文章以淺顯易懂的語言介紹了電磁兼容的內涵、表現形式和分類,并較深入地解釋了幾個較為常用的電磁兼容測試。使讀者對電磁兼容有一些初步的了解。
標簽:電磁兼容;電磁騷擾;電磁抗擾;輻射;傳導
1電磁兼容(EMC)的內涵
1.1電磁兼容的含義及由來
顧名思義,電磁兼容就是指不同設備發射的電磁波可以相互兼容,互不影響。當今社會隨著手機,無線路由器的廣泛應用,各種無線通信技術滲透到人們的日常生活中,如GSM,CDMA,WCDMA,LTE,wifi,藍牙,GPS導航等等,還有即將到來的5G時代,可以想象,人們的生活將日益與無線通信技術緊密聯系在一起。但是你是否知道,所有的無線通信背后都不離不開一樣東西,那就是電磁波。
1888年,德國物理學家赫茲用實驗的方式證明了電磁波的客觀存在。為了紀念他,人們就用赫茲作為波動頻率的單位。電磁波的發現,給人們生活帶來了包括無線通信在內的多種便利,如紅外探測,微波加熱,紫外殺菌,x光透視等等。但是電磁波也會帶來危害。比如,天氣干燥人靠近或接觸電器時,可以產生放電現象,瞬間電壓可達幾千甚至上萬伏,可能會使電器失靈;充電時,電源網絡的電壓波動,短時壓降,會產生低頻傳導干擾,也會損壞設備。另外,在戰爭時期,電磁武器產生的大功率干擾可是對方的電子及通信設備無法工作。所以,電磁兼容的概念隨著電磁波的發現也逐漸發展并被重視起來。
1.2電磁兼容的分類
準確來講,電磁兼容有兩方面的含義。一方面,一個設備在正常工作時,它產生的電磁場必須低于一定的限值,不會干擾到其他設備的正常工作,這個概念稱為電磁騷擾(EMI);另一方面,一個設備必須具備一定的抗干擾能力,口保證在其他設備正常工作產生的電磁場中不被干擾,這個概念稱為電磁抗擾(EMS)。
電磁兼容按照電磁波傳輸方式的不同也可以分為傳導和輻射。傳導是指在電磁波以有線的方式在線纜中傳輸,輻射則是至電磁波在空間以無線的方式進行傳輸。
根據上述分類方法,電磁兼容問題可分為傳導騷擾,輻射騷擾,傳導抗擾度,輻射抗擾度,另外電磁兼容還包括靜電放電,電壓波動,諧波閃爍,電快速脈沖群,浪涌,電壓暫降以及磁場干擾方面的研究。
2.電磁兼容測試
為了驗證設備是否具備合格的電磁兼容性,并且可重復、可比較,各主要國家或地區都設立專門機構,制定電磁兼容標準,規范測試方法、測試環境以及測試設備。目前,世界范圍內接受程度最廣是國際電工委員會IEC制定的CISPR系列標準。下面,就來介紹一下標準中規定的幾個最常用的EMC實驗用例。
2.1 傳導騷擾
傳導騷擾指的是電流或數據在線纜中傳輸時,通過線纜,電源端口,控制端口對周圍環境產生的干擾。它的測試原理比較簡單,以電源端口為例。為了測到被測設備(EUT)在電源端口產生的騷擾,首先需要將人工電源網絡(AMN)連接到電源上,它可以濾除電源的雜波,并且給EUT提供穩定的匹配阻抗。然后,將EUT的電源與之相連,同時測量騷擾的接收機也連在AMN上。為避免 EUT在上電期間產生大幅度的瞬態信號,從而對接收機造成損壞,還需要在AMN和接收機之間加上限幅器。對于非落地設備,像手機,電視機等EUT,測試時需要放置在80cm高,至少lmx1.5m的非導電的桌子上(一般為純木質);對于落地設備,需要放置在地面進行測試,但是在地面和EUT之間需要放置最高15cm的絕緣層。具體配置如圖1所示。
2.2 傳導抗擾度
射頻發射機產生的申磁場,可以通過EUT的某個或某些線纜,如申源線,信號線,控制線等,耦合到設備內部從而產生干擾。傳導抗擾度就是檢驗 EUT抵抗這種干擾的能力。測試原理如圖2所示:
首先由信號發生器產生1kHz,80%AM調制的正弦波干擾信號,經放大,兀配,濾波,達到標準中規定的騷擾電壓等級,通過注入設備加到 EUT 上。注入設備首選耦合/去耦合網絡,一般做在一個盒子里,稱為CDN。原因是CDN可以提供最好的測試可重復性,且保護輔助設備。目前有各種類型的CDN可適用于電源線,信號線等。但仍然有些情況下,CDN是不可用的,就必須用其他的注入方式,如電流鉗。測試在150k~80MHz的頻率范圍內以1%的步進方式執行,在每個頻點上,對 EUT的功能進行監控。
2.3輻射騷擾
輻射騷擾的測量要比傳導騷擾復雜得多。首先是場地要求。輻射騷擾通常需要在開闊場(OATS)內進行測試。理想的開闊場一片沒有任何電磁波阻礙的場地。如,沒有建筑物,申纜,樹木等,地下也不能有管道,線纜等物。
這樣的場地顯然是不容易找到,尤其是在經濟較發達地區。所以,標準中規定了其他可替代的場地:半電波暗室和全電波暗室。半電波暗室是指除地面以外四周和頂部都安裝了吸波材料,因此除地面外其他地方幾乎沒有電磁波的反射。全電波暗室則是在半電波的基礎上,在地面也加裝了吸波材料,實際上是模擬了
只有直射波的自由空間。通常,1G以下的輻射騷擾測試在半電波暗室進行,1G以上則使用全電波暗室。
測試前,EUT及其附件按照正常工作的狀態放置在80cm高的桌子上(1G以上為1.5m高),至少lmx1.5m,且材質是非傳導性的。EUT 及其附件的邊緣距天線的參考點為10m(1GHz以下)和3m(1GHz以。測試時,桌子連后放置的EUT及其附件進行360度旋轉,并且在1~4m的范圍內移動天線,以找到最大值。
2.4 輻射抗擾度
輻射抗擾度指的是將于擾信號通過天線輻射出去,在 EUT周圍的空間形成一定水平的場強,如3V/m,然后驗證EUT是否會被干擾。原理與傳導抗擾度類似,干擾源信號也是1KHz,80%AM 調制的正弦波,不同的是需要在全電波暗室中進行,驗證頻率80MHz~6GHz,步進為1%。在第一次執行輻射抗擾度測試之前,需要進行場均運性驗證(UniformFieldArea)。UFA是一個假想的
1.5mx1.5m的平面,在這個平面上均勻劃分了 16個點。如圖3所示。驗證時,在每個點上,使用與測試相同的頻率范圍和步進,并不斷調整功率,使得場強水平保持不變。完成后,在每一個頻點上得到16個功率值。這16個值按高低排序,至少前12個點中的最大值與最小值之差在6dB以內,并記錄該功率最大值為Pc。如果滿足該條件,就說明EUT可以放置于該UFA中進行抗擾度測試。
測試時,在每一個頻點上使用UFA驗證時記錄下來的Pc值,來控制信號發生器和功率放大器的輸入。保證EUT暴露在所需的場強中。然后觀察EUT是否工作正常。
2.5其他EMC測試
其他的EMC測試用例,如ESD是用來模擬人體放電對EUT的影響;電壓閃爍和諧波是驗證 EUT連接共用電網時對其他設備的影響:電快速脈沖群,浪涌和電壓暫降則是模擬公共電網中各種常見干擾,來驗證EUT對抗此類干擾的能力。由于篇幅有限,具體測試過程就不一一介紹了。
3 結束語
電磁兼容與人們的生活息息相關,尤其是現代社會各種無線技術飛速發展,環境噪聲不斷提高。電磁兼容問題日益突出,希望更多的人投入到該領域的研究。
審核編輯黃宇
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