專利名稱：一種高頻電路輻射電磁干擾分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是對高頻電路輻射電磁干擾(EMI)特性分析方法，具體說是基于盲 信號分析方法對高頻電路的EMI輻射源進(jìn)行搜索定位，根據(jù)源定位結(jié)果對EMI輻射源進(jìn)行 特性診斷，屬于電磁兼容技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前電力電子產(chǎn)品的EMI問題越來越突出，這一方面是因?yàn)楦哳l器件被廣泛應(yīng)用 與產(chǎn)品之中，另一方面是由于產(chǎn)品的復(fù)雜化、微型化程度越來越高，所以高頻電路的輻射 EMI解決方法變得日趨重要。然而，可用于高頻電路的輻射EMI解決方法種類繁多，輻射EMI 抑制方法也多種多樣，可見省時(shí)省力的選擇有效的輻射EMI解決方案勢在必行。對高頻電路輻射電磁干擾的分析通常采用遠(yuǎn)場測量或近場測量，其中，遠(yuǎn)場測量 方法即是采用開闊場(OATS)測量或者電波暗室(Anechoic chamber)對被測電路進(jìn)行測量 的方法，但OATS或電波暗室造價(jià)昂貴且建造周期較長，同時(shí)測量費(fèi)用較高。近場測量即是 采用近場電磁場測量系統(tǒng)對被測電路的EMI進(jìn)行測量(如HITACHI生產(chǎn)的EMI TESTER系 列等)，但此類系統(tǒng)只能給出被測電路的輻射場強(qiáng)大小的結(jié)果，卻不能對這些高頻電路的特 性(即輻射源由電場引起的還是由磁場引起的)給出說明。同時(shí)此類系統(tǒng)的測量方式為掃 描式測量，即需要對高頻電路的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，因此測量過程較為耗時(shí)。此外上述 近場電磁場測量系統(tǒng)的價(jià)格也較為昂貴，推廣應(yīng)用比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種 高頻電路輻射電磁干擾分析方法。該方法首先通過盲信號分析方法對被測高頻電路中的輻 射源進(jìn)行區(qū)分，然后直接利用近場探頭對輻射源進(jìn)行頻域測量，即可得出待測高頻電路的 輻射EMI是由共模輻射引起，還是由差模輻射引起，而不需要對整個(gè)被測電路進(jìn)行掃描。技術(shù)方案基于盲信號分析的高頻電路輻射電磁干擾分析方法原理，當(dāng)多個(gè)信號源之間相互獨(dú)立時(shí)，利用盲信號處理技術(shù)可以對這些信號源產(chǎn)生的混合信號進(jìn)行重構(gòu)，最 后可獲得單個(gè)信號源產(chǎn)生的信號。對于高頻電路的輻射電磁干擾來說，電路中往往有多個(gè)輻射源，因此通常將這些 輻射源等效為電偶極子和磁偶極子進(jìn)行分析，即電偶極子共模輻射源和磁偶極子差模輻射 源。如圖1(a)所示為任意兩個(gè)電偶極子在空間某位置處沿徑向傳播方向的電場強(qiáng)度示意 圖。圖1(b)為任意兩個(gè)磁偶極子在空間某位置處沿徑向傳播方向的磁場強(qiáng)度示意圖。由 圖可知，電偶極子在空間某位置處產(chǎn)生的復(fù)合場強(qiáng)大小為
[Er =ErlCosa1 +Er2Cosa2磁偶極子在空間某位置處產(chǎn)生的復(fù)合場強(qiáng)大小為Er=O<( 2 )
Hr =HrlCosP1 +Hr2CosP2由此可見，一方面，空間中任意位置處的電場強(qiáng)度可看作是由若干個(gè)獨(dú)立電偶極子產(chǎn)生電場的線性疊加，而磁場強(qiáng)度可看作是由若干個(gè)獨(dú)立磁偶極子產(chǎn)生磁場的線性疊 力口。也即是說，在高頻電路中的多個(gè)輻射源之間相互獨(dú)立。進(jìn)而可知，利用盲信號分析技術(shù) 可以對高頻電路的輻射電磁干擾問題進(jìn)行分析，通過對高頻電路混合輻射電磁場的測量， 可以得到電路中多個(gè)輻射干擾源情況。另一方面，在空間任意位置處電偶極子(即共模輻射源)產(chǎn)生的輻射場以電場為 主，磁偶極子(即差模輻射源)產(chǎn)生的輻射場以磁場為主。因此，對于電偶極子共模輻射 源，利用電場探頭可實(shí)現(xiàn)有效測量，而磁場探頭的測量結(jié)果較小，或基本無輸出。對于磁偶 極子差模輻射源，利用磁場探頭可實(shí)現(xiàn)有效測量，而電場探頭的測量結(jié)果較小，或者基本無 輸出。共模輻射場大小為Efl jldlk sinQ e-jkr
θ 4πωε0Γ(3)差模輻射場大小為
TdSk^sin0 e,kr φ 4πωε0Γ(4)由于電磁場的測量需要利用測定電磁場感應(yīng)電壓來實(shí)現(xiàn)，所以利用電場探頭和磁 場探頭進(jìn)行輻射場測量，可由如下公式實(shí)現(xiàn)。電場探頭測得的共模輻射場大小為Etffi (μν/ηι) = UdBUv)+AFdB(1/m)(5)利用磁場探頭測得的差模輻射場大小為Htffi UA/m) = UdBUv)+AFdB(1/m.fi) (6)其中，Utffiiuv)可以由頻譜分析儀測量得到，而AFm·和AFdm/w)由探頭廠商提供， 由公式(5)和(6)，利用近場電磁場探頭可測得電磁輻射干擾源的電磁場強(qiáng)度大小。如果電 場強(qiáng)度的測量結(jié)果大于磁場強(qiáng)度，則說明輻射干擾源的輻射特性以共模輻射為主，反之，以 差模輻射為主?；谏鲜龌诿ば盘柗治龅妮椛潆姶鸥蓴_分析方法原理，本發(fā)明的所需儀器為 數(shù)字雙蹤示波器和兩套近場電磁場探頭(包括近場電場探頭和近場磁場探頭)，實(shí)施步驟 是第一步將第一近場探頭和第二近場探頭與雙蹤示波器的第一通道和第二通道分 別相連，其中第一近場探頭和第二近場探頭型號相同，且兩個(gè)同為近場電場探頭或者同為 近場磁場探頭；第二步將第一近場探頭和第二近場探頭分別放置在高頻電路附近進(jìn)行η次測量，并從雙蹤示波器中獲得高頻電路輻射EMI時(shí)域信號；其中，測量次數(shù)η與待測高頻電路 中輻射電磁干擾源個(gè)數(shù)有關(guān)，對于高頻電路，η = 4或η = 5，并且每次測量時(shí)上述兩探頭與 電路平面之間的距離相等，此外，任意兩次測量時(shí)兩探頭所處的位置不能完全相同，同時(shí)需 要將相關(guān)度較差的處理結(jié)果舍去；第三步將第二步獲得的高頻電路輻射EMI時(shí)域信號利用盲信號分析方法進(jìn)行處 理將上述待測高頻電路中輻射EMI時(shí)域信號分離為單獨(dú)的共模輻射信號和差模輻射信號， 從而對形成輻射EMI復(fù)合場的每個(gè)獨(dú)立電磁輻射源進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)一步得到各個(gè)獨(dú)立電磁輻 射干擾源情況。
所述進(jìn)一步得到各個(gè)獨(dú)立電磁輻射干擾源情況，從而得到各輻射源是由共模輻射 引起，還是由差模輻射引起，采用的儀器為頻譜分析儀和近場電磁場探頭，具體步驟是第一步將近場電場探頭的輸出端與頻譜分析儀的輸入端相連，對所述的電磁輻 射干擾源，利用近場電場探頭進(jìn)行測量，從而可從頻譜分析儀上獲得近場電場探頭測量結(jié) 果；第二步將近場磁場探頭與頻譜分析儀相連，對所述的電磁輻射干擾源，利用近場 磁場探頭進(jìn)行測量，從而可從頻譜分析儀上獲得近場磁場探頭測量結(jié)果；第三步對于各個(gè)電磁輻射干擾源，把第一步和第二步測量結(jié)果進(jìn)行比較，如果某 輻射干擾源由第一步獲得的近場電場探頭測量結(jié)果大于第二步獲得的近場磁場探頭測量 結(jié)果，則說明該輻射干擾源的輻射特征以共模輻射為主；如果某輻射干擾源由第一步獲得 的近場磁場探頭測量結(jié)果大于第二步獲得的近場電場探頭測量結(jié)果，則說明該輻射干擾源 的輻射特征以差模輻射為主，如果某輻射干擾源由第一步獲得的近場磁場探頭測量結(jié)果和 第二步獲得的近場電場探頭測量結(jié)果相差不大，且都比較突出，則說明該輻射源既是共模 源又是差模源，如果某輻射干擾源由第一步獲得的近場磁場探頭測量結(jié)果和第二步獲得的 近場電場探頭測量結(jié)果都明顯較小，則說明該位置不屬于輻射源。有益效果本發(fā)明通過近場電磁場探頭測量和盲信號分析技術(shù)可以得出(1)從 引起高頻電路電磁輻射干擾的多個(gè)輻射源中，區(qū)分出每個(gè)輻射源；(2)高頻電路中的每個(gè) 輻射源輻射特征以共模為主，還是以差模為主。該方法省時(shí)、簡便、實(shí)用，不需要對整個(gè)高頻 電路進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，而只需在電路上若干個(gè)位置處的輻射干擾源進(jìn)行測量，即可得出高頻 電路輻射EMI特性，同時(shí)可以為高頻電路輻射EMI抑制提供指導(dǎo)。


圖1電偶極子在空間某位置處沿徑向傳播方向的電場強(qiáng)度。圖中描述的是兩個(gè)電 偶極子沿徑向傳播方向，在空間任意位置處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。其中，1和2分別是電偶極子 Pl和Ρ2，3是空間任意位置，4和5分別是Pl和Ρ2的徑向傳播方向與復(fù)合電場之間的夾角 α i 禾口 α 2。圖2磁偶極子在空間某位置處沿徑向傳播方向的磁場強(qiáng)度。圖中描述的是兩個(gè)磁 偶極子沿徑向傳播方向，在空間任意位置處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。其中，6和7分別是磁偶極子 Tl和Τ2，8和9分別是Tl和Τ2的徑向傳播方向與復(fù)合磁場之間的夾角β工和β 2。圖3盲信號分析的輻射電磁干擾分析測量方法。圖中描述的是利用兩個(gè)相同型號 的近場探頭對高頻電路輻射電磁干擾進(jìn)行測量，把測量得到的時(shí)域信號進(jìn)行盲信號處理。其中，10是雙蹤數(shù)字示波器，11和12分別是數(shù)字示波器通道1和通道2，13和14分別是近 場探頭1和近場探頭2，15是待測高頻電路。 圖4電場和磁場探頭的輻射電磁干擾源特性判定測量方法。圖中描述的是利用 近場電場探頭或者磁場探頭對輻射源進(jìn)行測量，其中待測輻射源情況由盲信號分析技術(shù)實(shí) 現(xiàn)，根據(jù)頻譜分析儀的輸出即可得到待測輻射源的輻射場特性，以電場為主還是以磁場為 主。16是頻譜分析儀，17是待測輻射源。圖5被測高頻電路示意圖。圖中描述的是自制被測高頻電路，其中S1、S2、S3分別 為自制輻射發(fā)射源，且每個(gè)輻射源都由5V的直流電源供電。18是正方形環(huán)路電路，環(huán)路面 積為100cm2，頻率源為IOMHz晶體振蕩器；19是長度為5cm的短直天線，頻率源為6MHz晶 體振蕩器；20是環(huán)形電路，環(huán)路面積為9 π cm2，頻率源為12MHz晶體振蕩器。圖6當(dāng)圖5被測電路中S3關(guān)閉的情況下，使用近場電場探頭分別對Sl和S2的輻 射電場測量結(jié)果。頻譜分析儀的掃頻范圍是50MHz 300MHz，參考電平為90dBuV。其中 (a)是利用電場探頭對Sl的測量結(jié)果，(b)是利用電場探頭對S2的測量結(jié)果。圖7當(dāng)圖5被測電路中S3關(guān)閉的情況下，使用近場磁場探頭分別對Sl和S2的輻 射電場測量結(jié)果。頻譜分析儀的掃頻范圍是50MHz 300MHz，參考電平為90dBuV。其中 (a)是利用磁場探頭對Sl的測量結(jié)果，(b)是利用磁場探頭對S2的測量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式為了說明本發(fā)明對高頻電路輻射EMI分析的有效性，采用自制輻射發(fā)射源作為被 測電路進(jìn)行實(shí)施，電路如圖5所示。其中Sl為正方形環(huán)路電路，環(huán)路面積為100cm2，頻率源 為IOMHz晶體振蕩器；S2為長度為5cm的短直天線，頻率源為6MHz晶體振蕩器；S3為環(huán)形 電路，環(huán)路面積為9 π cm2，頻率源為12MHz晶體振蕩器，而且每個(gè)輻射源都是由5V的直流電 源產(chǎn)生。根據(jù)式(3)和(4)可知，可知共模輻射的大小與等效天線長度dl成正比，差模輻 射的大小與回路面積dS成正比，因此Sl和S3為差模輻射源，其輻射發(fā)射以差模輻射磁場 為主。而S2為共模輻射源，其輻射發(fā)射以共模輻射電場為主。并且由于Sl環(huán)路面積大于 S2，則輻射源Sl發(fā)出的EMI大于輻射源S2。另外，測量使用的儀器如下，示波器采用的是 Tektronix的TDS2024B數(shù)字雙蹤示波器，最大帶寬為200MHz，頻譜儀采用的是GWINSTEK的 GSP827頻譜分析儀，最大接收頻率可達(dá)2. 7GHz，近場探頭采用的GWINSTEK的GKT-006近場 電磁場探頭組，最大有效頻率可達(dá)1. 5GHz。首先，利用盲信號分析對高頻電路的輻射電磁干擾源進(jìn)行分析。根據(jù)上述測量步 驟，如圖3所示連接測量設(shè)備，利用兩個(gè)近場探頭對被測電路的輻射發(fā)射場進(jìn)行測量，測量 時(shí)近場探頭與電路平面保持0. 5cm。同時(shí)在測量前將電路板中的輻射源保持兩個(gè)打開，一個(gè) 關(guān)閉(如將Sl和S2打開，S3關(guān)閉)，這樣僅需要使用兩個(gè)近場探頭測量一次即可測得盲 信號分析所需數(shù)據(jù)。然后對測得結(jié)果進(jìn)行盲信號分析處理，經(jīng)處理后發(fā)現(xiàn)電路板上存在兩 個(gè)較強(qiáng)輻射源，且輻射源都存在于電路芯片附近，即工作電路的Sl和S2位置處。其次，利用電場和磁場探頭對輻射電磁干擾源特性進(jìn)行判定。根據(jù)上述測量步驟， 如圖4所示連接測量設(shè)備，使用近場電場探頭對Sl和S2進(jìn)行測量，探頭放置于Sl和S2的 正上方，且距離電路0. 5cm。電場探頭測量結(jié)果如圖6所示，由圖可見，在整個(gè)測量頻段內(nèi)， S2的輻射電場在探頭上感應(yīng)出的電壓都高于Si，且前者的最大值比后者高了約15dB，所以可知輻射源S2的輻射電場比Sl高了 15dB。按如上步驟，采用近場磁場探頭對Sl和S2進(jìn) 行測量，同樣，探頭放置于Sl和S2的正上方，且距離電路0. 5cm。磁場探頭測量結(jié)果如圖7 所示，由圖可見，在測量頻段內(nèi)，S2的輻射磁場在探頭上感應(yīng)出的電壓都低于Si,并且就最 大值來看，S2比Sl約低了 20dB。比較圖6和圖7可見，在輻射源Sl位置處的輻射EMI以 磁場為主，而電場輻射較??； 在輻射源S2位置處的輻射EMI以電場為主，而電場輻射較小。 由此可知，輻射源Sl為差模輻射源，而輻射源S2為共模輻射源，同時(shí)這與已知結(jié)論相一致。
權(quán)利要求
一種高頻電路輻射電磁干擾的分析方法，其特征在于對輻射EMI復(fù)合場中的單個(gè)輻射源進(jìn)行重構(gòu)，采用的儀器為數(shù)字雙蹤示波器和兩套近場電磁場探頭，具體步驟如下第一步將第一近場探頭(1)和第二近場探頭(2)與雙蹤示波器的第一通道和第二通道分別相連，其中第一近場探頭(1)和第二近場探頭(2)型號相同，且兩個(gè)同為近場電場探頭或者同為近場磁場探頭；第二步將第一近場探頭(1)和第二近場探頭(2)分別放置在高頻電路附近進(jìn)行n次測量，并從雙蹤示波器中獲得高頻電路輻射EMI時(shí)域信號；其中，測量次數(shù)n與待測高頻電路中輻射電磁干擾源個(gè)數(shù)有關(guān)，對于高頻電路，n＝4或n＝5，并且每次測量時(shí)上述兩探頭與電路平面之間的距離相等，此外，任意兩次測量時(shí)兩探頭所處的位置不能完全相同，同時(shí)需要將相關(guān)度較差的處理結(jié)果舍去；第三步將第二步獲得的高頻電路輻射EMI時(shí)域信號利用盲信號分析方法進(jìn)行處理將上述待測高頻電路中輻射EMI時(shí)域信號分離為單獨(dú)的共模輻射信號和差模輻射信號，從而對形成輻射EMI復(fù)合場的每個(gè)獨(dú)立電磁輻射源進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)一步得到各個(gè)獨(dú)立電磁輻射干擾源情況。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻電路輻射電磁干擾的分析方法，其特征在于所述進(jìn)一步得 到各個(gè)獨(dú)立電磁輻射干擾源情況，從而得到各輻射源是由共模輻射引起，還是由差模輻射 引起，采用的儀器為頻譜分析儀和近場電磁場探頭，具體步驟是第一步將近場電場探頭的輸出端與頻譜分析儀的輸入端相連，對所述的電磁輻射干 擾源，利用近場電場探頭進(jìn)行測量，從而可從頻譜分析儀上獲得近場電場探頭測量結(jié)果；第二步將近場磁場探頭與頻譜分析儀相連，對所述的電磁輻射干擾源，利用近場磁場 探頭進(jìn)行測量，從而可從頻譜分析儀上獲得近場磁場探頭測量結(jié)果；第三步對于各個(gè)電磁輻射干擾源，把第一步和第二步測量結(jié)果進(jìn)行比較，如果某輻射 干擾源由第一步獲得的近場電場探頭測量結(jié)果大于第二步獲得的近場磁場探頭測量結(jié)果， 則說明該輻射干擾源的輻射特征以共模輻射為主；如果某輻射干擾源由第一步獲得的近場 磁場探頭測量結(jié)果大于第二步獲得的近場電場探頭測量結(jié)果，則說明該輻射干擾源的輻射 特征以差模輻射為主，如果某輻射干擾源由第一步獲得的近場磁場探頭測量結(jié)果和第二步 獲得的近場電場探頭測量結(jié)果相差不大，且都比較突出，則說明該輻射源既是共模源又是 差模源，如果某輻射干擾源由第一步獲得的近場磁場探頭測量結(jié)果和第二步獲得的近場電 場探頭測量結(jié)果都明顯較小，則說明該位置不屬于輻射源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高頻電路輻射電磁干擾的分析方法。兩個(gè)同型號的近場電場探頭或近場磁場探頭，分別接數(shù)字雙蹤示波器的兩個(gè)輸入端；將上述兩個(gè)近場探頭置于不同位置對高頻電路進(jìn)行測量；對上述示波器得到的時(shí)域信號進(jìn)行盲信號分析，根據(jù)信號分析結(jié)果可區(qū)分出高頻電路中的單個(gè)輻射源。分別將近場電場探頭和近場磁場探頭連接頻譜分析儀輸入端，測量上述單個(gè)輻射源的近場電場和近場磁場大小，比較近場電場和近場磁場的大小可得每個(gè)輻射源的電磁干擾是由共模輻射引起，還是由差模輻射引起。該方法省時(shí)、簡便、實(shí)用，同時(shí)可以為高頻電路輻射EMI抑制提供指導(dǎo)。
文檔編號G01R29/08GK101839949SQ20101018226
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者李世錦, 羅永超, 褚家美, 趙陽, 顏偉 申請人:東南大學(xué)