电源的电磁干扰和电磁兼容性测量简介 — 第 2 部分：辐射电磁干扰

来源：Digi-Key
作者：Art Pini

本博客系列文章的 第 1 部分主要讨论了传导电磁干扰 (EMI) 的测量。本文为第 2 部分，讨论了辐射电磁干扰的测量。

辐射电磁干扰是一种不良电磁能量，以横向电磁波的形式或通过电容或电感耦合传输到自由空间。承载随时间变化信号的电路板导体会向空间辐射电磁能量。电路板上的每条走线实际上都是天线，能够发送或接收信号。对于具有较大开关电压和电流的开关模式电源来说，如果设计不当，则很容易产生电磁干扰（图 1）。


图 1：开关模式电源中的信号包括具有高压摆率的宽带电压和电流波形，以及与开关频率相关的窄带信号和振荡信号（如振铃）。（图片来源：Art Pini）

辐射电磁干扰测试需要测量被测设备 (DUT) 所产生电磁干扰信号的电磁场强度，这些信号是高压摆率开关电压和电流中所固有的。

辐射电磁干扰合规性测试在可以隔离信号与 DUT 的屏蔽暗室中进行（图 2）。感应天线与 DUT 保持特定距离，通常为 1 米。通常采用双锥天线和对数周期天线。


图 2：辐射电磁干扰合规性测试在可以将 DUT 与外部射频辐射隔离的屏蔽暗室中进行。（图片来源：Art Pini）

DUT 放在接地平面上方的测试台上。这些特定的辐射往往具有方向性，因此将 DUT 放在转盘上，使感应天线具有良好的直视性。天线也可以移动，并能调节高度。在测试期间，记录产生最高测量响应的方向，并以此作为合规性测试的基准。DUT 的布线也是测试的一部分，包裹在电缆线束中。

测试实验室将使用频谱分析仪或电磁干扰接收器扫描目标频带，寻找接近测试限值的辐射。它会针对所有 DUT 方向和天线极化执行此操作。测试实验室会关注每个方向的辐射，并量化场强的幅度。

Texas Instruments 的 LM61495Q3RPHRQ1 10 安培 (A) 自动降压转换器典型辐射发射测试结果如图 3 所示。


图 3：图中所示为根据 CISPR 25 Class 5，对 LM61495Q3RPHRQ1 10 A 降压转换器进行的典型辐射发射测试。此图绘制了峰值、准峰值和平均检测器响应的测试限值，并显示了峰值（蓝色）和平均（紫色）测量响应的采集数据。（图片来源：Texas Instruments）

此规格给出了峰值、准峰值和平均检测器响应的测试限值。准峰值响应是经过处理的响应，它按照出现频次对幅度峰值进行加权。峰值和平均测量响应都在图中进行了绘制。每个响应的幅度都必须低于相应的测试限值才算合规。

由于合规性测试流程成本昂贵且耗时，因此大多数设计人员都在屏蔽室外使用近场测量进行预合规性测试。使用近场探头，例如 Teledyne LeCroy 的 T3NFP3 套件，在距离 DUT 一英尺（30.5 厘米）范围内进行近场测量。近场探头检测电场或磁场（图 4）。此外，与大多数探头不同，近场探头未经过校准，可用于辐射源的相对测量和定位。


图 4：Teledyne LeCroy 的 T3NFP3 近场探头套件包含三个磁场探头和一个电场探头。（图片来源：Teledyne LeCroy）

T3NFP3 近场探头套件由三个磁场探头和一个电场探头组成。这些探头可以用作宽带天线，感测 300 千赫 (kHz) 至 3 千兆赫 (GHz) 范围内的辐射放射。磁场探头采用环形结构，可供选择的直径为 20、10 和 5 毫米 (mm)。环越大，灵敏度越高，是探测辐射信号的理想工具。环越小，灵敏度越低，但几何精度更高，有助于找到辐射源。磁场与环平面成直角时探头的灵敏度最大。这一角度灵敏度可用于确定源的方向。

电场探头是一个单极天线，使用时需要将探头与测量平面保持垂直。电场探头有助于识别高压源和未端接源。

B&K Precision 的 PR262 与 T3NFP3 相似，但增加了一个 40 dB 的前置放大器，用于检测极低电平信号（图 5）。它的检测频率范围从 9 kHz 到 3.2 GHz。


图 5：PR262 套件与 T3NFP3 相似，但增加了一个 40 dB 的前置放大器，以检测极低电平信号。（图片来源：B&K precision）

近场探头的输出端与测量仪器的 50 欧姆输入端相连。绝缘的探头头部通过印刷电路板，同时监测响应，以用于指示辐射源。磁场探头和电场探头都可以用来验证辐射电磁干扰信号的来源。

结语

由于电路板上的每一条走线实际上都是辐射电磁干扰天线，因此使用 T3NFP3 和 PR262 等近场探头进行预合规性测试至关重要。这些有助于快速检测和隔离电磁干扰源，以便在进行正式和昂贵的合规性测试之前降低电磁干扰。