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                                    基于辐射电磁干扰测量的GTEM设计与分析
                                    发布时间:2017-03-07   点击次数:1877次

                                    摘 要:本文主要研究了GTEM 在辐射EMI 中的应用,主要采用多项式修正方法对GTEM 现有的三种计算方法进行修正,通过将GTEM 在辐射EMI 中的测量结果与暗室进行对比,大大提高GTEM 小室用于辐射EMI 的测试精度。

                                    关键词:GTEM 小室,EMI 测量,精度补偿

                                    1 前言

                                    1.1 GTEM 的一般应用现代电子产品正向小型化、智能化发展,开关器件频率越来越高,设计更加复杂,使设备遭受辐射电磁干扰问题日益加重,并且对系统的抗干扰能力的要求越来越高。因而,为了节省产品开发费用与时间,进行辐射电磁干扰噪声测试研究是*的。

                                    目前针对电子产品辐射电磁干扰噪声测试的标准测试方法主要是指开阔场测试以及3m,5m,10m 电波暗室测试。但是开阔场测试以及3m,5m,10m 电波暗室对场地要求较高且造价昂贵,一般企业无法承受。利用GTEM 小室进行辐射EMI测试既能减少测试费用,又能很好地预估辐射电磁干扰噪声,引起了广泛的关注。

                                    关于GTEM 小室用于辐射电磁干扰测量的研究方法通常计算精度不高、实现复杂,且分析结果常与标准测试值存在一定差距,因此需要深入研究将GTEM小室的测量结果对比3m 电波暗室的标准检测结果对GTEM 小室进行校准,为GTEM 小室用于辐射电磁干扰噪声测量提供理论依据。

                                    1.2 本文对EMI 的设计与分析

                                    针对目前利用GTEM 小室进行辐射EMI 测试时精度较低且没有进行噪声源分类的问题,本文主要介绍了一种既适用于共模辐射特性为主,又适用于差模辐射特性为主的的设备的GTEM 测量结果修正方法。该方法通过修正现有总功率、Wilson、Lee 方法,进一步提高了GTEM小室测量辐射EMI 噪声精度。

                                    针对GTEM 小室用于辐射发射的测试实验,本文对共模模型和差模模型分别进行了测量校准实验,通过采用多项式修正方法,从而大大提高了GTEM 小室用于辐射EMI 测试时的测试结果精度,为基于GTEM 辐射EMI 测量提供了有效参考

                                    2 EMI 评估模型设计与分析

                                    目前主要有三种GTEM 小室与远场标准测量的关联算法, 但是目前这三种算法得出的结果与电波暗室结果进行对比,精度较低。

                                    2.1 用于EMI 分析的GTEM 小室模型

                                    该GTEM 小室是由苏州泰思特电子科技有限公司和江苏省电气装备电磁兼容工程实验室合作设计的,其物理结构中包括:上、下盖板,前、后侧板,后盖,芯板,分布电阻面阵,托架,导轨, 屏蔽门,馈源头,终端截角,转台,电源接口和滤波,通风及屏蔽设计等。GTEM 小室外观及其尺寸如 图1 所示,其总长为3 米,zui大测量尺寸为:30cm×30cm×20cm(L×W×H),

                                    GTEM 小室实物如图2 所示.

                                             图1 GTEM内部结构

                                               图2 GTEM小室实物

                                    图3 GTEM小室测量布置

                                    根据电压型驱动电路,本文用一个共模源和一个差模源进行实验。为了有效提取GTEM 小室所测该电路辐射电磁干扰,本文在实验中采用了罗德施瓦茨频谱分析仪ROHDE&SCHWARZ FSC3。测试过程中,频谱仪频谱测试范围设置为30 MHz~1 GHz,根据三种不同算法得到等效3 m 法电波暗室中的测量结果,并将这一结果与3 m 电波暗室中的标准测试结果进行比较。

                                    2.2 总功率算法

                                    根据该辐射体在GTEM 小室中的总辐射功率(2-1),可得到其在等效远场的zui大辐射场强:

                                    计因此可得到GTEM 小室等效远场测量结果,与标准测量值进行比较,所得结果如图4、图5 所示。其中图4 为共模模型的总功率算法结果与暗室结果对比,图5为差模模型的总功率算法结果与暗室结果对比,从图中我们可以看出这两个结果的大致趋势是相同的,但是幅值上相差20-30dB 左右,其精度还有很大的提升空间。

                                    图4 共模模型总功率算法结果和暗室结果对比

                                     

                                    图5 差模模型总功率算法结果和暗室结果对比

                                    2.3 Wilson 算法

                                     根据频谱分析仪测得的电压值可计算GTEM 小室端口输出功率,而GTEM 小室的输出功率可以由辐射体的等效电偶极矩和磁偶极矩表示。不考虑辐射电场或磁场

                                    的相位,该辐射体在GTEM 小室的测量结果转换成等效远场辐射电磁场在x, y, z 三个方向上的分量为:

                                    r 为测试距离,k0 =2π/λ 为波数即电磁波传播单位长度所引起的相位变化,η0=120πΩ=377Ω 为自由空间波阻抗。 由这种算法可得到GTEM 小室等效远场测量结果,与暗室结果进行比较,所得结果如图6、图7 所示。其中图6 为共模模型的总功率算法结果与暗室结果对比,图7 为差模模型的总功率算法结果与暗室结果对比,从图中我们可以看出这两个结果的大致趋势是相同的,但是幅值上相差20dB 左右,其精度还有很大的提升空间。

                                     

                                    图6 共模模型wilson算法与暗室结果对比

                                     

                                    图7 共模模型wilson算法与暗室结果对比

                                    2.4 Lee 算法

                                    该算法给出了同一辐射体在GTEM 小室的输出电压与它在等效开阔场或半暗室的辐射远场关系的直接计算公式,其在Wilson 法的基础上考虑了辐射体等效电偶极矩和磁偶极矩的相位, 为此要求辐射体在GTEM 小室中测试时在每种位置上要旋转5 个角度,以获得共15 个GTEM 小室输出端口电压数据。通过其方法,水平极化电场可表示为:电场可表示为:

                                    从电波暗室结果和GTEM 小室结果的对比(如图8、图9)可以看出,GTEM 小室所得的电场值随频率的变化趋势与标准检测结果一致,其中图8 为共模模型的总功率算法结果与暗室结果对比,图9 为差模模型的总功率算法结果与暗室结果对比,虽然较前两种算法来说,GTEM 结果更加接近于暗室结果了,但是相对暗室结果来说还是有10-20dB 的误差,因此可以采用补偿方法对GTEM 小室进行校准。

                                     

                                     图8 共模模型Lee算法结果与暗室结果对比

                                     

                                    图9 差模模型 Lee 算法结果与暗室结果对比

                                    3 多项式修正法

                                    多项式修正法是指将GTEM 小室结果与电波暗室结果对应频点数据极差求和取平均(记为S’)后补偿到GTEM 小室结果上。公式为:

                                    xi 是各频点下电波暗室测试结果,XGTEMi 是对应频率点GTEM 小室测试结果,A 为(a0, a1, ...,am) ;x 为GTEM 小室测得的辐射电场值;Ei 为该模型计算的GTEM 小室等效远场场强值;ak 为待定系数,由GTEM小室测量值xi 与标准测量值yi 共同确定。

                                    4 实验结果

                                    4.1 共模模型测量结果对比

                                    采用多项式修正方法对共模模型进行校准之后,得到了三种算法新的结果,将每种算法的结果再与暗室结果进行对比,结果分别如图10、图11、图12 所示。从三幅图中我们可以看出,经过校准后的辐射噪声频谱图与3m 电波暗室中的标准频谱图的变化趋势以及数值大小基本一致,校准后使得GTEM 小室的测试结果与标准结果的吻合程度大大提高

                                      图10 共模模型总功率算法改进方法结果

                                     

                                    图11 差模模型Wilson算法改进方法结果

                                     

                                     图12 共模模型Lee算法改进方法结果

                                     图13 差模模型总功率算法改进方法结果

                                     图14 差模模型Wilson算法改进方法结果

                                     图15 差模模型Lee算法改进方法结果

                                    4.2 差模模型测量结果对比

                                    差模模型的测量经过校准后的辐射噪声频谱图与3m 电波暗室中的标准频谱图的变化趋势以及数值大小也基本一致,校准后使得GTEM 小室的测试结果与标准结果的吻合程度大大提高。采用多项式修正方法对共模模型进行校准之后,得到的三种算法新的结果与暗室结果进行对比,结果分别如图13、图14、图15 所示。

                                    5 总结

                                    本文选取了多项式精度校准方法对GTEM 小室的辐射噪声测量结果进行修正,并且对于共模为主的辐射源和对于差模为主的辐射源修正效果都很明显,GTEM 测量数据进行修正后,对于辐射电场曲线的描述更加准确。从实验结果对比来看,在进行精度校准值之后,在低频段(30MHz-150MHz)的改进效果较差,精度的提高并不明显。但是在高频段(150MHz-1GHz)的改进效果较好,与暗室结果的趋势和幅值都很接近。

                                    实验结果表明,校准后的GTEM小室测量结果精度明显提高,为GTEM 小室用于辐射电磁干扰噪声测试提供理论依据。

                                    参考文献

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