專利名稱：高頻電路空間電磁輻射特性分析與預(yù)估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是對(duì)電子電路測(cè)定電路參數(shù)分析和預(yù)估電路近場(chǎng)輻射特性的方 法，具體說(shuō)是基于電流測(cè)量的高頻電路空間電磁輻射特性分析與預(yù)估方法，為輻
射性電磁干擾(EMI )噪聲的機(jī)理判斷以及抑制提供前提，屬于電磁兼容技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代電力電子產(chǎn)品正面向微型化、智能化，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，加上 電力電子設(shè)備中開關(guān)元件的高速開關(guān)產(chǎn)生的系統(tǒng)寄生參數(shù)，致使設(shè)備遭受傳導(dǎo)性 干擾和輻射型干擾愈加嚴(yán)重，而且對(duì)系統(tǒng)抗電磁干擾能力的要求越來(lái)越高。因而， 為了節(jié)省開發(fā)時(shí)間，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，對(duì)產(chǎn)品電路空間電磁輻射特性研究是必不可 少的。
目前電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品巿場(chǎng)準(zhǔn)入的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，電氣與電子產(chǎn)品無(wú)論在國(guó) 內(nèi)還是國(guó)際巿場(chǎng)銷售，都必須達(dá)到相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)才可以在巿場(chǎng)上銷售。因此， 電磁干擾(EMI)噪聲發(fā)射的測(cè)量和抑制是電氣與電子設(shè)備設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中必需 考慮的一個(gè)重要問(wèn)題，目前對(duì)近場(chǎng)電磁輻射特性的測(cè)定通常使用近場(chǎng)電磁場(chǎng)測(cè)量 的方法，其中，"EMSCAN，，系統(tǒng)是巿面上比較流行的近場(chǎng)電磁輻射測(cè)量系統(tǒng)，它主
要是利用探頭或者探頭陣列對(duì)整個(gè)電路板進(jìn)行掃描，并記錄下探測(cè)由于高頻電流 發(fā)生變化而引起的電磁場(chǎng)的變化，而提供出電磁場(chǎng)在PCB上空間分布的視覺(jué)圖像。
然而此類儀器均較為昂貴，中小企業(yè)難以承受，而且此類系統(tǒng)只能給出場(chǎng)強(qiáng)大小 的結(jié)果，而不能對(duì)電路的輻射特性(即共模輻射或差模輻射)給出推斷，即不能 對(duì)電路輻射干擾原因提出指導(dǎo)性建議，即不能由測(cè)量結(jié)果推斷出電路空間電磁輻 射是由共模或差模輻射引起的。另外，現(xiàn)有的輻射EMI測(cè)量裝置都是基于電磁場(chǎng)測(cè)量的，可操作性不強(qiáng)，往往給測(cè)量的操作帶來(lái)很大困擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種高 頻電路空間電磁輻射特性分析與預(yù)估方法。該方法直接測(cè)量電路的電流參數(shù)，通 過(guò)電流參數(shù)分析電路中的共?；虿钅］椛涓蓴_的相對(duì)強(qiáng)弱以及電路空間電磁場(chǎng)變 化規(guī)律。
基于電路電流參數(shù)的高頻電路電磁輻射診斷原理
如圖l所示為高頻電路中的輻射發(fā)射圖，其中電路環(huán)路會(huì)引起類似于環(huán)狀天
線的輻射發(fā)射，而傳輸線纜會(huì)引起短直天線的輻射發(fā)射。圖2是電路的共模輻射
模型，共模輻射的場(chǎng)強(qiáng)公式為
￡Ci/=1.256 x 10 s翌sin^ (1)
圖3所示為電路的差模輻射模型，差模輻射的場(chǎng)強(qiáng)公式為
￡服=2.632 xl(T14^^ (2) 從式(1) (2)可以看出差模輻射的最大值與頻率的平方、環(huán)路面積和差模電 流的大小成正比；共模輻射的最大值與頻率、導(dǎo)線的長(zhǎng)度和共模電流的大小成正 比。因?yàn)殡娐分械妮椛銭MI噪聲是由共模電流引起的，而且電路設(shè)計(jì)方案確定后 頻率/和環(huán)路(包括環(huán)路面積必和導(dǎo)線長(zhǎng)度c//)也隨之確定，所以只要測(cè)量得到 環(huán)路電流的大小就可以判斷電路的電磁輻射中何種輻射比較強(qiáng)。 自由空間中電流導(dǎo)線的輻射電場(chǎng)計(jì)算公式為
nz。Mnee_jP。r v/m (3)
隨著頻率的增加，沿導(dǎo)線上的電流分布不再均勻一致。為此可以將導(dǎo)線均勾 分成N個(gè)小段，采用射頻電流探頭在每小段的中間位置測(cè)量其各自電流，設(shè)分別為I,， I2 。如圖4所示，那么總的空間等效輻射場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為
,2冗f潛7叫+"+…+ "1 V/m (4) ° 3^2+(H-0.8)2
因此，只需測(cè)量導(dǎo)線上的共模電流大小，就可得到電路空間輻射電磁場(chǎng)強(qiáng)度。
基于上述高頻電路電磁輻射診斷原理，本發(fā)明提出的高頻電路空間電磁輻射
特性分析與預(yù)估方法，其步驟是
第一步將電流探頭與前置放大器的輸入端相連，前置放大器的輸出端連接 至頻譜分析儀的輸入端；把電流探頭卡在電路回路的線纜上進(jìn)行測(cè)量(如圖5所 示)，從頻譜分析儀上可以讀取共模電流值；
根據(jù)共模電流值，計(jì)算共模輻射的場(chǎng)強(qiáng)值
￡CA, =1.256xl(T6^sin^ 將差模探頭與前置放大器的輸入端相連，前置放大器的輸出端連接至頻譜分
析儀的輸入端。把差模探頭卡在電路回路的線纜上進(jìn)行測(cè)量；從頻譜分析儀上可 以讀取差模電流值；
根據(jù)差模電流值，計(jì)算差模輻射的場(chǎng)強(qiáng)值
￡，=2.632x10-"^^ 如果計(jì)算得到的共模輻射場(chǎng)強(qiáng)值遠(yuǎn)大于差模輻射場(chǎng)強(qiáng)值，則被測(cè)電路回路的
電磁輻射干擾以共模輻射為主；反之，以差模輻射為主；
第二步，將電流探頭卡在被測(cè)電路接地線纜上；把電路的接地線纜分成若干 段，然后移動(dòng)電流探頭在接地線纜上的位置，分別測(cè)量接地線纜各段的電流參數(shù) 值，計(jì)算電路空間電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值
3Vr2+(H-0.8)2
因此可見(jiàn)電路參數(shù)(射頻電流或電壓)與電磁場(chǎng)參數(shù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電路參數(shù)可以估計(jì)出電路空間輻射電磁場(chǎng)的大小。
本發(fā)明通過(guò)電流測(cè)量，對(duì)高頻電路的電磁輻射特性進(jìn)行分析和預(yù)估，可以得
出(1)電路中電磁輻射特性，即電路以共模輻射為主還是以差模輻射為主；(2)
電路空間電磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)弱。該方法簡(jiǎn)便、快速、實(shí)用。


圖1高頻電路中的輻射發(fā)射。圖中描述的是電路環(huán)路引起等效環(huán)狀天線的
輻射發(fā)射，而傳輸線纜引起等效短直天線的輻射發(fā)射。其中，1是輻射電場(chǎng)，2 是輻射磁場(chǎng)，3是高頻電流探頭，4是高頻電壓探頭，5是被測(cè)電路。
圖2共模輻射模型。圖片描述的是主要由于非良好接地或接地反射電位引 起的等效短直天線構(gòu)成的電偶極子共模輻射噪聲。信號(hào)地的電位不為零，使得電 流返回路徑受到影響，這樣相當(dāng)于有一電流從接地電流出，繼而產(chǎn)生出共模輻射噪 聲，此時(shí)的電路模型為電偶極子共模模型。其中，6是等效短直天線的線纜，電 路的接地點(diǎn)B的電位與地之間的電位不為零，即Vba^0 。
圖3差模輻射模型。圖片描述的是沒(méi)有很好控制的大信號(hào)環(huán)路引起的等效 環(huán)行天線構(gòu)成的磁偶極子差模輻射噪聲。電路的大環(huán)路走線等效為環(huán)狀天線，此 時(shí)的電路模型為磁偶極子差模模型。其中，7為等效環(huán)狀天線的電路回路。
圖4高頻電流探頭預(yù)估原理圖，只要測(cè)量出接地線纜各段輻射出的場(chǎng)強(qiáng)大 小就可以通過(guò)計(jì)算達(dá)到由電路參數(shù)預(yù)估電磁場(chǎng)參數(shù)的目的。其中，電路線纜的每 段小單元上的電流L、 12、…L…L在空間內(nèi)形成復(fù)合場(chǎng)為
/=i 。
圖5電流探頭測(cè)量示意圖。電流探頭的輸入端卡在電路線纜上，輸出端與前置放大器輸入端相連，放大器的輸出接頻譜分析儀。其中頻譜分析儀、前置放
大器和電流探頭是相互匹配的，匹配阻抗為其中，3是高頻電流探頭，8
是電路回路線纜。
圖6 被測(cè)試件電路原理圖。電路中驅(qū)動(dòng)電壓為DC 5V， CRY、 74LS04和 74LS90分別為雙列直插式10MHz有源晶體振蕩器、反相器和十進(jìn)制加法器，電阻 R的大小為330Q。
圖7高頻電流探頭對(duì)60cm2電路(高差模，Sl)和24cm2電路(共模差模相 當(dāng)，S2)回路線纜的測(cè)量結(jié)果。(a)圖是對(duì)S1電路的測(cè)量結(jié)果，(b)圖是對(duì)S2 電路的測(cè)量結(jié)果。其中，頻譜分析儀的掃頻范圍是30MHz 500MHz，參考電平為 90dBuV。
圖8使用差模探頭對(duì)60cm2電路(高差模，Sl)和24cm2電路(共模差模相 當(dāng)，S2)回路線纜的測(cè)量結(jié)果。(a)圖是對(duì)S1電路的測(cè)量結(jié)果，(b)圖是對(duì)S2 電路的測(cè)量結(jié)果。其中，頻譜分析儀的掃頻范圍是30MHz 500MHz，參考電平為 -IO幽。
圖9電磁場(chǎng)測(cè)量法對(duì)60cm2電路(高差模，Sl)和24cm2電路(共模差模相 當(dāng)，S2)的電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果。為了說(shuō)明電路參數(shù)法的有效性，將電磁場(chǎng)測(cè)量 方法結(jié)果與電路參數(shù)方法測(cè)量結(jié)果相比較，其中，紅色實(shí)線表示對(duì)S1電路的測(cè)量 結(jié)果，藍(lán)色虛線表示對(duì)S2電路的測(cè)量結(jié)果。電磁場(chǎng)測(cè)量方法中使用的是 ROHDE&SCHWARZ公司生產(chǎn)的HZ-11近場(chǎng)探頭組。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
為了說(shuō)明問(wèn)題，驗(yàn)證本發(fā)明方法對(duì)電路空間電磁輻射特性分析的有效性，釆 用十分頻電路作為被測(cè)試件，電路原理圖如圖6所示。電路中的DC 5V電源為lOMHz有源晶體振蕩器、反相器74LS04、十進(jìn)制加法器74LS90提供驅(qū)動(dòng)電源，晶體振 蕩器的輸出端與一 74LS04反相器相連，lOMHz信號(hào)經(jīng)反相器輸入到十進(jìn)制加法器 74LS90之中，經(jīng)過(guò)74LS90數(shù)字電路的分頻功能使得信號(hào)頻率變?yōu)樵瓉?lái)的十分之 一，即lMHz,最后lMHz信號(hào)經(jīng)過(guò)另外一塊74LS04反相器整形后加到330Q的輸 出電阻兩端。根據(jù)上述電路原理設(shè)計(jì)不同布線方式的電路。S1表示回路面積60cm2 的電路，S2表示回路面積24cm2的電路。根據(jù)式(1) (2)可知共模輻射的大小與 等效天線長(zhǎng)度^成正比，差模輻射的大小與回路面積必成正比，因此Sl電路是 差模輻射模型，差模輻射占主要地位；S2回路相比Sl大大減小，其差模輻射已 經(jīng)被有效抑制，共模輻射與差模輻射并存。依據(jù)上述方案使用本發(fā)明方法對(duì)兩個(gè) 電路進(jìn)行測(cè)量，
首先是分析電路中電磁輻射特性。將歐姆定律轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)方程，即
L扁=14 |必 「 — |Zr (5 )
其中/ 是共模電流(必W)， ^是頻譜分析儀上的讀數(shù)(必"r)， Z,是匹配阻抗， 由于測(cè)量?jī)x器之間的匹配阻抗為50Q,因此IZ丄。401g50(巡)。從式(5)可以看 出，只要保證測(cè)量?jī)x器之間以50Q阻抗進(jìn)行匹配，則共模電流值與頻譜分析儀上 的讀數(shù)是相互對(duì)應(yīng)的。比如，圖7所示的電流探頭測(cè)量結(jié)果，Sl電路頻譜分析儀 讀數(shù)大小比S2電路約小了 4 ~ 6dB，所以Sl電路的共模電流也比S2電路約小了 4 ~ 6dB。差模探頭的使用與電流探頭使用方法類似，圖8是差模探頭的測(cè)量結(jié)果，Sl 電路的差模電流比S2電路約大了 10dB。那么，可以得到Sl電路中以差模輻射為 主，而S2電路中差模輻射與共模輻射并存，其中差模輻射稍大。所以，只需要比 較電流探頭和差模探頭在頻譜分析儀上的讀數(shù)大小就可以快速的得到電路中的輻 射以共模為主還是以差模為主。實(shí)際上，已知Sl電路是差模輻射模型，S2電路
中差模與共模并存，所以測(cè)量結(jié)果與已知一致。其次是估計(jì)電路中電磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)弱。由上述原理可知電路參數(shù)(射頻電流 或電壓)與電磁場(chǎng)參數(shù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電路參數(shù)可以估計(jì)出電路空間輻射
電磁場(chǎng)的大小。在圖7中S1電路的共模電流也比S2電路約小了 4~6dB,那么由 (4)式可得S1電路的共模輻射小于S2電路。為了說(shuō)明該方案的有效性，使用 電磁場(chǎng)測(cè)量方法對(duì)Sl和S2電路進(jìn)行測(cè)量。電磁場(chǎng)探頭使用的是 ROHDE&SCHWARZ公司生產(chǎn)的HZ-11近場(chǎng)探頭組，該探頭組可以將電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大 小轉(zhuǎn)換為電壓值輸出到頻譜分析儀當(dāng)中，其最高頻率2GHz。用傳輸線纜連接探頭 的輸出端和頻譜分析儀的輸入端，將探頭在電路附近空間來(lái)回掃描，找出頻譜分 析儀輸出電壓最大值，并將之儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。然后按照公式 五dB(一廣[^, + ^ffi(一]和/^(^^『崎v)+^^,]計(jì)算，可以分別得到Sl和S2
電路空間輻射電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值大小。其中，i^(—)為電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，P^v) 為頻譜分析儀的讀數(shù)，^^(一、 ^^(" ^為電場(chǎng)探頭和磁場(chǎng)探頭的天線系數(shù)，由 探頭商家提供。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。從圖中可見(jiàn)Sl電路的輻射電磁場(chǎng)小于S2 電路，這與高頻電流探頭的測(cè)量結(jié)果是一致的。
權(quán)利要求
1、一種高頻電路空間電磁輻射特性分析與預(yù)估方法，其步驟是第一步將電流探頭與前置放大器的輸入端相連，前置放大器的輸出端連接至頻譜分析儀的輸入端；把電流探頭卡在電路回路的線纜上進(jìn)行測(cè)量，從頻譜分析儀上可以讀取共模電流值；根據(jù)共模電流值，計(jì)算共模輻射的場(chǎng)強(qiáng)值將差模探頭與前置放大器的輸入端相連，前置放大器的輸出端連接至頻譜分析儀的輸入端。把差模探頭卡在電路回路的線纜上進(jìn)行測(cè)量；從頻譜分析儀上可以讀取差模電流值；根據(jù)差模電流值，計(jì)算差模輻射的場(chǎng)強(qiáng)值如果計(jì)算得到的共模輻射場(chǎng)強(qiáng)值遠(yuǎn)大于差模輻射場(chǎng)強(qiáng)值，則被測(cè)電路回路的電磁輻射干擾以共模輻射為主；反之，以差模輻射為主；第二步，將電流探頭卡在被測(cè)電路接地線纜上；把電路的接地線纜分成若干段，然后移動(dòng)電流探頭在接地線纜上的位置，分別測(cè)量接地線纜各段的電流參數(shù)值，計(jì)算電路空間電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高頻電路空間電磁輻射特性分析與預(yù)估方法。前置放大器輸入端接電流探頭，輸出端接頻譜分析儀；用電流探頭卡在電路回路的線纜上進(jìn)行測(cè)量，獲取共模電流值；根據(jù)共模電流值，計(jì)算共模輻射的場(chǎng)強(qiáng)值。前置放大器輸入端接差模探頭，輸出端接頻譜分析儀。用差模探頭卡在電路回路的線纜上進(jìn)行測(cè)量；獲取差模電流值。根據(jù)差模電流值，計(jì)算差模輻射的場(chǎng)強(qiáng)值。第二步，將電流探頭卡在被測(cè)電路接地線纜上；把電路的接地線纜分成若干段，然后移動(dòng)電流探頭在接地線纜上的位置，分別測(cè)量接地線纜各段的電流參數(shù)值，計(jì)算電路空間電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值。用對(duì)高頻電路的電磁輻射特性進(jìn)行分析和預(yù)估，簡(jiǎn)便、快速、實(shí)用。
文檔編號(hào)G01R29/08GK101458282SQ20081024265
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者李世錦, 羅永超, 褚家美, 陽(yáng) 趙, 偉 顏 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)