度。
3.打開被測設備電源并觀察頻譜顯示。調整截止頻率來減小掃寬,直到頻譜顯示大約25或30個信號。注意,此時的頻譜包括了環境信號和被測設備信號。增加跡線平均數以減小噪聲。保存該頻譜為跡線1。
4.關閉被測設備電源并保存該頻譜為跡線2。
5.使用跡線加減功能,本例中即計算功率差,用跡線1減去跡線2得到跡線3。跡線3上的信號包括了被測設備信號以及出現在保存跡線1和跡線2期間的任何信號。
6.將跡線3上的信號的幅度和對應頻率一一記錄下來,用于進一步分析。
7.轉臺旋轉90度,再次重復步驟3至6。把所有測量結果保存在一個大表中。
8.檢查保存的測量結果,如果信號幅度高于限制線,放大該信號,并進行一次“measure at marker”測量。保證其準峰值測量結果低于限制線。

2.6.1、消除環境信號的具體步驟

消除環境信號的過程采用一臺現代中檔信號分析儀,在經濟型中檔信號分析儀上也可以實現。

下面顯示的是,10米法雙錐形天線滿足規范EN55022的測量限制線。連續減小截止頻率到只顯示大約20個信號,其中包括被測設備信號。

2.6.1.1、同時顯示環境信號和被測信號的頻譜

圖4(跡線1)顯示的頻譜既有環境信號又有被測設備發出的信號。采用跡線平均以使得顯示跡線平滑化。本例中采用了100次跡線平均來降低噪底,并穩定環境信號。這是已經消除了環境信號,僅留下被測設備信號的跡線。

注意周圍環境隨著信號衰落不斷變化。信號幅度可能隨時間改變。當該跡線被存儲后,如果環境信號幅度減小或者完全消失,那么這一環境信號可能顯示為一個被測設備信號。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖4、被測設備信號加上環境信號

圖5(跡線2,藍色)顯示的是當被測設備電源關閉時的環境信號。也是100次跡線平均以減小噪聲和斷續性信號。用跡線1減去跡線2。如果一個環境信號出現在跡線2上但沒有出現在跡線1上,結果會出現一個負值的尖峰。這個負值尖峰是由于減法導致的。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖5、環境信號

從跡線1中減去跡線2,采用的是信號分析儀具有的計算功率差的功能。功率差功能使用運算符Operands。定義跡線1為Operand 1,跡線2為Operand 2。跡線1減去跡線2,得到跡線3,是兩者的差。這時,跡線1處于靜止(View)模式,跡線2也處于靜止模式,而跡線3處于激活(clear write)模式。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖6、被測設備信號和環境信號跡線減去環境信號跡線

大多數環境信號可以被消除,剩余的環境信號幅度值非常低,這些殘余信號產生于頻率的改變,即它們對應在跡線1上的頻點和在跡線2上的頻點發生了變化。

一條跡線分成5000點的話,每個點代表54 kHz的頻帶寬度。點數對于消除環境信號非常重要。如果選擇的點數過少,被測設備信號與環境信號間隔過近時,可能被當作環境信號刪除。另一方面,如果選擇的點數過多,一旦環境信號的頻率微小改變,可能對應兩條跡線上的點就不同了,這樣兩條跡線相減時該環境信號點就不能被消除。這種情況通常發生在調頻站(FM Stations)。如果仔細觀察跡線3,會發現有些信號顯示出幅度值變低很多。這些信號點就是在跡線1和跡線2上對應的頻率有變化。而在跡線1上采集到的被測設備信號的幅值幾乎沒有變化或者僅有很小的變化。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖7、關閉跡線1和跡線2后的顯示

關閉跡線1和跡線2后,更容易看清楚余留的信號。被測設備信號很容易被識別。所有其他信號都低于限制線或裕量線。

圖7中的跡線,在某些情況下,會顯示超過屏幕底部。這是由于計算出的功率差是負值,超過了測量顯示范圍。下一步是保存結果,進行準峰值或平均值的最終測量。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖8、顯示線和被測信號跡線

顯示線用于采集被測設備信號。高于顯示線的信號記錄在峰值列表里以進行下一步分析。通常顯示線位于限制線或裕量線處。注意,不是跡線上所有的信號都來自于被測設備,它也有可能是跡線1或跡線2未能同時采集到的信號。

基于信號分析儀和EMI接收機的輻射發射測量實現

圖9、被測設備信號的峰值列表

識別出需要進行下一步分析的信號,記錄在列表里并保存為.csv文件。調回文件,使用規定的檢波器測量這些信號點的幅度和頻率,記錄結果列表并保存,可用于以后再次測量。如果存在不滿足規范的信號,需要對被測設備重新設計和重新評估。

3、環境信號不同辨識方法的比較

3.1、轉臺法

當被測設備不易關閉電源時,適合選擇轉臺法。需要記錄和比較從4個方位測量的數據以分辨被測設備輻射信號。

3.2、雙天線法

該方法對于單獨的信號辨別最快。在兩個天線間簡單切換,即可簡單地看到信號是環境信號還是被測設備信號。但該方法需要非常大的測試場地。

3.3、屏蔽法

設置屏蔽是成本最低的方法。然而,這個方法有點麻煩,需要安裝和拆除。當有多個信號需要分析時,適合采用屏蔽法。

3.4、信號列表法

信號列表法速度很快,允許用戶直接在信號列表中選擇被測設備輻射信號進行最后測量。使用的信號分析儀必須具有信號列表功能,例如安裝了安捷倫N6141A EMC測量應用軟件的信號分析儀。

3.5、頻譜顯示去除環境信號

該方法的優點是,只顯示被測設備輻射信號和沒有被某條跡線捕獲的信號(環境信號或者環境信號加上被測信號)。可以直接觀察到被測設備輻射信號。使用的信號分析儀需要具有跡線加減功能。

4、結論

采用哪種方法去除環境信號取決于被測設備、周圍環境和使用的場地。例如:被測設備比較復雜(即:很多內部時鐘),可以使用信號列表法或頻譜顯示法。如果環境干擾比較小(遠低于限制線),可以使用轉臺法。

作者:Dennis Handlon,Agilent Technologies

譯者:林浦(安捷倫中國通信產品中心)、楊培文(安捷倫中國通信產品中心)

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高頻開關電源產生的電磁騷擾可分為傳導騷擾和輻射騷擾兩大類。傳導騷擾通過交流電源傳播,頻率低于30MH....
發表于 2020-03-02 15:55? 236次閱讀
如何解決高頻開關電源的電磁騷擾EMI問題

供電電源上串聯電阻與EMI整改有關聯嗎?

為什么的有的電源上串聯 0.05R有的又串聯 0.1R?各位大佬能解釋下嗎?  是為了后續EMI整改預留的位置還...
發表于 2020-03-02 10:37? 604次閱讀
供電電源上串聯電阻與EMI整改有關聯嗎?

擴頻頻率調制以降低 EMI

ADI 公司為減少傳導干擾和輻射干擾實施的一項技術是擴頻頻率調制 (SSFM)。該技術用于我們一些基....
發表于 2020-02-28 09:46? 673次閱讀
擴頻頻率調制以降低 EMI

高頻中的EMI和EMC應該如何去處理

展望未來,網聯汽車等創新技術有望使競爭進一步加劇,為圍繞日常消費級電氣設備的EMC問題增加一個安全關....
發表于 2020-02-27 16:01? 226次閱讀
高頻中的EMI和EMC應該如何去處理

帶溫度補償RTC芯片的基本原理及差異對比

帶溫度補償RTC芯片的需求正在不斷增加,其應用涉及電表、工業、通信等帶有部分嵌入式付費系統的設備、全....
發表于 2020-02-27 09:30? 757次閱讀
帶溫度補償RTC芯片的基本原理及差異對比

2020年5G有哪些投資機會

Stansberry Research系擁有20年歷史的美國獨立第三投資研究機構,專注于為美股投資者....
發表于 2020-02-20 15:49? 1333次閱讀
2020年5G有哪些投資機會

頻譜分析儀和信號分析儀的區別

頻譜分析儀和信號分析儀的區別       在實驗室和車間最常用的信號測試儀器是示波器。人的思維對時...
發表于 2020-02-12 15:44? 394次閱讀
頻譜分析儀和信號分析儀的區別

EMI濾波器的結構很重要,忽視的后果很嚴重……

從抗電磁干擾角度來說,電源EMI濾波器實際是一個只允許直流和工頻通過的低通濾波器,即從零頻(直流)至截止頻率(...
發表于 2020-01-15 08:00? 990次閱讀
EMI濾波器的結構很重要,忽視的后果很嚴重……

MAX31855常見問題

MAX31855對熱電偶測量結果進行線性化處理嗎?             MAX318...
發表于 2020-01-10 15:33? 6252次閱讀
MAX31855常見問題

從PCB 布板開始,講解如何控制 EMI 輻射

解決 EMI 問題的辦法很多,現代的 EMI 抑制方法包括:利用 EMI 抑制涂層、選用合適的 EMI 抑制零配件和 E...
發表于 2019-12-26 08:30? 772次閱讀
從PCB 布板開始,講解如何控制 EMI 輻射
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