电磁兼容性检验测试方法

.-电磁兼容性测试方法各式各样整合系统设备带给人类生活无限方便利益,却也造成复杂电磁噪声环境。四十年前欧体IEC/CISPR等委员会之电磁兼容性(ElectroMagneticCompatibility,EMC)研究小组有鉴于此电磁噪声环境趋势，发出89/336/EECEMC指令(及后续修订版92/31/EEC，93/68/EEC)，说明电子电机设备相关产品必须符合辐射干扰与传导干扰发射规格外，同时陆续增订辐射耐受性与传导耐受性规格，要求1996年元旦起强制实施，国内各类电子电机产品厂商为强化所生产产品符合内外销相关EMC指令，促使EMC测试场地快速成长，较大规模之信息厂都趋向自行筹建EMI(ElectroMagneticInterference)除错场地，加速产品EMC设计达到外销各国相关EMC需求。然而为了验证电子电机设备电磁兼容性设计是否良好，就必须在研发之整个过程中，对各种电磁干扰源之发射噪声、传输特性及受干扰设备能否负荷耐受性测试，验证设备是否符合相关电磁兼容性标准和规范；找出设备设计及生产过程中，在电磁兼容性方面之盲点。在客户安装和使用设备时，提供了既真实又有效之数据，因此，电磁兼容性测试是电磁兼容性设计所不可或缺之重要环节。本文将针对EMC测试最新之军规、商规、车辆规范等作一比较分析测试方法差异及相关经验。表一.常见美军军规,欧美商规及车辆用电磁干扰(EMI)测试项目摘要比较.-表二.常见美军军规,欧美商规及车辆用磁用耐受性(EMS)测试项目摘要比较.-电磁兼容性测试范围与所采用之标准和规范依据相应之电磁兼容性标准和规范，电磁干扰(EMI)及电磁耐受性测试(EMS)在不同频率范围内，采用不同之方式进行。基于任意电子电机设备既可能是一个干扰源，也可能是被干扰者。因而，电磁兼容性测试包含电磁干扰测试(EMI)及电磁耐受性测试(EMS)。由于电磁兼容性测试种类太多，实在无法逐一详细说明，本文就表１及表２摘要列举了几个典型EMC测试标准和规范(含常见美军军规、欧美商规及车辆用EMC标准)，在不同频率范围中之测试项目，从军规EMC标准之.-演变，就可观察到欧美商规EMC标准之趋势。近年来，车辆工业界面对二十一世纪车辆设计新颖要求，纷纷成立车辆研发中心，由于国内主要汽车制造厂均需符合相关车辆用EMC标准和规范，因此更需了解比较车辆EMC设计与测试验证之方法。此二表中CE表示可以传导发射(ConductedEmission)，CS表示传导耐受性(Conductedusceptibility)，RE表示辐射发射(RadiatedEmission)，RS表示辐射耐受性(RadiatedSusceptibility)。一般电磁干扰(EMI，包括CE及RE)测试主要内容有︰电子电机产品和设备在各种电磁噪声环境中之传导干扰和辐射干扰发射量之测试(例如电子电机设备之交换式电源之脉冲干扰和连续干扰)及各种讯号传输时，干扰传递特性之测试(例如如各种传输线之传输特性和屏蔽效果)。而电磁耐受性(EMS，包括CS及RS)测试主要内容则有︰1.对电场、磁场之辐射耐受性测试2.对电源线、控制线、讯号线、地线等注入干扰之传导耐受性测试3.对静电放电和各种瞬时电磁波(突波或电性快速瞬时)之耐受性测试EMC测试场地之一般要求︰如何有效地量测出实际待测产品设备溢出之噪声，与产生类似EMI之干扰源，用来验证待测产品设备之电磁耐受性，都是EMC工程人员所必须掌握。因此，为了仿真复杂电磁噪声环境及保证EMC测试结果之重复性、准确性和可靠性，EMC测试对环境有较高之需求，测试场地可分为隔离室(包含TEM/GTEMCell等积向电磁波EMC测试室)、电波暗室和室外开放测试区之场地(openAreaTestSite，OATS)等。这些EMC测试场地之功能、建材和限制条件简述如下︰就隔离室而言，隔离室之作法一方面是对外来电子电机干扰加以屏蔽，从而保证室内电磁噪声环境满足要求，另一方面是对内部如天线等发射源进行屏蔽而不对外界造成干扰。MIL-STD-461及其它相关电磁兼容性标准规定，许多测试项目必须在隔离室内进行，隔离室为一个由金属材料做成之六面体，其建材形式为镀锌钢板式、铜网式、多层复合金板式等等不胜枚举。影响隔离室性能之主要原因有︰屏蔽门、屏蔽材料、电源滤波器、通风波导、安装及焊接接缝、接地等。从屏蔽效益来看，钢板.-式最好，在10kHz至18GHz频率范围，可满足屏蔽效益80~120dB之要求。在使用隔离室进行电磁兼容性测试时，要注意隔离室之共振及反射。根据电磁理论，隔离室是一个很大之方形波导共振腔，具有一系列之电磁共振频率，当隔离室发生共振时，将会影响屏蔽效益及测试结果，隔离室基本共振频率公式为：式中ｆ为共振频率(MHz)，a，b，c为隔离室之长、宽、高度(公尺)；m，n，p为０及正整数，三者中最多只能一个为零，对于TE波m不能为零，举例来说，商规长、宽、高9*6*6立方公尺之隔离室基本TE101波之共振频率约为30MHz。由式(1)可见，隔离室有许多个共振频率，当隔离室共振时，其屏蔽效益大幅下降，并且会造成很大之测试误差，因此在进行EMC测试时应避免这些共振频率。天线等发射源将会在隔离室壁面上产生多重反射，从而影响测试结果，往往误差大到30～40dB，为此在条件许可之各种状况下，在体积较大之隔离室内进行测试，同时使待测件在保证入射为平面波之前提下，缩短待测件与接收天线之距离，对于最近之反射路径，针对反射点局部加贴吸波材料，可以减少反射波。就电波暗室(全电波暗室或半电波暗室)而言，全电波暗室是针对一般隔离室各内壁面反射，将会影响测试结果，因而在六个壁面上，加装吸波材料而形成之隔离室(为了仿真室外开放测试区之场地测试，接地地板上不贴吸波材料之电波暗室称为半电波暗室)。吸波材料一般采用介质损耗型(如聚氨脂类之泡沫塑料，亚铁磁砖等)，为了确保其耐燃烧特性需在碳酸溶液中渗透，吸波材料通常作成圆锥状、棱角锥状及方楔形状，以保持连续渐变之焦耳阻抗。军规MIL-STD-462D对吸波材料之最小吸收量有所规定，即频率80MHz～250MHz至少6dB，频率大于250MHz则至少10dB以上。而为了保证内部测试场之均匀，吸波体之长度相对于隔离室工作频率下限，所对应之波长要足够长(1/4波长效果较好)，吸波体之体积也会限制吸波材料之有效工作频率(一般在30MHz以上)减小了隔离室之有效空间，电波暗室之屏蔽效益要求与隔离室相同。此外，商规EMC测试对电波暗室之场地衰减(SiteAttenuation，SA)规定NSA(NormalizedSA)要在理论值±4dB之范围；对电波暗室内部测试场强之均匀度，则要求执行16点场强之均匀度校正试验，此试验之测试方法详加说明如图，发射天线与待测场强之均匀面.-(1.5m×1.5m)相距3公尺，16点均匀面正方形(4点×4点，点距0.5m)场强之均匀度，至少要求其中12点(75%)要符合规格需求，这种测试方法与1993年版之军规MIL-STD-462D要求相当就室外开放测试区之场地(OATS)而言，开放测试区之场地通常用于精确测量待测件之发射极限值，OATS要求平坦开阔，远离建筑标地、塔台、电线、树林、地下电缆和金属管道，环境电磁干扰背景要很小(如一般电磁兼容性标准和规范要求至少低于允许之极限值6dB)，接地地板可为钢板或其它低阻金属结构，场地尺寸在不同之EMC标准和规范要求不尽相同。EMC测试所需基本仪器之要求及其配备在前节所述EMC测试场地执行EMI/EMS测试时，所需基本仪器之要求及其配备，随着不同频率范围中之测试项目而有所差异，图划出典型EMI/EMS测试组合示意架构，其中测试所需不同仪器之基本配备则如下列说明。1.隔离室屏蔽效益(ShieldingEffectiveness，SE)测试所需仪器之基本配备参考IEEE-299-1997和MIL-STD-285等测试隔离室屏蔽效益之标准，在不同频率范围内将隔离室屏蔽效益分为磁场屏蔽(低阻抗场)，电场屏蔽(高阻抗场)平面波电磁场屏蔽和微波屏蔽，其测试仪器之基本配备为︰频谱分析仪或EMI测试接收机、场强监视系统、各类讯号产生器、功率放大器、各类衰减器、定向耦合器及各类发射、接收天线(棒状天线、环路天线、对数螺旋天线、喇叭天线等)及输出变压器。2.电磁干扰EMI测试所需仪器之基本配备需求.-由于使用测试仪器时也会产生一定电磁干扰，为了保证测试之准确性，CISPR16要求测试仪器之干扰量至少比待测装置干扰电压或电流小20dB，且比允许之干扰量小40dB。测试仪器精确度要求为︰电压测试时误差不超过正负2dB，场强测试时误差不超过正负3dB。测试仪器之屏蔽效益至少要有60dB，测试仪器接入测试系统后，既不应改变被测电子电机设备之工作状态，也不应对被测干援源有分压分流效应，测试仪器本身之干扰耐受性应远低于可能受到之干扰量。常用之电磁干扰EMI(含RE及CE)测试仪器配备有︰·EMI自动测试控制系统(计算机及其接口单元)·EMI测试接收机(或频谱分析仪)·各式天线(主动、被动棒状天线、大小形状环路天线、功率双锥天线、对数螺旋天线、喇叭天线)及天线控制单元等·电流注入感应器(CurrentProbe)、电压感应器、隔离变压器·电源阻抗仿真网络(LineImpedanceStabilizationNetwork，LISN)贯穿电容，储存式示波器，各型滤波器、定向耦合器等3.电磁耐受性(EMS)测试仪器之基本配备需求常用之电磁耐受性EMS(含RS及CS)测试仪器之基本配备需求有︰·EMS自动测试控制系统(计算机及其接口单元)·EMI测试接收机(或频谱分析仪).-·各式发射、接收天线·讯号产生器2功率放大器、场强监视系统·储存式示波器，注入隔离变压器，各型滤波器、定向耦合器·电源阻抗仿真网络，射频抑制滤波器，光纤数据传输系统4.简介常用之EMC测试重点仪器和设备电磁兼容性测试除了通用测试仪器外，还需许多特殊仪器和设备，下面将简介一些电流感应器、电源阻抗仿真网络、EMI测试接收机、频谱分析仪、各式发射接收天线、平行板线、及TEM/GTEMCell等横向电磁波测试室等主要仪器设备之工作原理和使用特点。电流感应器电流感应器是引用荷尔效应(Halleffect)，从流动导线之电流穿过电流感应器产生磁场，执行CE101/CE102等传导干扰测试时，利用电流感应器来感应侦测导线所溢放射出之噪声。电源阻抗仿真网络(LISN)电源阻抗仿真网络是一种耦合电路，主要用来提供干净之DC/AC电源品质，阻挡待测件噪声回馈至电源及RF耦合，内部电路架构与阻抗特性曲线详如图。早期军规传导干扰测试是以10厉贯穿电容为主，电源阻抗仿真网络(LISN)为辅，1993年以来，军规MIL-STD-462D要求改以LISN为主，所用导电桌或木桌上接地平面(GroundPlane)皆配备LISN作测试，而CISPR商规要求所用木桌上也配备LISN作测试。EMI测试接收机EMI测试接收机是EMC试验中最常用之基本测试仪器，EMI测试接收机实际上是含高频选频放大之超外差接收机，其灵敏度可通过输入回路之可调衰减器来调变，由于测试讯号输入常常是极宽之频谱讯号，运用可调谐高频选择器对输入讯号进行预选，可以改善混频器之工作.-状况，中频放大器和中频选择器用来确定仪器之通行频带，并对讯号进行功率放大。基于测试接收机之频率响应特性要求，按CISPR16规定，测试接收机应有四种基本检波方式︰准峰值检波、均方根值检波、峰值检波及平均值检波。然而，大多数电磁干扰都是脉冲干扰，它们对音频影响之客观效果是随着重复频率之增高而增大，具有特定时间常数之准峰值检波器之输出特性，可以近似反应这种影响。因此在无线广播频率领域，CISPR所推荐之电磁兼容性规范采用准峰值检波。由于准峰值检波既要利用干扰讯号之幅度，又要反映它之时间分布，因此其充电时间常数比峰值检波器大，而放电时间常数比峰值检波器小，对不同频谱段应有不同之充放电时间常数，这两种检波方式主要用于脉冲干扰测试。瞬间变化及重