民用電子電氣設備的電磁兼容測試系統設計分析

徐曉昂

（江蘇省產品質量監督檢驗研究院 江蘇省南京市 210007）

電磁兼容性測試研究電子電氣設備適用中獨立工作的電磁抗干擾能力，隨著無線電設備大量出現，各類無線電收發設備相互電磁干擾情況嚴重。20世紀中期后，電子設備內部元器件小型化，各電子元器件占用空間擁擠，頻譜資源占有率增加，需要提高頻譜資源利用率。與EMC 相關法律有很多，發達國家相關組織有相關規定。我國電磁兼容測試為3C 強制認證，電子電氣產品EMC 為法律規定要求，電子電氣設備進入市場前需通過EMC。本文設計科學高效的民用電子電氣設備EMC 系統，滿足工程應用實踐分析。設計系統可實現EMI 發射騷擾測試，可實現子系統分為RE 輻射發射等。

1 民用電磁兼容測試標準分析

設計符合標準規范的民用電磁兼容測試系統，需要了解對應測試方法要求等。EMI 接收機是電磁騷擾測試重要儀表，測試干擾信號有間發行等特點，EMI 接收機通常采用掃頻測試進行逐點掃描測試[1]。GB/T6113.101 標準對EMI 測量接收機有明確指標要求。測量接收機內部放大器幅度特性需比測正弦信號有較大動態范圍儲備。應注意區分檢波器功能與測試接收機上輸出指示的意義，采用正弦波等效RMS 進行校準。

測試CE 傳導發射騷擾電壓時，需在被測試設備間增加規定人工電源網絡。人工電源網絡作用點包括將外部供電電路與被測設備電路隔離，電源供電端子提供測試阻抗。系統選用人工電源網絡為耦合非對稱電壓V 型網絡[2]。電探頭在CE 傳導發射騷擾電流測試使用，不需改變被測設備原有電路，適合測試復雜接線電路系統。系統設計使用高阻電壓探頭，可使用高阻電壓探頭測試優點是不影響供電網絡下測試，缺點是需避免被測電路阻抗較高。高阻電壓探頭由電阻與電容組成，接地端子需良好接到參考地。EMI 天線接收空間強信號后，場強值與電壓值比為天線系數。

電磁兼容無線電騷擾測量要注意具有可復現性，物相互作用。測量裝置運行條件作出明確規定，需測量電平上有足夠信噪比，掃頻接收機測量適當考慮設備特殊工作特性。非源于EUI 產生騷擾，需在實驗報告中記錄[3]。測試EMI 干擾電平時需較長測試時間，EMI 接收機使用峰值檢波器捕捉信號，僅對發射幅值接近的關鍵頻率測量最大值。RE 輻射發射測試目的是針對機箱端口輻射騷擾測試，對多種電子電氣產品，需測試輻射騷擾電磁場干擾，電場干擾需測試水平極化。輻射騷擾測量需考慮實驗環境，環境噪聲電平滿足低于極限值6dB 要求。通用EMI 測試流程圖如圖1所示。

圖1：通用EMI 測試流程圖

2 民用電磁兼容測試系統設計

根據電磁兼容測試標準解析，通過測試項目分類得出民用EMC 測試系統主設備清單。EMI 測試機必須具備QP 準峰值檢波器、AV 平均值檢波器等，EMI 測試接收機選用德科技更厚實數字中頻測量接收機。人工電源網絡用語電磁騷擾電壓測試，根據GB6113.102 等標準要求，選用NSLK8127 人工電源網絡[4]。阻抗穩定網絡用語電信騷擾電壓測試，選用八線阻抗穩定網絡ISNT8‐Caat6 阻抗穩定網絡。

圖2：民用電子電氣設備電磁兼容測試系統

儀表選型根據出廠技術規格核對標準滿足要求，EMC 測試系統需要有第三方實驗室針出具計量報告，保證符合測試規范要求。由于測試系統整體完成自動測試，組成包括RS 輻射抗擾度測試路徑等，射頻測試路徑需要可程控射頻開關自動切換，程控路徑考慮在屏蔽室進行光電信號轉換通信。對CE 發射騷擾測試時，射頻電纜衰減影響系統靈敏度。設備電纜功率影響系統安全性。選擇射頻電纜需從功率容限等方面考慮。

電磁兼容測試系統不同項目，進行理論測試值推導，包括干擾測試限值推導等。EMI 發射騷擾測試重要指標為系統靈敏度，CE傳導騷擾測試頻率范圍為150kHZ‐30MHz，需保證測試頻段底噪數據低于標準要求極限值‐20dB.CE 傳導騷擾測試影響靈敏度測試值由脈沖限幅器，傳感器修整等決定[5]。對系統測量場強分布采用仿真手段進行分析，使用天線為復合天線，仿真天線使用雙錐天線，整體仿真包括幾何尺寸建立，介質參數考量等。對RS 場強分布作出仿真案例分析。技術參數滿足測試頻率范圍80MHz‐6GHz，測試場強最高達10V/m，測試距離為3 米，系統測試場強10V/m，校準場強為18v/m，校準場強范圍為18‐36V/m。

3 系統不確定度評估

規范的民用電磁兼容測試系統需進行不確定度評估，對設計測試系統進行不確定度評估，建立不確定度基本模型，進行各參數分量不確定性計算。按照國家檢定規范標準要求，通過分量對應概率分布情況統計為標準不確定度分量，通過測試得到統計標準偏差值，如若獨立屬性信息統計檢驗概率分布歸類為B 類評估方法。采用B類評估計算其他不確定度來源引入不確定度[6]。在重復性條件下對測量獨立性重復測量n 次，被測量X 最佳估計值是n 個獨立測得值算數平均值x.A 類評定標準不確定度公式為：

屏蔽室內對電源端口傳導騷擾測量，對待測設備進行頻率150kHz‐30MHz 的傳導連續騷擾測量，EUT 為落地式設備可立于地平面。根據傳導連續騷擾測試系統連接方法確定不確定性數學模型。EMI 測量接收機測試結果隨外界環境變化有部分偏差，標準不確定度為試驗標準偏差，使用梳狀信號發生器為被測設備進行重復測量，計算頻率點標準差，測得150KHz 時標準差最大。使用網絡分析儀進行路徑校準，衰減量S21 校準結果在頻段最大誤差值為0.05dB，校準不確定度為0.15dB，分量標準不確定度為0.08dB。輻射騷擾測試靈敏度與極限值符合度對照表如表1。

表1：輻射騷擾測試靈敏度與極限值符合度對照表

30MHz‐1GHz 輻射騷擾測量在半電波暗室內進行，支撐物由低介電常數材料制成，EUT 可立于地面，天線距EUT 為3m，測試用接收機型號為N9038A。根據輻射連續騷擾測試系統連接方法，可確定不確定數學模型[7]。測試接收機讀數變化由測量系統不穩定性等因素引起，標準不確定度為試驗標準偏差，計算公式為：n 為測試次數，xi 為接收機單詞測試值。使用信號源為被測設備進行10 次測量，不確定度為0.11dB。

合網絡法進行射頻場感應傳導抗擾度測試，測試前需進行校準獲得所需射頻噪聲信號強度。根據射頻感應傳導騷擾抗擾度校準測試方法，對測試引入不確定度，|VTest=VCal+δVMTt+δVLMCt+δ VTGM+VPAt+δVswt.δVswt 為測試中自動測試軟件電平容差設置不確定度；δVTGM為信號源不確定度；δVLMCt為測試中功率探頭不確定度，從原廠校準證書獲得150Ω 轉50Ω 適配器插入損耗最大差值X1=0.04dB，X1 為矩形分布，95%置信度時k=2，標準不確定度u(δVRCAL)=0.35dB，校準系統連接不確定度分量為正態分布。

4 系統實現驗證

目前建設完成民用電子電氣設備電磁兼容測試系統，包括RS輻射抗擾度測試等，如圖 2所示。EMI 傳導騷擾測試不接入測試樣品時，實測值滿足測試底噪滿足低于極限值20dB 要求。測試結果未超限。EMI 輻射騷擾測試系統不接入測試樣品，測試底噪滿足低于極限值20dB 要求。樣品測試結果未超限值。

CS 傳導抗擾度測試系統頻率范圍150kHz‐230MHz,系統注入干擾值，可得出滿足極限要求。各頻段CS 傳導抗擾度測試干擾電平精度范圍，80‐230MHz 標稱干擾電壓值±0.3V，偏差范圍在0.2V內。RS 輻射抗擾度測試系統頻率范圍80MHz‐6GHz，場地均勻面為1.5 米*1.5 米，系統注入干擾強度值可得出滿足極限值要求。各頻段RS 輻射抗擾度測試干擾場強精度范圍，1000‐6000MHz 標稱場強值±0.5V/m，偏差范圍在0.3V/m 內。

電磁兼容自動測試系統設計完成后，對系統測量功能需進行實驗。在滿足標準要求下對樣品進行測試，EMI 傳導發射騷擾測試由于測試儀表影響大，統一使用梳狀信號源為被測物測試。EMS 輻射抗擾度測試施加干擾電平準確性取決于檢測端設備，監測端設備可通過第三方實驗室出具計量報告為判定依據。比對計算結果|En|<=1，根據要求評定監檢測系統符合測試要求。根據不確定計算結果，Uref=3.1dB，測試結果|En|<=1 滿意。根據不確定計算結果，Uref=4.2dB，通過雙方對比結果分析，根據要求評定系統符合測試要求。

5 結語

電磁兼容測試是電子電氣產品必須進行的檢驗，是法律的硬性規定，需要科學的民用電子電氣設備電磁兼容性能測試系統。以往國內同行電磁兼容測試系統設計中缺乏科學依據，通常為經驗性方式進行。本文研究系統建設后測試數據有效性評估，測試系統通過科學方法進行不確定度評估，根據不確定度考慮CE，CS 測試項目不同確定度來源，得出各分系統綜合不確定度。CR 抗擾度測試系統中功率放大器是重要儀表，通過理論計算可優化評估需使用的功放輸出等級，減少設計成本。