俞勇祥， 馬 皓

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

一款成熟的電子產(chǎn)品，除了需要實現(xiàn)產(chǎn)品本身的功能設(shè)計，還需要考慮其電場、磁場和熱分布等方面的特性。電場設(shè)計可以通過合理的安全距離和有效的絕緣手段來控制，熱分布可以通過初期的熱阻和損耗估算來控制，但電磁輻射的產(chǎn)生與電路的工作頻率、功率、拓撲、線路布局甚至是材料都息息相關(guān)，在設(shè)計初期難以估算，且其出現(xiàn)的位置具有廣泛性，除了常見的變壓器、電機等磁性元件[1]外，電磁輻射有時也會出現(xiàn)在線纜[2]、散熱器等部位。電磁輻射的出現(xiàn)對生物[3]以及各種用電設(shè)備都存在一定的危害，隨著電子設(shè)備的增多，電磁輻射在各行業(yè)引發(fā)的危險也日益顯著。例如與醫(yī)療健康相關(guān)的植入式心臟起搏器[4]和彩超診斷設(shè)備[5]、與定位和通信相關(guān)的5G基站[6]和北斗衛(wèi)星上行信道[7]、與交通相關(guān)的船舶[8]和汽車[9-10]等，都有可能會受到電磁輻射的干擾而出現(xiàn)工作異常。因此，進行電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)研究具有重大意義[11]，其目的是查找電磁輻射源、降低電磁輻射、增強設(shè)備抗干擾性，使各種用電設(shè)備能夠在一定的條件下實現(xiàn)共存，各自工作而不互相干擾。

作為電磁兼容的一個重要分支，電磁兼容測試是查找電磁輻射源、評估電磁干擾等級的一種有效手段[12-13]。利用電磁兼容掃描平臺(EMC Scanner)，可以對小到單個電子元器件、電路板，大到設(shè)備整機進行周邊磁場精確測量，通過正常工作狀態(tài)下被測設(shè)備周邊電磁場信號的強弱來反映其對周圍電子設(shè)備干擾的強弱，能夠快速定位電磁輻射來源，是電器產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)過程中非常重要的設(shè)備儀器。本文改造的電磁兼容掃描平臺如圖 1所示，該平臺是從瑞典引進的大型貴重儀器設(shè)備。該設(shè)備自投入運行以來，雖情況良好，但在實際使用中還存在一些問題，例如探頭進行設(shè)備內(nèi)部輻射掃描時，只能沿Z軸伸長，最大的測量面積和設(shè)備內(nèi)部探測深度有限；沒有用于固定被測物件的支架，在每次進行測試時，只能進行臨時的固定，造成固定位置的不精確甚至出現(xiàn)被測設(shè)備被探頭推倒的情況，會直接影響測試效果。由于這些問題的存在，使得電磁兼容掃描平臺的正常使用受到了很大的制約。針對市場上電磁兼容被測件的測量尺寸、深度、方向等方面開展了調(diào)研，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了一組水平測量探頭，多組探頭之間切換快捷、結(jié)構(gòu)牢固、角度精確。通過軟件參數(shù)匹配，改造后的探頭測量速度快且精準。同時增設(shè)了一對通用性固定架，采用可移動軌道方式，可在任意位置固定被測件，極大地提高了設(shè)備靈活性。

圖1 電磁兼容掃描平臺原探頭及機構(gòu)

1 EMC掃描平臺改進方案

1.1 測量范圍及靈活性優(yōu)化

從圖1可以看出，傳統(tǒng)EMC掃描平臺的測試探頭沿Z軸(空間垂直軸)放置，測試時探頭會在XY軸平面進行移動掃描。若被測件由多塊電路板平行組裝而成，當精確查找被測件內(nèi)部EMC輻射源時，需要探入被測件內(nèi)部電路板之間進行掃描。但是很多這類被測設(shè)備都有金屬外殼，探頭只能通過拆除前置面板后探入，所以需要將設(shè)備翻轉(zhuǎn)讓前置面板朝上。這樣一來，往往在設(shè)備背面的散熱風(fēng)扇就會被測試平臺擋住，從而影響設(shè)備運行。且EMC 掃描平臺的Z軸測試范圍內(nèi)最大移動距離為20 cm，對被測設(shè)備的縱深限制較大。為了提高EMC掃描平臺的測試范圍和測試適應(yīng)性，在原有EMC掃描平臺的基礎(chǔ)上增加了一組與掃描平臺XY軸平面平行的探頭，具體結(jié)構(gòu)如圖 2所示，使之不僅可以沿Z軸伸入設(shè)備進行掃描，同時也可以沿X軸或Y軸進行被測件內(nèi)部掃描，且最大測量縱深限制由原來的20 cm擴大至60 cm。

圖2 與掃描臺面平行的探頭結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)有的EMC掃描平臺所附帶的配件都經(jīng)過專門的阻抗匹配和軟件參數(shù)調(diào)整匹配，確保了測量結(jié)果的精確度。為了在保證測量精度的前提下達到改造目的，探頭的改造不能破壞現(xiàn)有設(shè)備配件的屏蔽層以免引入測量誤差，應(yīng)以最小的改動實現(xiàn)探頭轉(zhuǎn)向。同時為了便于EMC掃描平臺在探頭垂直和水平測量模式之間快捷切換，本文基于BNC直角轉(zhuǎn)接口進行探頭改造，而轉(zhuǎn)接頭帶來的系統(tǒng)軟件參數(shù)匹配以及測量精度影響將會在第2節(jié)詳細分析。

1.2 被測件固定方案優(yōu)化

(1) 固定架材料特性分析。

根據(jù)材料的電磁特性，多數(shù)材料存在于磁場中時會對磁場的分布造成一定的影響。利用EMC掃描平臺測試了被測件固定在磁芯、鋼板、鋁板、環(huán)氧板等常見材料上時的電磁場分布情況，可以發(fā)現(xiàn)當固定材料為鋼板、鋁板等金屬材料以及磁芯等高磁導(dǎo)率材料時，一旦被測件輻射源靠近固定架，則其周邊的磁場強度會存在一定程度的變化，且磁場分布也隨之改變。本文以圓環(huán)線圈為輻射源，利用ANSYS 3D有限元仿真軟件對輻射源周邊放置不同材料時的空間磁場強度進行了仿真，如圖3所示。

圖3 圓環(huán)線圈輻射源在不同材質(zhì)附近時空間磁場強度分布圖

當圓環(huán)線圈周邊無遮擋物時，即輻射源周邊僅為空氣或真空狀態(tài)，其空間磁場強度分布呈對稱結(jié)構(gòu)；當圓環(huán)線圈附近有高電導(dǎo)率的金屬材料(如鋁等)時，則會在鋁板上產(chǎn)生感應(yīng)渦流，且鋁板本身會對電磁場進行反射和折射，最終表現(xiàn)為鋁板對磁場具有屏蔽效果；當圓環(huán)線圈附近放置軟磁鐵氧體等高磁導(dǎo)率材料時，則會因高磁導(dǎo)率材料提供的低磁阻磁通路徑而改變磁場傳播方向。

對多種材料進行磁場影響測試和強度檢驗后，最終選定環(huán)氧板作為固定架的制作材料，該材料具有高電阻率和高磁阻率，對磁場不存在干擾，同時具備耐高溫性和高強度特性。將輻射源放置在環(huán)氧板上的空間磁場特性與輻射源周邊為空氣時一致，如圖3(a)所示。

(2) 固定夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計。

使用EMC掃描平臺時多數(shù)被測件為成品電路板，一般會設(shè)計螺絲孔，便于組裝時用螺絲固定到機箱內(nèi)部，所以固定架可以采取開孔設(shè)計將環(huán)氧板改造成沖孔環(huán)氧板。進行EMC掃描時可以根據(jù)電路板上的螺絲孔位置選取固定架上對應(yīng)的沖孔，并用絕緣塑料螺柱進行固定。一些不規(guī)則形狀的被測件也可以采用塑料螺柱作為支撐桿的方式進行固定。對于一些單一的小型元件,測量時可以用塑料扎帶進行固定。通過對沖孔板孔洞大小和間距進行調(diào)研可知，選擇30 mm的間距以便于不同被測件的固定，從而提高了系統(tǒng)適應(yīng)性和便捷性。

確定固定架材質(zhì)和被測件固定方式后，需要對固定架與掃描平臺連接進行連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計，在確保固定架穩(wěn)固且具有一定的固定強度基礎(chǔ)上提高固定架的可移動性和位置精確度。為了增強固定架的位置靈活性，固定架被增設(shè)在了EMC掃描平臺上移動范圍最大的X軸方向的兩端，如圖 4中的A、B件所示。

圖4 EMC掃描平臺兩端增加固定被測物件的通用性固定架A、B

2 EMC掃描平臺具體改造

2.1 探頭改造

EMC掃描平臺原有探頭如圖 5(a)所示，由于其本身的機械結(jié)構(gòu)特性，原有探頭比較適合測試被測物體的表面磁場強度。若是需要測量圖 5(b)所示的設(shè)備內(nèi)部磁場輻射源，則需要將設(shè)備倒置，將探頭從Z軸伸入設(shè)備內(nèi)部。但如前所述，由于設(shè)備存在風(fēng)道設(shè)計、最大縱向深度等問題，部分被測件(如帶機箱被測件)工作時要求設(shè)備只能平放，工作時不允許倒置，會給EMC掃描帶來難度。圖 6(a)為改造后的探頭結(jié)構(gòu)，在探頭接口處增加了一個直角轉(zhuǎn)換接頭，使探頭可以在水平方向上延展，所以可以在水平范圍內(nèi)深入到被測件內(nèi)部進行測量，同樣的多層結(jié)構(gòu)被測件就不需要倒置進行測試，如圖 6(b)所示，這為多層結(jié)構(gòu)被測對象的EMC掃描提供了極大的便利。

圖5 探頭改造前示意圖

圖6 探頭改造后示意圖

2.2 軟件設(shè)置匹配

EMC掃描平臺常年使用后移動精度下降，存在移動位置偏移情況，如圖 7所示，容易出現(xiàn)探頭原點(X=0,Y=0,Z=0)位置偏移，軟件設(shè)置移動至(600,400,0)時實際移動距離與理論距離不符等問題，需要對設(shè)備進行軟件參數(shù)重新匹配。且使用直角轉(zhuǎn)接頭后，探頭真實原點會與Z軸在掃描臺上投影位置存在固定的水平偏差，所以還需要另外定義一套適用于水平探頭的軟件測試參數(shù)用于垂直測試模式和水平測試模式的切換。

經(jīng)多次調(diào)整校驗之后，系統(tǒng)偏移的依據(jù)參數(shù)如表 1所示。該參數(shù)同時適用于垂直測試模式和水平測試模式，且需要定期進行校準。

圖7 設(shè)備探頭偏移問題

表1 EMC掃描平臺軟件系統(tǒng)偏移參數(shù)校準

校準后的原點補償參數(shù)如表 2所示，該套參數(shù)默認為水平探頭延伸方向為X軸。若需進行Y軸方向延伸測試，則需要將補償差值調(diào)整至Y軸的原點編移。

表2 EMC掃描平臺原點補償參數(shù)校準

校準后的探頭在不同輸入坐標下定位如圖 8所示，與設(shè)定值相符。

圖8 探頭調(diào)整后移動情況

2.3 轉(zhuǎn)接探頭對測量影響測試

EMC掃描平臺所提供的近場探頭連接線可以通過增加多節(jié)延長桿來適配不同的垂直測量范圍需求，所以EMC掃描平臺本身對連接線的阻抗做了一定的容錯設(shè)計。本次掃描平臺改造采用的轉(zhuǎn)接頭為標準BNC轉(zhuǎn)接件，其具有較低的接觸阻抗和較好的屏蔽效果，理論上對測量結(jié)果不會造成影響。為了測試轉(zhuǎn)接頭對系統(tǒng)檢測值的影響，搭建了圖 9(a)和圖9(b)所示的校準平臺。在保證探頭和被測件(2.5 mH電感)相對位置不變的情況下(如圖 9(c)和圖9(d)所示)，通過信號發(fā)生器在被測件上施加交流正弦信號，以原有探頭平臺為基準來校準改造后的探頭，測試平臺具體參數(shù)如表 3所示。經(jīng)過多組頻段測試后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接頭對系統(tǒng)檢測精度沒有影響，故靈活使用轉(zhuǎn)接頭可有效提高系統(tǒng)檢測能力和范圍。

表3 轉(zhuǎn)接頭影響測試平臺參數(shù)

圖9 探頭校準測試平臺

2.4 固定架設(shè)計

如第1節(jié)所述，為了便于一些被測件的固定，在掃描平臺的X軸方向兩端增加了可以用于固定大小不同的被測物件的通用性固定架，如圖 10所示。固定架采用環(huán)氧板材質(zhì)，做成沖孔板結(jié)構(gòu)。固定架與EMC掃描平臺通過圖 10(b)所示的特制鋁合金滑塊進行連接，鋁合金滑塊內(nèi)部開槽，可以保證固定架在EMC掃描平臺原有滑軌上進行平行滑動，當固定架移動到預(yù)定位置后再通過緊固螺絲將其穩(wěn)定地固定在預(yù)定位置。

圖10 EMC掃描平臺加裝固定架結(jié)構(gòu)示意圖

固定支架的增設(shè)使系統(tǒng)可為一些需要垂直放置但直立不穩(wěn)的被測件的固定提供了很大的便利，實際測量時可以根據(jù)被測件上的螺絲孔位置選取固定板上對應(yīng)的沖孔，用塑料螺柱或者扎帶進行固定。新型固定架的增設(shè)同時還可以擴大EMC掃描平臺的使用功能，例如輔助無線充電系統(tǒng)設(shè)計。大尺寸、大氣隙非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計難點一直是空間磁場分布的設(shè)計及優(yōu)化，基于EMC掃描平臺，可以直觀測量空氣中的磁場強度分布，并根據(jù)測量結(jié)果進行松散耦合變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖 11所示。

圖11 利用EMC掃描平臺對無線充電進行優(yōu)化

3 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有EMC掃描平臺進行了優(yōu)缺點分析，并據(jù)此增設(shè)了一組與掃描平臺平行的探頭，使探頭既可以在垂直面上進行設(shè)備內(nèi)部平移掃描，也可以在水平面上進行設(shè)備內(nèi)部平移掃描，大幅提升了平臺掃描范圍，為多層結(jié)構(gòu)設(shè)備的電磁兼容掃描提供了可靠的支持。經(jīng)驗證，轉(zhuǎn)接頭的存在對系統(tǒng)測量值沒有影響，且使探頭的測量方式選擇靈活、水平測試模式和垂直測試模式更換方便快捷。新型固定支架的增設(shè)為系統(tǒng)被測件的固定方式提供了多樣化選擇，特別是使一些需要垂直放置但直立不穩(wěn)的被測工件得到了有效固定，提高了測試穩(wěn)定性。改造后的EMC掃描平臺擴大了被測件的測試范圍和使用方法，使其能夠更好地為本專業(yè)或其他相關(guān)專業(yè)的教師、科研人員和學(xué)生提供電子產(chǎn)品電磁兼容測試服務(wù)，在節(jié)省大量測試費用的同時，提高了大型設(shè)備的利用率。