1.8 电磁兼容测试设备和场地

1.8.1 测量接收机

测量接收机是电磁干扰测量最基本的设备，如图1-2所示，其频率可从20Hz到40GHz。除谐波电流和电压波动外，其他的电磁骚扰测试项目几乎都要用到它。

测量接收机是一台具有符合EMI测量特殊要求的频谱分析仪，适用于测量微弱的连续波信号和幅值很强的脉冲信号。基本要求有：噪声小、灵敏度高、动态范围大、过载能力强，在整个测量频段内测量精度能满足±2dB要求。测量接收机的结构方框图如图1-3所示。

1.各部分功能

（1）传感器：被测信号的输入端口，它由电压探头、电流探头、各类天线等部件组成。根据测量的目的，可选用不同的部件来拾取信号。

（2）输入衰减器：对外部进来的过大信号或干扰电平给予衰减，通过调节衰减量的大小，来保证测量接收机输入的电平在测量范围之内，同时也可避免过电压或过电流造成测量接收机的损坏。

（3）校正信号源：与普通接收机相区别的是它本身提供内部校正信号源，可随时对测量接收机的增益加以自我校正，以保证测量值的准确。

（4）射频放大器：利用选频放大原理，仅选择所需的测量信号（或骚扰信号）进入下一级电路，其他无用信号则排除在外。

（5）混频器：将来自射频放大器的射频信号和来自本机振荡器的信号合成产生一个差频信号输入到中频放大级，由于差频信号的频率远低于射频信号频率，使得中频放大级增益得以提高。

（6）本机振荡器：提供一个频率稳定的高频振荡信号，用于与输入的信号进行差频产生中频。

（7）中频放大器：由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频带宽度，又能获得较高的增益，因此保证接收机的总选择性和整机灵敏度。

（8）检波器：通常具有1～4种检波方式，这4种检波方式为平均值检波、峰值检波、准峰值检波和均方根值检波。

（9）输出指示：采用表头或显示屏指示电磁骚扰电平值，也可用通信端口连接到计算机上，通过计算机显示器显示或打印机打印。

2.准峰值测量接收机

采用准峰值检波器的测量接收机称为准峰值测量接收机。

准峰值测量接收机的工作频率范围分为：

A频段：频率范围为9～150kHz 6dB带宽：200Hz

B频段：频率范围为150kHz～30MHz 6dB带宽：9kHz

C波段：频率范围为30～300MHz 6dB带宽：120kHz

D波段：频率范围为300～1000MHz 6dB带宽：120kHz

3.其他测量接收机

采用平均值检波、峰值检波和均方根值检波的测量接收机分别称为平均值测量接收机、峰值测量接收机和均方根值测量接收机。虽然这些检波器的性能是利用其对规则重复脉冲的响应来规定的，但它们也可用于测量各类非脉冲性质的无线电骚扰信号，如宽带骚扰及某些类型的窄带骚扰。目前，CISPR在讨论使用均方根值（RMS平均值）测量接收机来测量数字式电子设备的无线电骚扰电平。此外，频谱分析仪和音频电压表也常被用于测量骚扰信号。

4.使用注意事项

（1）在测量无线电骚扰电压、电流、功率及场强时，测量接收机必须与辅助测量设备组成系统。主要的辅助测量设备有人工电源网络、电流探头和电压探头、吸收式功率钳及测量场强的天线；为提高灵敏度可加前置放大器；为测量过强信号可加衰减器。

（2）测量接收机是精密的测量仪器，使用时应注意使用的条件包括：电源电压、频率、温度与湿度、振动及骚扰信号的量级等，必须符合仪器的要求；输入端不能加直流电压；前级电路易损坏，在测量天线端和射频输出端有用信号时应特别小心；某些卫星接收机的天线端有直流馈电，测量时应采取隔直措施；在测量过程中可能出现强脉冲信号的测量，输入端可加限幅器和衰减器来加以保护；接收机的输入端一般为英制的N型端口或BNC端口，最好避免用公制的连接头连到输入端，应选用匹配的N型连接头和BNC连接头进行对接，注意在连上或断开连接头时用力要均匀，否则易损坏输入端口。

1.8.2 人工电源网络（AMN）

1.人工电源网络的作用

人工电源网络是电源端子传导骚扰电压测量的主要设备，又称线路阻抗稳定网络，如图1-4所示。其作用是能在射频范围内，在受试设备端子与参考地之间，或端子之间提供一稳定阻抗，同时将来自电源的无用信号与测量电路隔离开来，而仅将受试设备的干扰电压耦合到测量接收机的输入端。

人工电源网络有两种基本类型：耦合不对称电压的V型网络和耦合对称电压和非对称电压的△型网络。

人工电源网络一般配有三个端子：连接电源的电源端、连接受试设备的设备端和连接测试仪器的测量端。

2.人工电源网络的网络阻抗

当骚扰输出端接50Ω负载时，在设备端测得的相对于参考地的阻抗的模（只考虑大小，不考虑相位，所以取模值），即为人工电源网络的网络阻抗。

人工电源网络设备端的阻抗定义为受试设备呈现的终端阻抗。因此，当干扰输出端不与测量接收机相连时，该输出端应接50Ω的终端阻抗。

下面为四种常用的人工电源网络参数及适用范围：

（1）50Ω/50μHV型人工电源网络（适用于0.15～30MHz频率范围内的测量）。

（2）50Ω/50μH+5Ω V型人工电源网络（适用于9kHz～30MHz频率范围内的测量）。

（3）150Ω V型人工电源网络（适用于0.15～30MHz频率范围内的测量），该网络阻抗的模为150±20Ω，而相角不得超过20°。

（4）150Ω△型人工电源网络（适用于0.15～30MHz频率范围内的测量）。

3.隔离

尽管人工电源网络对电源输入有滤波隔离作用，但其隔离度有限。为了确保在所有测试频率上存在于供电电源上的无用信号不影响测量，需要在人工电源网络和供电电源之间插入一附加的射频低通滤波器。在使用低通滤波器后，其阻抗值也应满足网络阻抗值的要求。

4.接地

人工电源网络应通过低射频阻抗连接到参考地。如果接地不好，会严重影响测试结果；而良好的接地可将AMN的外壳与参考地或屏蔽室的一个参考壁直接搭接，或者用一个尽可能短而宽的（最大长宽比为3∶1）低阻抗导体来连接。

1.8.3 电流探头

电流探头是测量传导骚扰的一种特殊的测量设备，如图1-5所示，部分标准明确规定用电流探头测量传导骚扰。其优点是不需与源导线（此处指带有骚扰源的导线）导电接触，也不用改变其电路，这种方法的实用性是不言而喻的。

用专门改进的卡式电流传感器可以测量线上的非对称干扰电流。对复杂的导线系统、电子线路等的干扰测量，可以在不影响正常工作或正常布置的状态下进行。

电流探头的频率范围可达30Hz～1000MHz。当测量常规电源系统在100MHz以上的持续电流时，应将电流探头置于电流最大位置。

电流探头在通带内具有平坦的频响。在低于通带的频率范围时，仍可进行精确的测量，只是由于传输阻抗的减少降低了灵敏度；在高于通带的频率范围时，由于电流探头产生谐振，将导致测量不精确。

电流探头在附加屏蔽结构后，可以测量非对称（共模）骚扰电流或者对称（差模）骚扰电流。

1.电流探头的结构

电流探头的结构能方便地卡住被测导线。被测导线充当一匝的初级线圈，而次级线圈则包含在电流探头中。电流探头的卡式结构能保证在不断开电源线的情况下进行测量。

2.电流探头的特性

① 插入阻抗：≤1Ω。

② 传输阻抗：0.1～5Ω，在平坦线性范围；

0.001～0.1Ω，低于平坦线性范围（电流探头端接50Ω）。

③ 附加的并联电容：在电流探头外壳与被测导线之间，小于25pF。

④ 频率响应：在规定的频率范围内校准传输阻抗。

⑤ 磁饱和：在规定误差不超过1dB时，初级导线中最大直流或最大交流电源电流值。

⑥ 外磁场的影响：当将载流导线从探头孔径内移至探头外附近时，测量指示器应至少减少40dB。

⑦ 外电场的影响：对于10V/m以下的电场不敏感。

⑧ 位置的影响：在使用探头时，任何尺寸的导线放置在孔径内任何部位，在30MHz以下，误差＜1dB；在30～1000MHz，误差＜2.5dB。

⑨ 电流探头的孔径：至少15mm。

1.8.4 电压探头

电压探头如图1-6所示。接触式电压探头是由一个隔直流电容器C和一个电阻R串联组成的，使得电源线与地之间的总电阻值为1500Ω。此探头也可用来测量其他电源线上的电压，此时可能需要增加探头的输入阻抗，以避免高阻抗电路过载。

接触式电压探头的插入损耗应在9kHz～30MHz的频率范围的50Ω系统中校准。任何测量用保护装置对测量精度的影响都不得超过1dB，否则应予以校准。要确保被测干扰电平远大于环境噪声电平，否则测量就没有意义了。

连接探头的导线、被测电源线和参考地之间形成的环应尽可能的小，以减小强磁场的影响。

非接触式容性电压探头由两个同轴电极、一个接地端、一个电缆夹具和一个跨阻放大器组成。外电极用于静电屏蔽，以降低沿着电缆外皮的静电耦合引起的测量误差。当电缆和地之间存在电压时，在内电极和外电极间将产生一个静电感应电压。该电压由一个高输入阻抗放大器检测出，然后经过跨阻放大器转换成低阻抗。其输出由一个测量接收机测量。

1.8.5 天线

天线是指把高频电磁能量通过各种形状的金属导体向空间辐射出去的装置，反之，天线的逆向功能也可把空间的电磁能量转化成高频能量收集起来。各种测量天线如图1-7所示。

天线是辐射骚扰场强和辐射抗扰度测试的主要辅助设备。在辐射测量过程中，利用天线将电磁能量转换为电压进行测量。在抗扰度测量过程中，利用天线发射电磁能量，产生电磁场。

天线的输入阻抗ZA为天线在馈电点的电压U（V）与电流I（A）之比，即

ZA=U/I（Ω）

天线系数AF为接收点的场强E（V/m）与此场强在该天线输出端生成的电压U（V）之比，即

AF=E/U

根据传输线理论，当传输线阻抗与负载阻抗不匹配的情况下，必然引起输入波的反射。电压驻波比是表征匹配程度的系数，即

VSWR=（1+ρ）/（1-ρ）

式中：

ρ——反射系数，即反射电压与入射电压之比。

在匹配时，ρ=0，则VSWR=1；在失配时，ρ≠0则，VSWR＞1。失配越严重，则电压驻波比越大。

1.8.6 电磁屏蔽室

电磁屏蔽室是对电磁场起隔离作用的设备，按标准要求许多试验项目必须在屏蔽室内完成。它是一个由低电阻金属材料制成的封闭室体，利用电磁波在金属体表面产生反射和涡流而起到屏蔽作用。当它与大地连接后，同时能起到静电屏蔽作用。屏蔽室广泛应用于小信号高灵敏度要求的场合及计算机房等。

理论上，金属材料均可作为屏蔽室材料，但从电导率、成本及腐蚀等多方面综合考虑，一般采用钢和铜两种材料。常用的有钢（铜）板屏蔽室和丝网屏蔽室，其中钢板屏蔽室分为焊接式和板块拼装式。用于电磁兼容测量的电磁屏蔽室除了有良好屏蔽性能的屏蔽室外，屏蔽门、通风波导、电源滤波器和信号滤波器及接地等是影响屏蔽室性能的主要辅助设施，因此，对不同性能的电磁屏蔽室，需配备相应性能的辅助设施。

1.屏蔽室的屏蔽效能

屏蔽室的屏蔽效能是指模拟干扰源置于屏蔽室外时，屏蔽室安放前后的电场强度、磁场强度或场功率之比。

屏蔽效能可以用下式表示为

式中：

H1、E1、P1——无屏蔽室情况下的磁场强度、电场强度和场功率；

H2、E2、P2——屏蔽室内的磁场强度、电场强度和场功率。

屏蔽室的屏蔽效能按照使用要求和周围环境的电磁场强度来确定，一般使用要求为60～80dB，屏蔽效能大于100dB的称为高效能屏蔽室。屏蔽效能与频率有关：在低频段，如10～100Hz，屏蔽效能比高频段差；而当频率高达微波段，如1GHz以上，屏蔽效能也会下降。这与屏蔽室的材料、加工制作工艺和屏蔽室的几何尺寸有关。

2.与电磁屏蔽室有关的辅助设施

1）屏蔽门

屏蔽门是屏蔽室的关键部位，必须精心设计、精心加工，有些材料还需要经过特殊工艺处理，如镀银等。小的屏蔽门大都采用手动，而结构尺寸大的屏蔽门一般采用电动或气动。屏蔽门不管大小，都必须使门、门框与屏蔽室体紧密接触，以防止电磁波从门缝处泄漏。屏蔽效能的高低，屏蔽门是主要因素。

2）通风波导（截止波导）

电磁屏蔽室作为一个金属封闭体，室内的通风是通过截止波导来实现的。波导的孔径、深度等几何尺寸可根据电磁屏蔽室的屏蔽效能来确定，即在要求的截止频率以下能提供与屏蔽效能相适应的隔离度。空气的流量是按屏蔽室的空间大小，温度调节范围来进行计算的。一个屏蔽室一般应有多个通风波导。

3）滤波器

滤波器的作用是滤除线路中传输的高频信号分量。凡进出电磁屏蔽室的所有电缆，包括电源线、信号线、控制线等均需要通过滤波器，以滤除其中无用的高频分量。接到电源线上的滤波器称为电源滤波器；与信号/控制线连接的滤波器称为信号滤波器。

滤波器对高频信号的抑制性能用“插入损耗”来衡量，插入损耗不仅取决于滤波器本身的电路结构参数，还取决于与它相连的端接阻抗、负载电流、负载电压及其他因素。

4）接地

将屏蔽室与大地用低电阻导体连接起来，称为接地。接地可分为三类：

（1）避雷接地，防雷电影响。

（2）电气接地，与电网的连接，保护设备和人身安全。

（3）高频接地，使高频信号与地构成通路。

三类接地的目的用途不同，其接地要求也不一样。

对于电磁屏蔽室，其接地为高频接地，一般要求单点接地。

通常对屏蔽室的接地要求有以下几点：

（1）屏蔽室宜单点接地，以避免接地点电位不同造成屏蔽壁上的电流流动。此种电流流动，将会在屏蔽室内引起干扰。

（2）为了减少接地线阻抗，接地线应采用高电导率的扁平状导体。

（3）接地电阻应尽可能地小，一般分三个等级：小于4Ω，小于2Ω和小于1Ω。

（4）接地线应尽可能短，最好小于λ/20。对于设置在高层建筑上的微波屏蔽室，可采用浮地方案。

（5）必要时对接地线采取屏蔽措施。

（6）严禁接地线和传输电线平行敷设。

为了获得低的接地电阻，通常采用地线网络接地，以及在铜板和连接铜带周围加降阻剂，效果好的可以做到小于1Ω。

5）屏蔽室的谐振

任何的封闭式金属空腔都可产生谐振现象。屏蔽室可视为一个大型的矩形波导谐振腔，根据波导谐振腔理论，其固有谐振频率按下式计算

式中：

f0——屏蔽室的固有谐振频率，单位为MHz；

l、w、h——屏蔽室的长、宽、高，单位为m；

m、n、k—分别为正整数，但不能同时取3个或2个为0；对于TE型波，m不能为0。

屏蔽室谐振会影响电磁兼容试验测量结果，应避免这种现象的产生。当激励源使屏蔽室产生谐振时，会使屏蔽室的屏蔽效能大大下降，导致信息的泄露或造成很大的测量误差。为避免屏蔽室谐振引起的测量误差，应通过理论计算和实际测量来获得屏蔽室的主要谐振频率点，把它们记录在案，以便在以后的电磁兼容试验中，避开这些谐振频率。若在谐振点上有超标的现象，不能直接判定产品不合格，应通过其他方式或手段再确定该点测量是否超标。

1.8.7 电波暗室

1.概述

电波暗室（Anecholc Chamber）是辐射骚扰场强和辐射抗扰度测量的场所，又称电波消声室，或电波无反射室，如图1-8所示。电波暗室有两种结构形式：电磁屏蔽半电波暗室和全电波暗室。电磁屏蔽半电波暗室由电磁屏蔽室加射频吸波材料组合构成，侧面和室顶敷设射频吸波材料，地面为电波反射面，模拟开阔试验场。六个内表面全部敷设射频吸波材料的称为全电波暗室，模拟自由空间。

由于好的开阔试验场选址不易，使用不便。建在市区又会因背景噪声电平大而影响EMC测试，于是模拟开阔试验场的电磁屏蔽半波暗室就成了应用较普遍的EMI测试场地。美国FCC、日本VCCI及IEC、CISPR等标准，均允许用电磁屏蔽半电波暗室替代开阔试验场进行EMI测试。

电波暗室是用于电磁辐射骚扰测量和电磁辐射敏感度测量的，主要性能指标用归一化场地衰减NSA和测试面场均匀性来衡量。

2.电磁屏蔽半电波暗室的结构

电磁屏蔽半电波暗室中的测试环境是模拟开阔试验场的传播条件的，因此暗室尺寸应以开阔试验场的要求为依据。其测试距离 R为3m、10m等；测试空间的长度为2R；宽应为1.73R。

在用3m法测试时，接收天线的高度要求应在1～4m范围内改变；在用10m法测试时，天线高度要求应在2～6m范围内改变。

吸波材料的选择直接关系到暗室的性能，材料的吸波性能越好，即入射电波的反射率越小，对暗室中场强测量产生的不确定度就越小。

常用的吸波材料有单层铁氧体片、角锥形含碳海绵复合吸波材料和角锥形含碳苯板复合吸波材料。这三种材料各有优缺点：铁氧体片的优点是低频性能好，占用空间体积小，缺点是高频性能差；另外两种材料的特点是工作频率范围宽，高端可达40GHz，承受功率大。目前已有综合了两种材料优点的新型复合吸波材料。

图1-8所示的暗室就是五个内表面贴铁氧体片，且在主要部分加含碳海绵复合吸波材料。1GHz以下主要靠铁氧体片起作用，1GHz以上主要是含碳海绵复合吸波材料起作用。

3.电波暗室的测试时间选择

电波暗室在完成屏蔽壳体的建造后，应进行屏蔽效能的测试。在粘贴吸波材料后，则应进行归一化场地衰减和测试面场均匀性的测试。

4.归一化场地衰减测试（NSA）

既然电磁屏蔽半电波暗室是为模拟开阔场而建造，那么暗室中的NSA测量值就应和开阔场上的测量值相一致，测试值的误差不超过±4dB。ANSIC63.4、CISPR22对半电波暗室模拟开阔场的NSA测量做了规定，CISPR22还给出了使用宽带天线和推荐尺寸的半电波暗室归一化场地衰减标准值。

5.均匀域测试

“均匀域”是一个假想的垂直平面，在该平面中电磁场的变化令人满意地小。该均匀域尺寸为1.5m×1.5m。在布置试验时，应使受试设备受照射的面与均匀域的垂直平面重合。

由于靠近参考地平面不可能建立一个均匀场，所以校准的区域在离参考地平面上方不低于0.8m处，受测设备也尽可能置于同样的高度上。

均匀域的校准应在空的屏蔽暗室中进行。在规定的区域内75%的表面上，场的幅值偏差在标称值的0dB～+6dB，即可认为该场地是均匀的（即若测量16个点，其中至少有12个点在容差范围内）。