張宇環(huán) 張宇琛 馬巖冰 王會華 顏偉

(1.上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109;2.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109;3.南京師范大學(xué) 江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室,南京 210042)

基于電路參數(shù)模型的輻射電磁干擾噪聲預(yù)估方法

張宇環(huán)1張宇琛2馬巖冰1王會華1顏偉3

(1.上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109;2.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109;3.南京師范大學(xué) 江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室,南京 210042)

針對Hubing電流驅(qū)動模型中認(rèn)為電流在輻射線纜中是均一分布的,幅值和相位保持不變即未考慮輻射線纜共模電流頻率效應(yīng)給輻射電磁干擾噪聲預(yù)估帶來的誤差的問題．文中利用電流傳輸波動特性建立了輻射線纜長度與共模電流波長為同一數(shù)量級時的輻射線纜共模電流分布模型,并設(shè)計電路模型進(jìn)行測試預(yù)估．實驗結(jié)果表明:采用文中方法預(yù)估輻射電磁干擾噪聲與Hubing電流驅(qū)動模型預(yù)估方法相比能提高20.12 dBμV/m,更加接近標(biāo)準(zhǔn)暗室測試結(jié)果,從而為輻射電磁干擾 (Electro Magnetic Interference,EMI)測試與分析提供理論依據(jù).

電磁兼容;電流驅(qū)動輻射模型;共模輻射;輻射電磁干擾;測量校準(zhǔn)

引 言

目前電子產(chǎn)品輻射電磁干擾測試標(biāo)準(zhǔn)測試方法是開闊場測試或者電波暗室測試方法[1-2],但開闊場測試及電波暗室測試對場地環(huán)境要求較高并且測試場地建設(shè)價格不菲,一般企業(yè)無法承受．因此,預(yù)估電磁干擾源輻射電磁干擾 (Electro Magnetic Interference,EMI) 噪聲的近場測試方法引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-7]．輻射電磁干擾問題研究通常包括輻射干擾源定位、預(yù)估和抑制三個方面．輻射干擾源定位是指對輻射噪聲源特征、機(jī)理、位置等的獲取與判定,輻射干擾源預(yù)估是指不通過標(biāo)準(zhǔn)檢測,對輻射噪聲源可能產(chǎn)生的最大輻射EMI噪聲進(jìn)行估計,輻射干擾源抑制是指對電子設(shè)備產(chǎn)生的輻射EMI噪聲進(jìn)行處理,并使其滿足相關(guān)要求．迄今國內(nèi)外學(xué)者針對上述問題的研究工作可概括如下．輻射干擾源定位研究方面,Aouine分析了Buck電路開關(guān)器件近場區(qū)域輻射磁場分量,建立了電流環(huán)路模型[8];Thomas利用近場電磁場掃描方法建立了一種用于分析印制電路板 (Printed Circuit Board,PCB)輻射干擾噪聲等效偶極子模型矩陣[9];輻射干擾源預(yù)估研究方面, Hubing提出了輻射目標(biāo)電壓驅(qū)動型模型和電流驅(qū)動型模型[11-12],并結(jié)合Green函數(shù)法提出了電纜總線分析模型[12-14]．Paul在此基礎(chǔ)上研究了輻射線纜共模電流頻率效應(yīng)的影響[15]．PAK也提出了輻射線纜共模電流分段處理模型[16],提高了模型精度．但仍然存在一些問題:未充分考慮近場、感應(yīng)場效應(yīng)及環(huán)境背景噪聲對PCB分布電容、電感以及輻射線纜輸入電容的影響;未考慮輻射線纜共模電流頻率效應(yīng)對重構(gòu)精度的影響;未考慮輻射線纜長度與輻射噪聲波長特性對線纜共模阻抗的影響．

針對上述問題,本文針對輻射線纜共模電流頻率效應(yīng)對重構(gòu)精度的影響建立輻射線纜復(fù)系數(shù)共模電流分布模型,利用電流傳輸波動特性建立輻射線纜共模電流分布參數(shù)分析模型,據(jù)此預(yù)估輻射源空間輻射場強,文中設(shè)計了電流驅(qū)動模型并通過實驗發(fā)現(xiàn),進(jìn)行線纜共模電流修正后的電流模型預(yù)估精度大大提高,為輻射EMI近場預(yù)估提供了有效借鑒．

1 電流驅(qū)動模型輻射電磁干擾噪聲提取原理

美國的Hubing教授提出了一種基于電路參數(shù)分析電流驅(qū)動模型,實現(xiàn)了輻射目標(biāo)快速重構(gòu)．

圖1 電流驅(qū)動共模輻射模型

圖1描述了由電路板連接的輻射線纜驅(qū)動產(chǎn)生共模輻射(Common-mode radiation)的機(jī)理模型．由于PCB板的寬度有限,由信號電流IDM產(chǎn)生的一部分磁場包圍在電路板周圍,并且在信號回路中存在一個電壓降,即共模電壓VCM．這一電壓降將會產(chǎn)生線纜中的共模(Common Mode,CM)電流,進(jìn)而驅(qū)動電路板上的各種元器件和線纜工作．

信號回路產(chǎn)生的共模電壓VCM可以通過估算電流通路的分布電感得到,其中分布電感為

(1)

式中:ht是信號線到地層的高度;d1和d2是兩個從信號線中心到板子邊緣的最短距離;lt是布線長度.信號線i的電位差為

Vret,i=ωLp,iIDM,i.

(2)

式中IDM是信號線回路差模電流．當(dāng)不是電小尺寸(小于對應(yīng)輻射頻率1/10 波長)時式 (2)修改為:

(3)

式中:c是自由空間的傳播速度;εr是板子的介電常數(shù)．

當(dāng)只有一根線纜連接在電路板上時,在距離3 m處的最大輻射場是由線纜和電路板之間的電流驅(qū)動電壓引起的,如公式(4)所示:

(4)

式中CB為輻射線纜分布電容．因此,測量電子設(shè)備PCB電路板的電路參數(shù),即可估算輻射電磁干擾噪聲大小,進(jìn)而實現(xiàn)輻射目標(biāo)重構(gòu)[18-20]．

為了驗證Hubing電流驅(qū)動模型的精度,設(shè)計了圖2(a)所示的驗證電路,以5V直流電驅(qū)動10MHz晶振工作,回路電阻為100Ω,輻射線纜長度為1m．利用江蘇電氣裝備電磁兼容工程實驗室標(biāo)準(zhǔn)3米法電波暗室以及德國羅德施瓦茨公司(R&S)ESU26電磁干擾接收機(jī)進(jìn)行輻射騷擾(RadiatedEmission,RE)測試,結(jié)果如圖2(b)所示．采用R&S公司FSC-3頻譜儀作為近場測試設(shè)備,同時采用Angilent公司的電壓探頭85024A測量上述驗證電路中的電壓信號,結(jié)果如圖2(c)所示．

由圖2(b)可知,電波暗室測試結(jié)果得出30 ～100MHz之間輻射電磁干擾噪聲逐漸增強,100 ～500MHz之間電磁輻射干擾噪聲最高,且噪聲幅值基本一致,500MHz～1GHz輻射電磁干擾噪聲大大降低．

如圖3所示,三角形曲線是電波暗室測試結(jié)果,

(a) 電流驅(qū)動模型實物圖

(b) 電流驅(qū)動模型電波暗室測試結(jié)果

(c) 電流驅(qū)動模型預(yù)估結(jié)果圖2 輻射測試結(jié)果

圖3 Hubing模型預(yù)估結(jié)果與電波暗室測試 結(jié)果對比圖

五角星形曲線是Hubing電流驅(qū)動模型預(yù)估結(jié)果．由結(jié)果可知電流驅(qū)動模型預(yù)估結(jié)果與3米法電波暗室的標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果在趨勢上是一致的,說明電流驅(qū)動模型預(yù)估的有效性,但幅度相差較大,例如100MHz時相差最大,達(dá)到44dBμV/m,說明Hubing電流驅(qū)動模型預(yù)估精度較差,因此要在電流驅(qū)動模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步修正完善,本文利用利用電流傳輸波動特性建立了輻射線纜共模電流分布模型,有效提高了輻射電磁干擾噪聲預(yù)估精度．

2 電流驅(qū)動模型輻射線纜共模電流分布參數(shù)分析方法

Hubing在電流驅(qū)動模型中認(rèn)為輻射線纜共模電流是簡單直流模型,即認(rèn)為電流在輻射線纜中是均一分布的,幅值和相位保持不變,未考慮輻射線纜共模電流頻率效應(yīng)．在Hubing模型的基礎(chǔ)上,美國的Paul利用輻射線纜中心點處電流來替代輻射線纜整體共模電流,盡管該模型在一定程度上提高了模型預(yù)估精度,但在較高頻率時,精度大為降低．SEEKyeYak提出了輻射線纜共模電流分段模型,該模型較Paul方法更加準(zhǔn)確,但并沒有考慮相位因素的影響,僅考慮了幅值疊加,因此,精度仍有待進(jìn)一步改善．

為了解決上述問題,考慮到當(dāng)輻射線纜長度與線纜中共模電流對應(yīng)的波長為同一數(shù)量級時,線纜中的共模電流不再均勻分布,利用電流傳輸波動特性建立輻射線纜共模電流分布模型,如圖4所示．

輻射線纜共模電流的分布參數(shù)分析模型具體如下:

1) 根據(jù)輻射電磁干擾噪聲的頻段特征及λ/4原則(考慮3米標(biāo)準(zhǔn)暗室測試距離是輻射電磁干擾噪聲測試起始頻率30 MHz對應(yīng)波長的1/4～1/3)將輻射線纜劃分為i段;

2) 以線纜中心點處的電流為基準(zhǔn)電流I0,分別在兩側(cè)電流疊加不同相位因子ejiα和幅值因子eiξ;

3) 根據(jù)麥克斯韋方程組和線纜輻射關(guān)系,可得

帶電導(dǎo)線在遠(yuǎn)場產(chǎn)生的輻射電磁場:

(5)

式中Z0為自由空間波阻抗．

4) 輻射線纜各段的共模電流均會產(chǎn)生相應(yīng)的輻射電磁場Ei;

5) 在測試點產(chǎn)生的合成場為不同的輻射電磁場Ei在測試點處的矢量和:

(6)

式中:Z0為自由空間波阻抗,即120π Ω(377 Ω),eiξ為幅值修正因子,ejiα為相位修正因子．

3 電流驅(qū)動模型輻射線纜共模電流的分布參數(shù)分析模型試驗

為了驗證電流驅(qū)動模型輻射線纜共模電流分布參數(shù)分析模型的有效性,采用上述輻射線纜電流分段模型,計算上述共模輻射線纜輻射場強,考慮到最惡劣的情況,即輻射相位相同,將每段電流幅值相加進(jìn)而實現(xiàn)輻射目標(biāo)快速重構(gòu)．因此將輻射線纜分成n個小段,將電流探頭卡在每段線纜的中間位置來測量射頻電流,設(shè)分別記為I1,I2,…,In．然后,采用公式(7)計算每段線纜的輻射電磁場．由于標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境是開闊試驗場試驗,因此需要考慮地反射效應(yīng),故等效輻射場的計算可轉(zhuǎn)化為以下公式:

(7)

式中:Ec表示輻射電場;l為每小段等效天線長度;f表示測試頻率;r表示開闊試驗場標(biāo)準(zhǔn)測試距離;H表示測試天線高度;F為計算開闊試驗場測試環(huán)境下的修正因子,計算公式如(8):

(8)

在本次實驗中,開闊試驗場標(biāo)準(zhǔn)測試距離r取為3 m,測試天線高度H為1.8 m,λ0取為1．在驗證電路中,將輻射線纜分為10段,其中第1段、第5段、第10段線纜測試的電壓值分別如圖5(a)～5(c)所示.

利用公式(9)將電壓測試結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)分段輻射線纜的電流值,如圖6所示.

(a) 第1段線纜電壓測試結(jié)果

(b) 第5段線纜電壓測試結(jié)果

(c) 第10段線纜電壓測試結(jié)果圖5 分段線纜電壓測試結(jié)果

(9)

在圖6所示分段線纜等效電流Ie測試結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用式(7)計算即可得出輻射線纜共模電流模型預(yù)估結(jié)果,如圖7和表1所示．圖7中,三角形曲線是3米法標(biāo)準(zhǔn)電波暗室測試結(jié)果,正方形曲線是輻射線纜共模電流分布參數(shù)模型預(yù)估結(jié)果,五星形曲線是Hubing電流驅(qū)動模型預(yù)估結(jié)果．從圖中可以看出,三條曲線趨勢上完全一致,但正方形曲線相對于五角星形曲線更加接近三角形曲線,從趨勢上定性說明了輻射線纜共模電流分析模型提高了輻射電磁干擾噪聲預(yù)估精度．

(a) 第1段線纜等效電流結(jié)果

(b) 第5段線纜等效電流結(jié)果

(c) 第10段線纜等效電流結(jié)果圖6 分段線纜等效電流結(jié)果

圖7 輻射線纜共模電流模型預(yù)估結(jié)果

從表1所示結(jié)果可發(fā)現(xiàn): 3米法標(biāo)準(zhǔn)電波暗室測試平均輻射達(dá)到73.32 dBμV/m,Hubing模型預(yù)估結(jié)果平均輻射為38.33 dBμV/m,本文方法預(yù)估結(jié)果為58.45 dBμV/m, 相比Hubing模型預(yù)估精度提高了20.12 dBμV/m,尤其是在500 MHz以上高頻情況下,輻射線纜共模電流模型預(yù)估結(jié)果與電波暗室測試結(jié)果僅相差8.17 dBμV/m,且趨勢完全一致．從數(shù)值上定量說明了本文方法在輻射電磁干擾噪聲精度提升上的有效性．

表1 共模干擾源典型數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文利用輻射線纜電流傳輸波動特性建立了輻射線纜電磁干擾噪聲共模電流分析模型,與Hubing分析模型相比輻射電磁干擾噪聲預(yù)估精度提高了20.12 dBμV/m,為輻射EMI測試與分析提供了有效依據(jù)．但等效分布參數(shù)預(yù)估與暗室測試結(jié)果仍有差距,不能精確反映輻射線纜在不同頻率下的電磁干擾噪聲輻射強度．據(jù)此,后續(xù)考慮應(yīng)用全波分析法以及輻射線纜不同分段方法進(jìn)一步提高電磁干擾噪聲預(yù)估精度．

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Prediction method for radiative electromagnetic EMI based on circuit parameter model

ZHANG Yuhuan1ZHANG Yuchen2MA Yanbing1WANG Huihua1YAN Wei3

(1.ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China;2.ShanghaiElectro-MechanicalEngineeringInstitute,Shanghai201109,China;3.NanjingNormalUniversityElectricalEquipmentEMCLabofJiangsuProvince,Nanjing210042,China)

Fast reconstruction method for radiated targets based on current-driven common mode radiation model is proposed to analyze that current is uniformly distributed in the radiation cable. A novel method is proposed to analyze the radiated source characteristic according to printed circuit board (PCB) circuit and EM field analysis, and the full-wave model of common mode(CM) current is proposed in the radiation cable. The theory and experiment results show that the radiation electromagnetic interference noise could be improved 20.12 dB V/m compared with current-driven common mode radiation model by using the suggest method. Therefore, the suggest method can provides new theoretical reference for radiation electromagnetic interference noise forecast.

electromagnetic compatibility (EMC); current-driven radiation model; radiated electromagnetic interference; common mode (CM) radiation; measurement calibration

10.13443/j.cjors.2016071201

2016-07-12

國家自然科學(xué)基金(No.51475246)； 江蘇省高校自然科學(xué)基金(15KJB470011)

TN806

A

1005-0388(2016)06-1202-07

張宇環(huán) (1987-),男,江蘇人,碩士,工程師,研究方向為天線與電磁兼容技術(shù)．

張宇琛 (1987-),男,江蘇人,碩士,工程師,研究方向為機(jī)電設(shè)計與電磁兼容技術(shù)．

馬巖冰 (1979-),男, 河南人,博士,工程師,研究方向為天線與電磁兼容技術(shù)．

張宇環(huán), 張宇琛, 馬巖冰, 等. 基于電路參數(shù)模型的輻射電磁干擾噪聲預(yù)估方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(6):1202-1208.

ZHANG Y H, ZHANG Y C, MA Y B, et al. Prediction method for radiative electromagnetic EMI based on circuit parameter model [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1202-1208. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016071201

聯(lián)系人： 張宇環(huán) E-mail: 516891253@qq.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016071201