高频电路空间电磁辐射特性分析与预估方法

摘要

本发明公开了一种高频电路空间电磁辐射特性分析与预估方法。前置放大器输入端接电流探头，输出端接频谱分析仪；用电流探头卡在电路回路的线缆上进行测量，获取共模电流值；根据共模电流值，计算共模辐射的场强值。前置放大器输入端接差模探头，输出端接频谱分析仪。用差模探头卡在电路回路的线缆上进行测量；获取差模电流值。根据差模电流值，计算差模辐射的场强值。第二步，将电流探头卡在被测电路接地线缆上；把电路的接地线缆分成若干段，然后移动电流探头在接地线缆上的位置，分别测量接地线缆各段的电流参数值，计算电路空间电磁场场强值。用对高频电路的电磁辐射特性进行分析和预估，简便、快速、实用。

说明书

技术领域

本发明涉及的是对电子电路测定电路参数分析和预估电路近场辐射特性的方法，具体说是基于电流测量的高频电路空间电磁辐射特性分析与预估方法，为辐射性电磁干扰(EMI)噪声的机理判断以及抑制提供前提，属于电磁兼容技术领域。

背景技术

现代电力电子产品正面向微型化、智能化，系统的设计也越来越复杂，加上电力电子设备中开关元件的高速开关产生的系统寄生参数，致使设备遭受传导性干扰和辐射型干扰愈加严重，而且对系统抗电磁干扰能力的要求越来越高。因而，为了节省开发时间，节约开发费用，对产品电路空间电磁辐射特性研究是必不可少的。

目前电磁兼容标准是产品市场准入的强制性标准，电气与电子产品无论在国内还是国际市场销售，都必须达到相应的EMC标准才可以在市场上销售。因此，电磁干扰(EMI)噪声发射的测量和抑制是电气与电子设备设计和制造过程中必需考虑的一个重要问题，目前对近场电磁辐射特性的测定通常使用近场电磁场测量的方法，其中，“EMSCAN”系统是市面上比较流行的近场电磁辐射测量系统，它主要是利用探头或者探头阵列对整个电路板进行扫描，并记录下探测由于高频电流发生变化而引起的电磁场的变化，而提供出电磁场在PCB上空间分布的视觉图像。然而此类仪器均较为昂贵，中小企业难以承受，而且此类系统只能给出场强大小的结果，而不能对电路的辐射特性(即共模辐射或差模辐射)给出推断，即不能对电路辐射干扰原因提出指导性建议，即不能由测量结果推断出电路空间电磁辐射是由共模或差模辐射引起的。另外，现有的辐射EMI测量装置都是基于电磁场测量的，可操作性不强，往往给测量的操作带来很大困扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种高频电路空间电磁辐射特性分析与预估方法。该方法直接测量电路的电流参数，通过电流参数分析电路中的共模或差模辐射干扰的相对强弱以及电路空间电磁场变化规律。

基于电路电流参数的高频电路电磁辐射诊断原理

如图1所示为高频电路中的辐射发射图，其中电路环路会引起类似于环状天线的辐射发射，而传输线缆会引起短直天线的辐射发射。图2是电路的共模辐射模型，共模辐射的场强公式为：

$E_{\mathrm{CM}}=1.256\times {10}^{-6}\frac{\mathrm{Ifdl}}{r}\sin \theta ---\left(1\right)$

图3所示为电路的差模辐射模型，差模辐射的场强公式为：

$E_{\mathrm{DM}}=2.632\times {10}^{-14}\frac{f^2\mathrm{IdS}}{r}---\left(2\right)$

从式(1)(2)可以看出差模辐射的最大值与频率的平方、环路面积和差模电流的大小成正比；共模辐射的最大值与频率、导线的长度和共模电流的大小成正比。因为电路中的辐射EMI噪声是由共模电流引起的，而且电路设计方案确定后频率f和环路(包括环路面积dS和导线长度dl)也随之确定，所以只要测量得到环路电流的大小就可以判断电路的电磁辐射中何种辐射比较强。

自由空间中电流导线的辐射电场计算公式为：

$\left(\begin{array}{cc}{E}_{\theta }\approx j\frac{\mathrm{Il}{Z}_0{\beta }_0\sin \theta }{4\mathrm{\pi r}}{e}^{{-\mathrm{j\beta }}_{0}r}& V/m\end{array}\right)---\left(3\right)$

随着频率的增加，沿导线上的电流分布不再均匀一致。为此可以将导线均匀分成N个小段，采用射频电流探头在每小段的中间位置测量其各自电流，设分别为I₁，I₂...I_n。如图4所示，那么总的空间等效辐射场计算转化为：

$\left(\begin{array}{cc}\left|E_c\right|\approx \frac{2\mathrm{\pi f}\times {10}^{-7}F(I_1+I_2+...+I_n)l}{3\sqrt{r^2+{(H-0.8)}^2}}& V/m\end{array}\right)---\left(4\right)$

因此，只需测量导线上的共模电流大小，就可得到电路空间辐射电磁场强度。

基于上述高频电路电磁辐射诊断原理，本发明提出的高频电路空间电磁辐射特性分析与预估方法，其步骤是：

第一步：将电流探头与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端连接至频谱分析仪的输入端；把电流探头卡在电路回路的线缆上进行测量(如图5所示)，从频谱分析仪上可以读取共模电流值；

根据共模电流值，计算共模辐射的场强值：

$E_{\mathrm{CM}}=1.256\times {10}^{-6}\frac{\mathrm{Ifdl}}{r}\sin \theta$

将差模探头与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端连接至频谱分析仪的输入端。把差模探头卡在电路回路的线缆上进行测量；从频谱分析仪上可以读取差模电流值；

根据差模电流值，计算差模辐射的场强值：

$E_{\mathrm{DM}}=2.632\times {10}^{-14}\frac{f^2\mathrm{IdS}}{r}$

如果计算得到的共模辐射场强值远大于差模辐射场强值，则被测电路回路的电磁辐射干扰以共模辐射为主；反之，以差模辐射为主；

第二步，将电流探头卡在被测电路接地线缆上；把电路的接地线缆分成若干段，然后移动电流探头在接地线缆上的位置，分别测量接地线缆各段的电流参数值，计算电路空间电磁场场强值：

$\left(\begin{array}{cc}\left|E_c\right|\approx \frac{2\mathrm{\pi f}\times {10}^{-7}F(I_1+I_2+...+I_n)l}{3\sqrt{r^2+{(H-0.8)}^2}}& V/m\end{array}\right)$

因此可见电路参数(射频电流或电压)与电磁场参数有对应关系，通过测量电路参数可以估计出电路空间辐射电磁场的大小。

本发明通过电流测量，对高频电路的电磁辐射特性进行分析和预估，可以得出：(1)电路中电磁辐射特性，即电路以共模辐射为主还是以差模辐射为主；(2)电路空间电磁场的相对强弱。该方法简便、快速、实用。

附图说明

图1高频电路中的辐射发射。图中描述的是电路环路引起等效环状天线的辐射发射，而传输线缆引起等效短直天线的辐射发射。其中，1是辐射电场，2是辐射磁场，3是高频电流探头，4是高频电压探头，5是被测电路。

图2共模辐射模型。图片描述的是主要由于非良好接地或接地反射电位引起的等效短直天线构成的电偶极子共模辐射噪声。信号地的电位不为零，使得电流返回路径受到影响，这样相当于有一电流从接地电流出，继而产生出共模辐射噪声，此时的电路模型为电偶极子共模模型。其中，6是等效短直天线的线缆，电路的接地点B的电位与地之间的电位不为零，即V_BA≠0。

图3差模辐射模型。图片描述的是没有很好控制的大信号环路引起的等效环行天线构成的磁偶极子差模辐射噪声。电路的大环路走线等效为环状天线，此时的电路模型为磁偶极子差模模型。其中，7为等效环状天线的电路回路。

图4高频电流探头预估原理图，只要测量出接地线缆各段辐射出的场强大小就可以通过计算达到由电路参数预估电磁场参数的目的。其中，电路线缆的每段小单元上的电流I₁、I₂、…I_i…I_n在空间内形成复合场为：$\overrightarrow{E}=f\left(I_i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\overrightarrow{E}}_i.$

图5电流探头测量示意图。电流探头的输入端卡在电路线缆上，输出端与前置放大器输入端相连，放大器的输出接频谱分析仪。其中频谱分析仪、前置放大器和电流探头是相互匹配的，匹配阻抗为50Ω。其中，3是高频电流探头，8是电路回路线缆。

图6被测试件电路原理图。电路中驱动电压为DC5V，CRY、74LS04和74LS90分别为双列直插式10MHz有源晶体振荡器、反相器和十进制加法器，电阻R的大小为330Ω。

图7高频电流探头对60cm²电路(高差模，S1)和24cm²电路(共模差模相当，S2)回路线缆的测量结果。(a)图是对S1电路的测量结果，(b)图是对S2电路的测量结果。其中，频谱分析仪的扫频范围是：30MHz～500MHz，参考电平为90dBuV。

图8使用差模探头对60cm²电路(高差模，S1)和24cm²电路(共模差模相当，S2)回路线缆的测量结果。(a)图是对S1电路的测量结果，(b)图是对S2电路的测量结果。其中，频谱分析仪的扫频范围是：30MHz～500MHz，参考电平为-10dBm。

图9电磁场测量法对60cm²电路(高差模，S1)和24cm²电路(共模差模相当，S2)的电磁场场强测量结果。为了说明电路参数法的有效性，将电磁场测量方法结果与电路参数方法测量结果相比较，其中，红色实线表示对S1电路的测量结果，蓝色虚线表示对S2电路的测量结果。电磁场测量方法中使用的是ROHDE&SCHWARZ公司生产的HZ-11近场探头组。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明方法作进一步详细说明。

为了说明问题，验证本发明方法对电路空间电磁辐射特性分析的有效性，采用十分频电路作为被测试件，电路原理图如图6所示。电路中的DC 5V电源为10MHz有源晶体振荡器、反相器74LS04、十进制加法器74LS90提供驱动电源，晶体振荡器的输出端与一74LS04反相器相连，10MHz信号经反相器输入到十进制加法器74LS90之中，经过74LS90数字电路的分频功能使得信号频率变为原来的十分之一，即1MHz，最后1MHz信号经过另外一块74LS04反相器整形后加到330Ω的输出电阻两端。根据上述电路原理设计不同布线方式的电路。S1表示回路面积60cm²的电路，S2表示回路面积24cm²的电路。根据式(1)(2)可知共模辐射的大小与等效天线长度dl成正比，差模辐射的大小与回路面积dS成正比，因此S1电路是差模辐射模型，差模辐射占主要地位；S2回路相比S1大大减小，其差模辐射已经被有效抑制，共模辐射与差模辐射并存。依据上述方案使用本发明方法对两个电路进行测量，

首先是分析电路中电磁辐射特性。将欧姆定律转化为对数方程，即：

|I_CM|_dBuA＝|V_SA|_dBuV-|Z_T|_dBΩ    (5)

其中：I_CM是共模电流(dBuA)，V_SA是频谱分析仪上的读数(dBuV)，Z_T是匹配阻抗，由于测量仪器之间的匹配阻抗为50Ω，因此|Z_T|_dBΩ＝101g50(dB)。从式(5)可以看出，只要保证测量仪器之间以50Ω阻抗进行匹配，则共模电流值与频谱分析仪上的读数是相互对应的。比如，图7所示的电流探头测量结果，S1电路频谱分析仪读数大小比S2电路约小了4～6dB，所以S1电路的共模电流也比S2电路约小了4～6dB。差模探头的使用与电流探头使用方法类似，图8是差模探头的测量结果，S1电路的差模电流比S2电路约大了10dB。那么，可以得到S1电路中以差模辐射为主，而S2电路中差模辐射与共模辐射并存，其中差模辐射稍大。所以，只需要比较电流探头和差模探头在频谱分析仪上的读数大小就可以快速的得到电路中的辐射以共模为主还是以差模为主。实际上，已知S1电路是差模辐射模型，S2电路中差模与共模并存，所以测量结果与已知一致。

其次是估计电路中电磁场的相对强弱。由上述原理可知电路参数(射频电流或电压)与电磁场参数有对应关系，通过测量电路参数可以估计出电路空间辐射电磁场的大小。在图7中S1电路的共模电流也比S2电路约小了4～6dB，那么由(4)式可得S1电路的共模辐射小于S2电路。为了说明该方案的有效性，使用电磁场测量方法对S1和S2电路进行测量。电磁场探头使用的是ROHDE&SCHWARZ公司生产的HZ-11近场探头组，该探头组可以将电磁场场强大小转换为电压值输出到频谱分析仪当中，其最高频率2GHz。用传输线缆连接探头的输出端和频谱分析仪的输入端，将探头在电路附近空间来回扫描，找出频谱分析仪输出电压最大值，并将之储存到计算机当中。然后按照公式：E_dB(μV/m)＝[V_dB(μV)+AF_dB(1/m)]和H_dB(μA/m)＝[V_dB(μV)+AF_dB(1/m·Ω)]计算，可以分别得到S1和S2电路空间辐射电磁场场强值大小。其中，E_dB(μV/m)、H_dB(μA/m)为电场和磁场强度，V_dB(μV)为频谱分析仪的读数，AF_dB(l/m)、AF_dB(l/m·Ω)为电场探头和磁场探头的天线系数，由探头商家提供。测量结果如图9所示。从图中可见S1电路的辐射电磁场小于S2电路，这与高频电流探头的测量结果是一致的。