基于電路參數模型的輻射電磁干擾噪聲預估方法

張宇環 張宇琛 馬巖冰 王會華 顏偉

(1.上海航天電子技術研究所,上海 201109;2.上海機電工程研究所,上海 201109;3.南京師范大學 江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室,南京 210042)

基于電路參數模型的輻射電磁干擾噪聲預估方法

張宇環1張宇琛2馬巖冰1王會華1顏偉3

(1.上海航天電子技術研究所,上海 201109;2.上海機電工程研究所,上海 201109;3.南京師范大學 江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室,南京 210042)

針對Hubing電流驅動模型中認為電流在輻射線纜中是均一分布的,幅值和相位保持不變即未考慮輻射線纜共模電流頻率效應給輻射電磁干擾噪聲預估帶來的誤差的問題．文中利用電流傳輸波動特性建立了輻射線纜長度與共模電流波長為同一數量級時的輻射線纜共模電流分布模型,并設計電路模型進行測試預估．實驗結果表明:采用文中方法預估輻射電磁干擾噪聲與Hubing電流驅動模型預估方法相比能提高20.12 dBμV/m,更加接近標準暗室測試結果,從而為輻射電磁干擾 (Electro Magnetic Interference,EMI)測試與分析提供理論依據.

電磁兼容;電流驅動輻射模型;共模輻射;輻射電磁干擾;測量校準

引 言

目前電子產品輻射電磁干擾測試標準測試方法是開闊場測試或者電波暗室測試方法[1-2],但開闊場測試及電波暗室測試對場地環境要求較高并且測試場地建設價格不菲,一般企業無法承受．因此,預估電磁干擾源輻射電磁干擾 (Electro Magnetic Interference,EMI) 噪聲的近場測試方法引起了國內外學者的廣泛關注[3-7]．輻射電磁干擾問題研究通常包括輻射干擾源定位、預估和抑制三個方面．輻射干擾源定位是指對輻射噪聲源特征、機理、位置等的獲取與判定,輻射干擾源預估是指不通過標準檢測,對輻射噪聲源可能產生的最大輻射EMI噪聲進行估計,輻射干擾源抑制是指對電子設備產生的輻射EMI噪聲進行處理,并使其滿足相關要求．迄今國內外學者針對上述問題的研究工作可概括如下．輻射干擾源定位研究方面,Aouine分析了Buck電路開關器件近場區域輻射磁場分量,建立了電流環路模型[8];Thomas利用近場電磁場掃描方法建立了一種用于分析印制電路板 (Printed Circuit Board,PCB)輻射干擾噪聲等效偶極子模型矩陣[9];輻射干擾源預估研究方面, Hubing提出了輻射目標電壓驅動型模型和電流驅動型模型[11-12],并結合Green函數法提出了電纜總線分析模型[12-14]．Paul在此基礎上研究了輻射線纜共模電流頻率效應的影響[15]．PAK也提出了輻射線纜共模電流分段處理模型[16],提高了模型精度．但仍然存在一些問題:未充分考慮近場、感應場效應及環境背景噪聲對PCB分布電容、電感以及輻射線纜輸入電容的影響;未考慮輻射線纜共模電流頻率效應對重構精度的影響;未考慮輻射線纜長度與輻射噪聲波長特性對線纜共模阻抗的影響．

針對上述問題,本文針對輻射線纜共模電流頻率效應對重構精度的影響建立輻射線纜復系數共模電流分布模型,利用電流傳輸波動特性建立輻射線纜共模電流分布參數分析模型,據此預估輻射源空間輻射場強,文中設計了電流驅動模型并通過實驗發現,進行線纜共模電流修正后的電流模型預估精度大大提高,為輻射EMI近場預估提供了有效借鑒．

1 電流驅動模型輻射電磁干擾噪聲提取原理

美國的Hubing教授提出了一種基于電路參數分析電流驅動模型,實現了輻射目標快速重構．

圖1 電流驅動共模輻射模型

圖1描述了由電路板連接的輻射線纜驅動產生共模輻射(Common-mode radiation)的機理模型．由于PCB板的寬度有限,由信號電流IDM產生的一部分磁場包圍在電路板周圍,并且在信號回路中存在一個電壓降,即共模電壓VCM．這一電壓降將會產生線纜中的共模(Common Mode,CM)電流,進而驅動電路板上的各種元器件和線纜工作．

信號回路產生的共模電壓VCM可以通過估算電流通路的分布電感得到,其中分布電感為

(1)

式中:ht是信號線到地層的高度;d1和d2是兩個從信號線中心到板子邊緣的最短距離;lt是布線長度.信號線i的電位差為

Vret,i=ωLp,iIDM,i.

(2)

式中IDM是信號線回路差模電流．當不是電小尺寸(小于對應輻射頻率1/10 波長)時式 (2)修改為:

(3)

式中:c是自由空間的傳播速度;εr是板子的介電常數．

當只有一根線纜連接在電路板上時,在距離3 m處的最大輻射場是由線纜和電路板之間的電流驅動電壓引起的,如公式(4)所示:

(4)

式中CB為輻射線纜分布電容．因此,測量電子設備PCB電路板的電路參數,即可估算輻射電磁干擾噪聲大小,進而實現輻射目標重構[18-20]．

為了驗證Hubing電流驅動模型的精度,設計了圖2(a)所示的驗證電路,以5V直流電驅動10MHz晶振工作,回路電阻為100Ω,輻射線纜長度為1m．利用江蘇電氣裝備電磁兼容工程實驗室標準3米法電波暗室以及德國羅德施瓦茨公司(R&S)ESU26電磁干擾接收機進行輻射騷擾(RadiatedEmission,RE)測試,結果如圖2(b)所示．采用R&S公司FSC-3頻譜儀作為近場測試設備,同時采用Angilent公司的電壓探頭85024A測量上述驗證電路中的電壓信號,結果如圖2(c)所示．

由圖2(b)可知,電波暗室測試結果得出30 ～100MHz之間輻射電磁干擾噪聲逐漸增強,100 ～500MHz之間電磁輻射干擾噪聲最高,且噪聲幅值基本一致,500MHz～1GHz輻射電磁干擾噪聲大大降低．

如圖3所示,三角形曲線是電波暗室測試結果,

(a) 電流驅動模型實物圖

(b) 電流驅動模型電波暗室測試結果

(c) 電流驅動模型預估結果圖2 輻射測試結果

圖3 Hubing模型預估結果與電波暗室測試 結果對比圖

五角星形曲線是Hubing電流驅動模型預估結果．由結果可知電流驅動模型預估結果與3米法電波暗室的標準測試結果在趨勢上是一致的,說明電流驅動模型預估的有效性,但幅度相差較大,例如100MHz時相差最大,達到44dBμV/m,說明Hubing電流驅動模型預估精度較差,因此要在電流驅動模型基礎上進一步修正完善,本文利用利用電流傳輸波動特性建立了輻射線纜共模電流分布模型,有效提高了輻射電磁干擾噪聲預估精度．

2 電流驅動模型輻射線纜共模電流分布參數分析方法

Hubing在電流驅動模型中認為輻射線纜共模電流是簡單直流模型,即認為電流在輻射線纜中是均一分布的,幅值和相位保持不變,未考慮輻射線纜共模電流頻率效應．在Hubing模型的基礎上,美國的Paul利用輻射線纜中心點處電流來替代輻射線纜整體共模電流,盡管該模型在一定程度上提高了模型預估精度,但在較高頻率時,精度大為降低．SEEKyeYak提出了輻射線纜共模電流分段模型,該模型較Paul方法更加準確,但并沒有考慮相位因素的影響,僅考慮了幅值疊加,因此,精度仍有待進一步改善．

為了解決上述問題,考慮到當輻射線纜長度與線纜中共模電流對應的波長為同一數量級時,線纜中的共模電流不再均勻分布,利用電流傳輸波動特性建立輻射線纜共模電流分布模型,如圖4所示．

輻射線纜共模電流的分布參數分析模型具體如下:

1) 根據輻射電磁干擾噪聲的頻段特征及λ/4原則(考慮3米標準暗室測試距離是輻射電磁干擾噪聲測試起始頻率30 MHz對應波長的1/4～1/3)將輻射線纜劃分為i段;

2) 以線纜中心點處的電流為基準電流I0,分別在兩側電流疊加不同相位因子ejiα和幅值因子eiξ;

3) 根據麥克斯韋方程組和線纜輻射關系,可得

帶電導線在遠場產生的輻射電磁場:

(5)

式中Z0為自由空間波阻抗．

4) 輻射線纜各段的共模電流均會產生相應的輻射電磁場Ei;

5) 在測試點產生的合成場為不同的輻射電磁場Ei在測試點處的矢量和:

(6)

式中:Z0為自由空間波阻抗,即120π Ω(377 Ω),eiξ為幅值修正因子,ejiα為相位修正因子．

3 電流驅動模型輻射線纜共模電流的分布參數分析模型試驗

為了驗證電流驅動模型輻射線纜共模電流分布參數分析模型的有效性,采用上述輻射線纜電流分段模型,計算上述共模輻射線纜輻射場強,考慮到最惡劣的情況,即輻射相位相同,將每段電流幅值相加進而實現輻射目標快速重構．因此將輻射線纜分成n個小段,將電流探頭卡在每段線纜的中間位置來測量射頻電流,設分別記為I1,I2,…,In．然后,采用公式(7)計算每段線纜的輻射電磁場．由于標準測試環境是開闊試驗場試驗,因此需要考慮地反射效應,故等效輻射場的計算可轉化為以下公式:

(7)

式中:Ec表示輻射電場;l為每小段等效天線長度;f表示測試頻率;r表示開闊試驗場標準測試距離;H表示測試天線高度;F為計算開闊試驗場測試環境下的修正因子,計算公式如(8):

(8)

在本次實驗中,開闊試驗場標準測試距離r取為3 m,測試天線高度H為1.8 m,λ0取為1．在驗證電路中,將輻射線纜分為10段,其中第1段、第5段、第10段線纜測試的電壓值分別如圖5(a)～5(c)所示.

利用公式(9)將電壓測試結果數據轉化為對應分段輻射線纜的電流值,如圖6所示.

(a) 第1段線纜電壓測試結果

(b) 第5段線纜電壓測試結果

(c) 第10段線纜電壓測試結果圖5 分段線纜電壓測試結果

(9)

在圖6所示分段線纜等效電流Ie測試結果的基礎上,利用式(7)計算即可得出輻射線纜共模電流模型預估結果,如圖7和表1所示．圖7中,三角形曲線是3米法標準電波暗室測試結果,正方形曲線是輻射線纜共模電流分布參數模型預估結果,五星形曲線是Hubing電流驅動模型預估結果．從圖中可以看出,三條曲線趨勢上完全一致,但正方形曲線相對于五角星形曲線更加接近三角形曲線,從趨勢上定性說明了輻射線纜共模電流分析模型提高了輻射電磁干擾噪聲預估精度．

(a) 第1段線纜等效電流結果

(b) 第5段線纜等效電流結果

(c) 第10段線纜等效電流結果圖6 分段線纜等效電流結果

圖7 輻射線纜共模電流模型預估結果

從表1所示結果可發現: 3米法標準電波暗室測試平均輻射達到73.32 dBμV/m,Hubing模型預估結果平均輻射為38.33 dBμV/m,本文方法預估結果為58.45 dBμV/m, 相比Hubing模型預估精度提高了20.12 dBμV/m,尤其是在500 MHz以上高頻情況下,輻射線纜共模電流模型預估結果與電波暗室測試結果僅相差8.17 dBμV/m,且趨勢完全一致．從數值上定量說明了本文方法在輻射電磁干擾噪聲精度提升上的有效性．

表1 共模干擾源典型數據

4 結 論

本文利用輻射線纜電流傳輸波動特性建立了輻射線纜電磁干擾噪聲共模電流分析模型,與Hubing分析模型相比輻射電磁干擾噪聲預估精度提高了20.12 dBμV/m,為輻射EMI測試與分析提供了有效依據．但等效分布參數預估與暗室測試結果仍有差距,不能精確反映輻射線纜在不同頻率下的電磁干擾噪聲輻射強度．據此,后續考慮應用全波分析法以及輻射線纜不同分段方法進一步提高電磁干擾噪聲預估精度．

[1] 張宇環,趙陽,顏偉,等.基于電磁干擾源特征的GTEM輻射干擾測量方法[J].中國電機工程學報,2013, 33(18): 162-169.

ZHANG Y H, ZHAO Y, YAN W, et al.A novel GTEM measurement method for radiated EMI based on noise source characteristics[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(18): 162-169. (in Chinese)

[2] 趙陽, 戎融, 張宇環, 等.提高GTEM小室測量EMI噪聲精度的研究[J].中國電機工程學報, 2012, 32(27): 168-176.

ZHAO Y, RONG R, ZHANG Y H, et al.Study on improving the accuracy of GTEM cell for EMI noise measurement[J].Proceedings of the CSEE, 2012, 32(27): 168-176. (in Chinese)

[3] FENG G, WU W, POMMERENKE D, et al. Time synchronized near-field and far-field for EMI source identification[C]//IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, August 18-22, 2008: 1-5.

[4] CAPIZZI G, COCO S, LAUDANI A. A new tool for the identification and localization of electromagnetic sources by using independent component analysis[J]. IEEE transactions on magnetics, 2007, 43(4): 1625-1628.

[5] HSIEH H C, CHIU C N, WANG C H, et al. A new approach for fast analysis of spurious emissions from RF/microwave circuits[J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility, 2009, 51(3): 631-638.

[6] BERTOCCO M, SONA A, STELLINI M. Simplified approach for the analysis of PCB radiated emissions in the near field region[C]//International Symposium on Electromagnetic Compatibility-EMC Europe. IEEE, September 8-12, 2008: 1-6.

[7] LI J, FAN J. Radiation physics and design guidelines of high-speed connectors[J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility, 2016, 58(4):1-8.

[8] AOUINE O, LABARRE C, COSTA F. Measurement and modeling of the magnetic near field radiated by a buck chopper[J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility, 2008, 50(2): 445-449.

[9] TONG X, THOMAS D W P, NOTHOFER A, et al. Modeling electromagnetic emissions from printed circuit boards in closed environments using equivalent dipoles[J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility, 2010,52(2): 462-470.

[10] HOANG T, DAHLBERG S E, SCHILLER J H, et al. Analysis of radiated emissions from a printed circuit board using expert system algorithms[J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility, 2007, 49(1): 68-75.

[11] SHIM H, HUBING T. Model for estimating radiated emissions from a printed circuit board with attached cables due to voltage-driven sources[J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility, 2005, 47(4): 899-907.

[12] SHIM H, FU Y, HUBING T. Radiated emissions from populated printed circuit boards due to power bus noise[C]//International Symposium on Electromagnetic Compatibility. IEEE, August 9-13, 2004: 396-400.

[13] SHIM H, HUBING T. A closed-form expression for estimating radiated emissions from the power planes in a populated printed circuit board[J]. Transactions on electromagnetic compatibility, 2006, 48(1):74-81.

[14] KWAK H, HUBING T. Investigation of the imbalance difference model and its application to various circuit board and cable geometries[C]//Proceeding of 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC). PA, USA, August 6-10, 2012: 273-278.

[15] PAUL C R. Introduction to electromagnetic compatibility[M]. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, Inc, 2006:110-115.

[16] PAK J S, KIM H, LEE J, et al. Modeling and measurement of radiated field emission from a power/ground plane cavity edge excited by a through-hole signal via based on a balanced TLM and via coupling model[J]. IEEE Transactions on advanced packaging, 2007, 30(1):73-85.

[17] 趙陽, 顏偉, 趙波, 等.電路輻射干擾機理診斷與特性估計方法研究[J].電工技術學報, 2010, 25(10): 6-13.

ZHAO Y, YAN W, ZHAO B, et al.Investigation on radiated EMI noise diagnosis and estimation for HF circuits[J].Transactions of China electrotechnical society,2010, 25(10): 6-13.(in Chinese)

[18] 顏偉, 趙陽, 王恩榮, 等.射頻識別系統電磁輻射干擾特征快速分析與抑制[J].中國電機工程學報, 2012, 32(9): 161-166.

YAN W, ZHAO Y, WANG E R, et al.Analysis and suppression on radiated EMI noise for radio frequency identification system[J].Proceedings of the CSEE, 2012, 32(9): 161-166.(in Chinese)

[19] 趙陽, 羅永超, 顏偉, 等.高頻電路輻射干擾快速分析與預估方法[J].電波科學學報, 2010, 25(3): 466-471.

ZHAO Y, LUO Y C, YAN W, et al.Fast analysis and estimation approach applied in radiated EMI for high-frequency circuit[J].Chinese journal of radio science, 2010, 25(3): 466-471. (in Chinese)

[20] 宋海峰, 陳志雨.共模環路閉合與開路的天線模型及其計算分析[J].電波科學學報, 2006, 23(3): 342-346.

SONG H F, CHEN Z Y.Model and numercatial analysis of common-mond close circuit and open circuit loop antenna[J].Chinese journal of radio science, 2006, 21(3): 342-346.(in Chinese)

Prediction method for radiative electromagnetic EMI based on circuit parameter model

ZHANG Yuhuan1ZHANG Yuchen2MA Yanbing1WANG Huihua1YAN Wei3

(1.ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China;2.ShanghaiElectro-MechanicalEngineeringInstitute,Shanghai201109,China;3.NanjingNormalUniversityElectricalEquipmentEMCLabofJiangsuProvince,Nanjing210042,China)

Fast reconstruction method for radiated targets based on current-driven common mode radiation model is proposed to analyze that current is uniformly distributed in the radiation cable. A novel method is proposed to analyze the radiated source characteristic according to printed circuit board (PCB) circuit and EM field analysis, and the full-wave model of common mode(CM) current is proposed in the radiation cable. The theory and experiment results show that the radiation electromagnetic interference noise could be improved 20.12 dB V/m compared with current-driven common mode radiation model by using the suggest method. Therefore, the suggest method can provides new theoretical reference for radiation electromagnetic interference noise forecast.

electromagnetic compatibility (EMC); current-driven radiation model; radiated electromagnetic interference; common mode (CM) radiation; measurement calibration

10.13443/j.cjors.2016071201

2016-07-12

國家自然科學基金(No.51475246)； 江蘇省高校自然科學基金(15KJB470011)

TN806

A

1005-0388(2016)06-1202-07

張宇環 (1987-),男,江蘇人,碩士,工程師,研究方向為天線與電磁兼容技術．

張宇琛 (1987-),男,江蘇人,碩士,工程師,研究方向為機電設計與電磁兼容技術．

馬巖冰 (1979-),男, 河南人,博士,工程師,研究方向為天線與電磁兼容技術．

張宇環, 張宇琛, 馬巖冰, 等. 基于電路參數模型的輻射電磁干擾噪聲預估方法[J]. 電波科學學報,2016,31(6):1202-1208.

ZHANG Y H, ZHANG Y C, MA Y B, et al. Prediction method for radiative electromagnetic EMI based on circuit parameter model [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1202-1208. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016071201

聯系人： 張宇環 E-mail: 516891253@qq.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016071201