在電磁兼容（EMC）測試中，開關電源類產品的輻射發射測試常呈現垂直極化方向數據顯著高于水平極化方向的現象?？蛻粼跍y試過程中往往僅關注垂直極化數據，而忽略水平極化方向的結果。本文從測試機理、電磁波極化原理及實際產品特性三方面，系統分析該現象的成因及工程意義。

一、測試系統與極化概念解析

1. 測試系統構成
輻射發射測試在3m/10m法電波暗室中進行，核心設備包括：

· 轉臺系統：承載被測設備（EUT），實現360°方位角掃描

· 天線塔系統：支持1-4m高度調節，配備雙錐/對數周期天線，可切換垂直/水平極化模式

· 測量鏈路：LISN（線路阻抗穩定網絡）、EMI接收機、光通信系統構成完整測試通道

2. 電磁波極化機制**
   電磁波作為橫波，其電場矢量（E）與傳播方向垂直。極化狀態分為：

· 線極化：E矢量固定于單一平面（垂直/水平）

· 圓極化：E矢量端點軌跡為圓

· 橢圓極化：E矢量端點軌跡為橢圓

極化匹配是能量有效傳輸的前提。當接收天線極化方向與來波極化方向存在夾角θ時，極化損失系數Lp（dB）滿足：

垂直極化波被水平極化天線接收時，θ=90°，Lp趨近于無窮大，形成極化隔離。

3. 天線極化特性
   雙錐天線（30MHz-300MHz）與對數周期天線（300MHz-1GHz）的極化特性受以下因素影響：

· 結構參數：振子長度、間距及饋電方式

· 安裝姿態：垂直安裝時，高頻段等效分布電容增加，導致輸入阻抗降低

· 場強分布：遠場區E/H場嚴格正交，近場區存在容性/感性耦合分量

二、垂直極化數據異常成因分析

1. 物理結構耦合效應
   開關電源類產品存在多重垂直極化輻射源：

· 線纜耦合 ：AC電源線、控制線纜常垂直于參考地平面，與垂直極化天線形成最大耦合系數。實驗表明，線纜高度每增加10cm，垂直極化場強增幅達3-5dBμV/m。

· 結構縫隙 ：金屬外殼縫隙可等效為磁偶極子源，其輻射場強在垂直方向存在峰值。

· PCB走線 ：數字電路高頻信號線（如開關管驅動信號）產生的共模電流，在垂直方向形成強輻射場。

對于電場天線其電磁波的輻射形成示意圖如下：

2. 天線阻抗特性影響

根據傳輸線理論，當源阻抗（Zs=50Ω）與負載阻抗（ZL）不匹配時，反射系數τ滿足：

水平極化時阻抗降低導致反射損耗增加，實際接收場強下降。

天線測量輻射的能量轉換如下：

3. 極化混合效應
現代電源產品輻射場包含復合極化分量：

· 開關管高頻開關產生的奇次諧波，以垂直極化為主

· 控制電路數字信號（如PWM）包含橢圓極化分量

· 散熱風扇等旋轉部件產生圓極化噪聲

在半電波暗室中，鐵氧體吸波材料對垂直極化波的吸收效率較水平極化波低8-12dB，導致垂直極化方向殘余場強增強。
三、工程實踐與整改建議

1. 測試方法優化

· 雙極化同步監測 ：建議同時記錄垂直/水平極化數據，取最大值作為合規判定依據

· 頻譜特征分析 ：通過時域/頻域聯合分析，識別主要輻射源極化特性

· 近場掃描定位 ：使用H場探頭定位PCB級輻射熱點

2. 整改技術路徑

· 線纜管理 ：

· 采用垂直方向屏蔽電纜（如SF/UTP）

· 電源線增加鐵氧體磁環，抑制共模電流

· 結構優化 ：

· 金屬外殼縫隙采用導電膠填充，降低磁偶極子輻射

· PCB布局遵循"3W原則"，減少高頻環路面積

· 濾波設計 ：

· 輸入端增加π型LC濾波器（L=10μH，C=100nF）

· 開關管驅動信號端并聯100pF陶瓷電容，抑制高頻分量

四、結論

開關電源類產品垂直極化數據異常是多重物理機制耦合的結果：

1. 垂直安裝的線纜/結構件與天線形成最大耦合
2. 天線水平姿態下的阻抗失配導致接收效率下降
3. 暗室吸波材料對不同極化波的吸收特性差異

工程實踐中應建立"雙極化監測-根源分析-系統整改"的閉環流程，重點關注：

· 垂直方向輻射源的抑制（線纜/結構/PCB）

· 天線極化匹配優化（阻抗/方向圖）

通過系統化的EMC設計改進，可實現垂直/水平極化數據的均衡控制，可盡量降低產品的EMI噪聲，保證產品RE符合要求。

審核編輯 黃宇