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EMI测试的基本观念.pdf

EMI测试的基本观念.pdf

上传者: chopper 2011-09-19 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《EMI测试的基本观念pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含EMI測試的基本觀念前言隨著電子產品數位化的普及各國也紛紛對電磁干擾的問題加以重視在可以預見的未來大部份的電子產品在銷售到市場之前都會被要求符合相關符等。

EMI測試的基本觀念前言隨著電子產品數位化的普及各國也紛紛對電磁干擾的問題加以重視在可以預見的未來大部份的電子產品在銷售到市場之前都會被要求符合相關的EMI測試規格而在EMI測試上的許多名詞與方法一直缺少詳盡的說明與解釋。本文即針對在EMI測試上常會遇到的一些問題提供讀者作一參考一‧EMI要求測試的精確度為何?關於測試上的精確度一般而言自然是要求達到精確例如一顆石頭用不同的秤來秤其結果是不會相差太大的但是在EMI上的測試卻不同於一般的量測往往同一個樣品在甲測試場地和乙測試場地所測得的結果值會有很大的差異甚而在甲測試場地所測得的值可以符合限制值的要求但乙測試場地所測得的值卻無法符合要求。關於這個問題相信許多接觸過EMI測試的工程師都有這種經驗因此便有某個實驗室較鬆或較嚴的說法產生要清楚的說明這個問題便需要了解EMI要求測試的精確度為何?由於大多數人一直沿用一般的測試觀念來看待EMI的測試故而產生了許多誤解與人云亦云的說法。嚴格地來說在EMI測試的要求上並沒有精確度的觀念也就是EMI測試是無法要求每一個雜訊頻率點的讀值非常精確那麼EMI測試的基本要求是什麼呢?這一點在早期的MP中有很清楚的說明輻射和AC電源傳導測量必須在一能確保有效的(valid)、可重覆的(repeatable)測試結果的環境下測量事實上這兩點是EMI測試上所要求的精確性。所謂有效的是指所測得的雜訊確實是由待測物(EquipmentUnderTest)中所輻射出來的而非外界或其它儀器所產生的。例如在開放測試場地(OpenSite)測試輻射與傳導雜訊因為外界的雜訊非常多像FM電台、TV電台、火腿族或附近正在使用的一些電子產品這些會與待測物的雜訊同時出現在頻譜分析儀(SpectrumAnalyzer)上若沒有仔細的判斷可能會將外界雜訊誤認為是待測物產生的雜訊那麼便失去了有效性的要求而且也無甚意義。所以通常有經驗的EMI測試工程師會事先在屏蔽室(ShieldedRoom)或電波無反射室(AnechoicChamber)內將待測物的雜訊輻射頻率點找出以避免產生錯誤或將待測物的電源關掉若此時雜訊仍然存在則表示是外界所產生。若雜訊消失而再開電源雜訊又產生則可確定該點之雜訊是待測物所產生如果沒有經過這些方法的檢驗則測試的結果可能是不正確的。為使讀者能更快明瞭開放測試場地的雜訊在圖中所顯示的即是一開放測試場地在頻譜分析儀中所出現的雜訊一般稱之為背景雜訊(Ambientnoise)。圖開放測試場地的背景雜訊由圖中讀者可以看到在MHzMHz頻帶有許多甚強的雜訊存在大多為電台的訊號若待測物的雜訊是在這範圍內則無法由開放測試場地測得雜訊輻射的大小一般可以忽略與電台頻率重疊或相近的雜訊除非此雜訊比電台信號還高或者若有電波無反射室的設備則可以直接在電波無反射室測試記錄即可。另外關於可重覆的意義則是指在不同時間測試同樣的待測物其結果值必須是相同的。如果同樣的待測物在同一測試場地經過多次的測試而每次結果值都不相同那麼這樣的測試便不符合可重覆性的要求。談到可重覆性的問題便要同時考慮兩個重要的因素一個是測試場地與儀器設備另一個則為待測物的配置擺放(Configuration)關於第一個因素較普遍被討論到如測試場地的場地衰減(SiteAttenuation)在ANSIC中便有詳細的說明介紹與測試方法其中並規定開放測試場的場地衰減與標準值之間的誤差需在dB以內這要求已經包括了測試場地、天線、測試儀器等誤差的考慮也就是說如果場地衰減是符合這個要求便可作為測試場地的測量。一般而言只要場地能符合場地衰減大多都能達到可重覆性的要求除非是因天候狀況不佳(下雨)或測試儀器故障。而另一項最容易被測試工程師所忽略的便是待測物的配置擺放這一點往往是造成測試結果不同的主因在早期MP中的要求對待測物的配置位置除了依典型使用的方式擺放外還必須找出雜訊輻射最大的位置也就是一般所謂的最差情況(worstcase)由於待測物往往有許多連接線而連接線的位置擺放常會使得測試讀值有很大的差異。因為這些線通常都成為激勵天線或寄生天線將雜訊輻射到空中所以有時將線拉直或靠近機體會使雜訊升高許多以往由於對這個現象並沒有深刻的認識故常見許多工程師對同一樣品在不同時間測試所得結果不同感到疑惑而認為是測試場地不良。為使讀者能很快明瞭這中間的差異在此做一個簡單的實驗使用一條模擬線連接在PC的VGA卡上將連接線相對於接地平面(GroundPlane)水平及垂直擺放看其最大輻射點的讀值差異。圖模擬線擺放不同的位置圖模擬線水平擺放圖模擬線垂直擺放由圖、圖及圖中相信讀者能更快了解待測物週邊對雜訊輻射影響的程度所以若每次測試待測物與週邊連接的位置不同皆可能使得所測得的輻射強度不同雖然MP中有說明要找出最大輻射的擺放位置但這畢竟有些見人見智故而有的實驗室將週邊連接線繞在機器上測試以使得雜訊最大但這是違反一般人使用的原則。就因為沒有一個標準方法可以供參考對判斷樣品是否通過測試造成困擾故在年出版的ANSIC中對PC類產品的擺放位置皆已有固定的要求(圖及圖)如此便可避免這些差異的發生或將其影響減低到最小。對於有效的與可重覆的測試結果筆者已經解釋得很詳細相信讀者能夠清楚明瞭在此並將重點整理如下表表EMI測試要求的精確度項目有效的測試結果可重複的測試結果建議方法在屏蔽室先找出待測物精確的頻率點。在opensite測試需將待測物關機確認。儘量在低背景雜訊場地或電波無反射室測試。測試人員操作需熟練。天線、測試接收機、電纜、測試場地定期校正。待測物配置擺放需固定。測試人員操作需熟練。圖ANSIC輻射測試配置二何謂一標準的EMI測試場地?關於一標準的EMI測試場地我們可以從兩方面來討論第一個是場地外觀周邊的要求另一個即是場地衰減的要求。首先在場地外觀周邊要求上在早期FCC所公佈的OET中有說明測試場地的特性無論是m、m或m的測試距離至少需有如圖之橢圓形場地內不能有樹木、草叢或金屬圍籬等而在橢圓形範圍外若有建築物或停車場也可能會影響到測試的結果故亦須注意所選擇的場地要儘量遠離大型物體或任何一種金屬物體。測試場地的地形必須平坦和水平在表面上任何大於cm的物體(如小石頭)必須清除另外也建議最好能使用接地金屬平面或金屬網(mesh)在ANSIC中則有更詳細的說明與要求不過大體的精神是一致的。圖ANSIC測試配置俯視圖圖無障礙物之橢圓形場地在找到俱備這些條件的場所後其所建立的測試場地的場地衰減也必需符合一定的要求範圍內才能算是標準的測試場地。關於場地衰減(SiteAttenuation)是什麼?相信很多EMI測試工程師也講不出個所以然只是依法規上要求的方法與步驟去執行來判斷場地是否合格故在此筆者做一個簡單的觀念說明。從遠場的角度來看電磁場是隨距離以r衰減也就是從理論上來看每當距離增加倍則電磁場強度會減少dB如圖的說明EmEmTXmmEm:m時測得的場強Em:m時測得的場強Em=()Emlog(EmEm)=log()=dB圖場強衰減的計算上述說明是從理論計算所得但是由於實際上空氣中的水份、雜質、周圍的反射物以及接地平面的反射等皆會造成場強衰減的異常所以一般會要求在待測物到接收天線之間的場地衰減要符合要求。因為實際測試時待測物的雜訊是經過這段空間然後到接收天線故場地衰減的測量可以說要確定這空間區的衰減是否接近理論值若與理論值差距太大則表示可能附近有反射物或接地平面不良等因素造成此時待測物雜訊可能因週圍金屬物的反射造成讀值偏高或明顯減低而影響了測試的準確在ANSIC中是要求在dB之範圍內。一般除了符合上述場地的條件外對於背景環境的雜訊也要愈低愈好否則往往由於背景雜訊而無法看出待測物雜訊的強度。基於這個理由所以大多數的開放測試場地都選擇遠離城市的郊區或山區便是要避免許多外來的雜訊在圖中是一機車靠近OpenSite時的雜訊情形讀者可以和圖比較即可知雜訊影響的大小。圖開放測試場地的背景雜訊在MP和ANSIC中皆有提到背景雜訊的要求在待測物關機時傳導和輻射的背景雜訊至少要低於所使用標準或規定的限制值dB以上若背景雜訊與待測物的雜訊合起來總值不超過規定的限制值此時待測物也可被視為符合限制值。為使讀者更加明瞭在此舉例說明如果限制值是規定不能超過dBuVm那麼背景雜訊至少須低於dBuVm此時的讀值才可視為雜訊的強度。如果在某一點的雜訊讀值為dBuVm依規定是無法通過測試若將待測物電源關閉而背景雜訊為dBuVm則因為背景雜訊沒有低於限制值dB故無法判定該點是否符合‧如果雜訊讀值為dBuVm而將待測物電源關閉背景雜訊為dBuVm則雖然背景雜訊沒有低於限制值dB但二者合起來的讀值並沒有超過所規定的限制值則此時可視為符合限制值的要求。假如輻射背景雜訊或電源線傳導背景雜訊在某些頻率超過規定的限制值則其建議用下列方法替代使用:()可在較近的距離測試然後用內插法換算出在規定距離的輻射量此方法必須在報告中說明。()對由廣播電台或工業設備所使用的頻段可在電台停播和工業設備雜訊降低到比限制值低dB時測試。()在電波無反射室內進行測試。()在屏蔽室進行電源傳導測試。()對於電源線傳導測試可以使用一個適當的濾波器放在電源和LISN之間。()找出測試場地背景雜訊較低的方向測試。()如果被測試的信號是窄頻(narrowband)而背景雜訊為寬頻則可降低接收機的頻寬。上述的方法是容易被一般測試工程師所忽略所以在此作一個較詳盡的說明。在()中提到較近距離測試是假設雜訊輻射皆是以遠場的方式向外傳播則此場強會以R衰減因此我們可以用這個方法以理論上計算不同距離的場強值。為使讀者能更清楚運用此方法筆者在此做一說明假設一待測物在m測試時的雜訊讀值為dBuVm則理論上將接收天線移到m處時雜訊強度為多少?由於dBuVm相當於uVm(log=)則依R衰減求得m之場強值為x()=uVm將其轉換為dB則為log=dBuVm由於大部份測試皆是以dB計算故我們因此可以求得一轉換因子(InverseFactor)log(RR)此處R為已測得的距離R為理論上之待測距離則m和m之轉換因子為log()=dB。也就是在m測得的讀值減去dB即可當做理論上m的讀值‧同樣地m和m之間也可做如此的轉換‧經過上述說明相信讀者對於近距離測試的方法與計算能有較清楚的認識‧當然在作上述計算時必須考慮到遠近場的問題關於這些差異問題筆者將在遠近場說明中介紹。圖是天線離待測物為m時的測試結果而圖是將天線移到離待測物m的距離讀者可以看出頻率MHz時二者的讀值差約dB此和理論所計算的log()=dB非常接近。圖m的測試距離圖m的測試距離請注意此兩圖在MHz的背景值不會因待測物的遠近而改變因在此頻帶待測物並沒有雜訊輻射故所顯示的皆為儀器的背景值可以預見的當待測物移到m則完全無法看到雜訊因此時雜訊已比儀器的背景值還低便無法判斷其大小。在()中所提到降低接收機的頻寬的方法對於雜訊的判斷也是甚有幫助的。由於CISPR規定的準峰值(QusiPeak)在MHzMHz接收機的頻寬是設定為KHz從頻譜的觀點來看若兩頻寬為KHz的信號如果彼此相隔為KHz則以KHz的頻寬設定來讀值所得到的是此二個信號能量的總和也就是從頻譜上看只有一個信號而無法分辨出二個信號參考如下的示意kHzkHzkHz將掃描頻寬降低為至KHz則因為每隔KHz掃描故在頻譜上可以清楚判斷出二個信號參考如下的示意kHzkHzkHz由上面的解釋相信讀者能有清楚的認識圖為實際在OpenSite時測試的情形上面的曲線為使用KHz的頻寬設定下面的曲線為使用KHz的頻寬設定比較兩圖可發現使用KHz在頻譜上只有一個信號而用KHz時一些較小的信號便能判斷出來因此當待測物的雜訊鄰近有較大的背景雜訊時則或許可參考此種方法來做判斷。圖不同的頻寬設定的測試結果上述的方法是容易被一般測試工程師所忽略所以在此做一較詳細的說明。對於EMI場地的要求其重點如下表EMI標準場地的要求項目場地外形場地衰減要求開放、平坦的地形。避免有建築物、電線、圍籬、樹木、地下電纜與輸送管等。接地平面。低雜訊背景。符合理論值dB。三‧為什麼OpenSite四週必須無反射物?在前面已有提到開放測試場地必須在一開放、平坦的地形等條件並要求在一橢圓形範圍內不能有反射障礙物此稱為無反射障礙區(ObstructionFreeArea)。一般而言此區必須避免電磁場造成明顯有影響的散射(Scatter)也必須足夠大使得在此區內的散射對場強測量天線的影響很小。反射障礙物所造成散射的大小是由許多因素所決定障礙物的大小、與接收天線的距離、相對於待測物和接收天線的方向、障礙物的導電性(conductivity)與電容率(permittivity)、頻率等因素無反射障礙區的大小和形狀是由測試距離和待測物是否旋轉所決定一般測試場地大多有旋轉桌(turntable)的設備如此待測物可以轉度則接收天線的位置便不需移動故可用圖的範圍要求。至於為何長軸是用R而短軸是R的橢圓形這是希望在邊界所引起之散射信號比在待測物與接收天線間的直接信號減少至少dB以對於直接路徑的輻射測量影響最小。關於dB的計算在此做一簡要的計算說明便不會人云亦云莫衷一是。我們先假設在邊界上有一反射物存在如圖並假設待測物的輻射雜訊經由直接與反射兩種途徑傳送到接收天線直接的路徑所走的距離為R(R)(R)反射路徑所走的距離為R(RR)若假設電磁波經障礙物反射為全反射亦即能量沒有減少則由電波衰減計算可以得到反射波比直接波減低dB(log(RR)=log=dB)在此是以遠場電磁波隨距離R遞減故反射波比直接波多走R的距離則多衰減了dB。為何以橢圓形為要求則是因為在橢圓邊界上任一點到兩個中心點距離的和是維持R因此障礙物在橢圓邊界上任一點皆能符合R的反射波路徑。當然這是假設電磁波遇到反射障礙物時為全反射但是實際上雜訊會以散射的方式不規則地向外輻射故真正反射到接收天線的量是會小於理論上的計算。圖橢圓形無反射物邊界也許讀者會問何以用dB值做為選擇之標準而非dB或dB要說明這個問題就要回到背景雜訊的觀念上在上一個問題中我們曾提到背景雜訊要比所規定的限制值低dB以上此目的是為了要能充份判斷雜訊輻射是否低於所規定的限制值並區分雜訊是待測物或背景雜訊所造成若背景雜訊本身即高於限制值或和限制值接近則在此情況下便無法判斷該點待測物雜訊的強度因背景雜訊會影響待測物以這個角度來看我們可以把週邊的反射當成是背景雜訊的存在那麼自然會要求低於dB以上。四為什麼要使用GroundPlane?關於EMI測試場地所使用的接地平面(GroundPlane)是非常值得探討的由於大多數人對於接地平面的作用與目的並不甚了解因而產生許多不同的看法例如接地平面的大小有人認為要愈大愈好有的人則認為接地接地平面不可太大在此筆者將針對這個問題做一個詳盡的說明介紹。在電磁波場強的測試上可分為全自由空間(Freespace)和半自由空間(Semifreespace)測試所謂全自由空間是指電磁波輻射到空間而不會有反射一般要達到這種要求必須選擇空曠的場地且待測物與天線須遠離地面以減低地面的反射波這種配置在實際測試上是有困難的因為我們不可能將待測物放到離地面m以上所以便將地面反射的效應考慮進去此種測試場地稱為半自由空間也就是除地面反射波外在其它方向電磁波是無反射的。因此在EMI的測試上是包括雜訊的直接輻射與地面反射二者合成的強度在計算場地衰減時便已將地面反射波的效應考慮進去關於這一點筆者將在介紹場地衰減時再詳細的說明。在早期的EMI測試場地大多以一般地面做為測試場地而由於各地土壤的性質不同同一地點土壤的溼度也會隨氣候及季節而改變這些會影響到土壤的導電度進而使得地面反射波的強度不同如此則達不到測試上的可重覆性的要求因為反射波的強度是決定於土壤的導電度所以基於這個考慮在OET中建議可以使用接地平面以使導電度不受土壤的性質而改變。由此讀者應該能夠了解接地平面的唯一作用便是要使反射波能夠有一均勻平坦固定的反射面以使同一產品每次測試結果相同並方便場地衰減測量的計算。對於接地平面的材質、形狀與大小在此也做一說明討論一般我們常看到的有兩種接地平面一種為金屬板而另一種為金屬網的形狀就成本而言通常金屬網要比金屬板的價格低許多安裝上也較為容易不過網目的直徑是有限制的。在CISPR與ANSIC中皆有提到網目的尺寸必須小於所測試最高頻率波長的例如一般測試到MHz則波長為cm此時接地平面的網目或其它縫隙孔洞則不得大於cm。至於接地平面的材質一般多選擇鐵或鋁的材質而關於接地平面的大小在CISPR與ANSIC中皆有提到最小的接地平面一端至少應超出待測物邊緣m以上另一端則至少應超過測試接收天線m以上圖為CISPR要求的最小接地平面在ANSIC中對接地平面作了更詳細的探討在此筆者不再做介紹。圖CISPR要求的最小接地平面接下來我們所要討論的是接地平面的影響在前面已提到電磁干擾的測試上是考慮二種波的合成一是為待測物的直接波輻射另一為待測物經接地平面的反射波因此接地平面主要是會影響到反射波的大小進而使得該點的讀值產生不同的變化。在OET中對於場地衰減的計算公式中有一項提到關於反射波的強度其是以m時為dBm時為dBm時則為dB做為計算的強度。這些數值是假設直接波到接收天線的路徑為r而地面反射波的路徑為r則以此模式如果我們假設接地平面為完全反射則地面反射波的影響為log(rr)由於接地反射的影響會隨接收天線的高度而不同故實際的值是會有一微小的變化。對於m的測試距離為到dBm的測試距離為到dBm的測試距離為到dB。關於這些數值的計算方法筆者在此也做一說明以供讀者參考。首先考慮m的測試距離並假設接地平面為完全反射的情況則此時入射波和反射波的角度是相同的當接收天線為m時mm接收天線發射天線m直接波的路徑為反射波的路徑為則其影響為log()=log()=當接收天線為m時mm接收天線發射天線m直接波的路徑為反射波的路徑為則其影響為log()=log()=相信經過計算讀者對由接地平面造成的反射波對測試結果的影響能有清楚的認識與了解而一般的場地的接地平面是無法達到完全反射的效果因此實際上所造成的反射波強度會比理論值所計算的要小。在此我們對測試場地的要求最主要的二個條件一為橢圓形無反射障礙區另一為接地平面的要求此二條件皆不算太困難以m的測試場地而言只要有一m長寬並鋪上接地金屬網的場地即可做為測試場地理論上是不困難的但我們常常看到開放測試場地多設在人煙稀少罕至的郊區或山區關鍵即是背景雜訊的問題。由於目前普遍使用各種通訊電子產品一般在都市中充斥了各種電波雜訊往往使得背景雜訊的值比所需待測物的讀值還高如此則無法從頻譜分析儀中判斷出雜訊的強度所以雖然其它條件皆符合還是無法做為EMI的測試場地請參考圖中當機車發動時的雜訊在此情況下則無法判斷待測物而在郊區則背景雜訊較小(參考圖)如此便容易判斷雜訊這也是為何其場地限制的條件並非嚴苛但卻不容易找到合適的場地。也因為測試場地大多遠離都市、工廠以致往返測試時非常耗費精力與時間故有屏蔽室與電波無反射室的使用可以節省產品在發展設計時的時間當產品修改到一定的程度再拿到戶外測試場地測試即可。

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