建立完善的EMC測試和EMI調(diào)試手段的報告

建立完善的EMC測試和EMI調(diào)試手段的報告前言未來的戰(zhàn)爭是信息的戰(zhàn)爭，這一點已經(jīng)成為共識，信息的主要傳送方式是電磁波。軍用產(chǎn)品的電磁干擾控制技術(shù)，不僅僅是國軍標GJB－151A/152A所要求的，更是為了提高國防能力的需要，擺在各軍品生產(chǎn)單位面前最迫切的任務(wù)就是控制產(chǎn)品的電磁輻射，提高產(chǎn)品的電磁隱蔽性能，提高產(chǎn)品對電磁干擾的抗干擾能力。產(chǎn)品的電磁兼容特性，不僅僅是產(chǎn)品的一個最重要的質(zhì)量指標，對軍用產(chǎn)品，它更是一項安全指標。西方發(fā)達國家，對產(chǎn)品的電磁兼容（EMC）/電磁干擾（EMI）的研究已經(jīng)積累了幾十年的經(jīng)驗，并擁有大量先進的測試和調(diào)試設(shè)備，美國最早的軍用標準發(fā)布于1967年并在當年強制實施。而我國的軍用標準最早分布于1986年，強制執(zhí)行GJB-151A/152A還是最近幾年的事情。我們的工程師對產(chǎn)品的EMC設(shè)計技術(shù)和EMI抑制技術(shù)還很不熟悉；我們企業(yè)的EMC/EMI設(shè)備幾乎是空白。為使公司不斷開發(fā)滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求的產(chǎn)品，建立一套相對完善的EMC測試和EMI調(diào)試手段是非常必要的。建立EMC測試手段的目的在于能在公司內(nèi)部對產(chǎn)品的各個階段實際測量產(chǎn)品的EMC特性，及時掌握產(chǎn)品的EMC性能，在研究、開發(fā)、生產(chǎn)的各個階段控制產(chǎn)品的EMC指標。建立EMI調(diào)試手段的目的則在于排除產(chǎn)品內(nèi)部的EMI問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量；在電路設(shè)計上，從源頭降低產(chǎn)品對外的電磁干擾；在電路設(shè)計上考慮產(chǎn)品的抗干擾性能，提高產(chǎn)品的電磁環(huán)境適應(yīng)能力。電子產(chǎn)品EMC設(shè)計對策傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計對策傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計流程是，硬件工程師對EMC的理論、EMI的產(chǎn)生機理和抑制手段概不清楚，他們在基于邏輯考慮，完成PCB設(shè)計和樣機的調(diào)試后，就把樣機交給專門的EMI工程師。目前，大部分企業(yè)的EMI工程師，更熟悉結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般不熟悉PCB的設(shè)計技術(shù)。傳統(tǒng)的EMI對策方法，是將試制完成的產(chǎn)品（EUT）送到電磁兼容（EMC）認證測試中心的暗室，實測它所發(fā)出的電磁輻射；針對實測結(jié)果，采取相應(yīng)對策。如果測試未通過，就由EMI工程師負責采取屏蔽、濾波、接地等手段把EMI“關(guān)”在產(chǎn)品內(nèi)部。這種辦法是把EMI對策作為產(chǎn)品上市的最后一道工序來考慮的，而且僅在最后一道工序里考慮。采取的方法是“彌補”方式，經(jīng)常需要反復多次去EMC認證測試中心，隨著產(chǎn)品工作頻率的提高，這種方法的工作量越來越大，而且付出的代價也越來越高（多次小批量試生產(chǎn)的樣機成本，認證測試費用，推遲產(chǎn)品上市的利潤損失等），浪費的時間也越來越多（多做一版PCB的總時間一般需要2個月，預約認證測試可能需要幾周）。而且被“關(guān)”在產(chǎn)品內(nèi)部的電磁輻射可能會影響其他電路的正常工作，導致EMC過了，產(chǎn)品其他技術(shù)指標可能被降低了，或者產(chǎn)品的性能很不穩(wěn)定。傳統(tǒng)EMC設(shè)計對策面臨的挑戰(zhàn)隨著主頻的進一步提高，布線密度的進一步增加，多電平方案和地平面/電源平面分割技術(shù)的使用，PCB板中信號間存在著大量的電磁干擾，造成設(shè)備功能故障或者工作不穩(wěn)定。同時所有信號對外形成很強的電磁輻射，使得產(chǎn)品通過EMC測試成為產(chǎn)品上市的一個障礙。與此同時，工程師還要面對越來越嚴格的質(zhì)量、成本、開發(fā)速度、重量和體積等因素的嚴格要求，給EMI對策提出了新的挑戰(zhàn)：要讓產(chǎn)品穩(wěn)定工作，不僅要實現(xiàn)產(chǎn)品外部的EMC，還要實現(xiàn)內(nèi)部模塊間、PCB內(nèi)的EMC；產(chǎn)品內(nèi)部的EMC，大部分情況下，我們不能使用傳統(tǒng)的屏蔽和濾波手段。實現(xiàn)外部EMC的同時，不能影響內(nèi)部的EMC。例如，采用傳統(tǒng)的屏蔽手段把干擾“關(guān)”在設(shè)備內(nèi)部之后，對內(nèi)部EMC提出了需要增強抗干擾能力的要求。屏蔽和濾波等傳統(tǒng)的EMI對策手段，在使用上受到很多限制由于市場的需要，產(chǎn)品的成本、體積和重量等指標，限制了工程師使用傳統(tǒng)的屏蔽和濾波手段。有的產(chǎn)品會產(chǎn)生很多熱量，屏蔽會引起散熱不暢而導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。很多新的EMI問題是傳統(tǒng)屏蔽和濾波手段所無法解決的。EMI頻率和信號的高頻成份頻率相同，不能再用EMI濾波器進行濾波；例如，一個較低頻的20MHz的信號，產(chǎn)生的5次諧波是100MHz，但是系統(tǒng)中其他信號的工作頻率就是100MHz，這種情況下，不能采用傳統(tǒng)的濾波手段。信號波長變短，PCB上的布線，機箱內(nèi)部的電纜，以及機箱本身，和機箱上的各類插孔，都將變成發(fā)射EMI的天線?，F(xiàn)在很多電路的諧波分量高達1GHz，對于1GHz的信號，長度大于1.5cm的布線、電纜、機箱開口等，都會成為電磁干擾的天線。屏蔽再好的機箱，總有電纜要引出來，電纜上的高頻EMI，傳統(tǒng)手段很難濾除由于頻率的提高，機箱內(nèi)部的EMI很容易被耦合到連接到外部的電纜上，對于幾百兆的干擾，傳統(tǒng)的在電纜上采取濾波的手段（使用扼流圈）方法很難湊效。適應(yīng)現(xiàn)代電子產(chǎn)品特點的新的EMC設(shè)計對策面臨挑戰(zhàn)，我們需要采用EMC系統(tǒng)設(shè)計對策，就是從產(chǎn)品的概念、設(shè)計階段給予關(guān)注，在原理、PCB、結(jié)構(gòu)、線纜、屏蔽、濾波、軟件等各個方面全面考慮，實施產(chǎn)品全過程的EMC管理。產(chǎn)品的電磁兼容特性已經(jīng)成為產(chǎn)品的最重要的質(zhì)量指標之一。一次就設(shè)計出滿足現(xiàn)代EMC要求的電子產(chǎn)品是很不容易的。但是如果我們能在設(shè)計的全過程中，及早考慮EMC設(shè)計，不僅有助于減少反復試驗和返工，還能節(jié)省大量的開發(fā)費用，并能使產(chǎn)品提前上市。EMC的成功，要求我們了解市場標準、EMC測試方法、EMI的產(chǎn)生原理及抑制技術(shù)。通過科學的管理方法，先進適用的儀器設(shè)備，以及設(shè)計人員的協(xié)同工作和共同努力，把EMC設(shè)計綜合到產(chǎn)品研制過程中的各個階段，實現(xiàn)EMC一次成功是完全可能的。右圖是實現(xiàn)產(chǎn)品一次過EMC的最佳設(shè)計方法：全面的EMC管理：讓項目內(nèi)所有人員認識清楚各類EMI的形成機理，對EMI的形成原理、特點、抑制手段給予充分揭示和認識。這是EMC工作的基礎(chǔ)。企業(yè)應(yīng)該為工程師制訂設(shè)計工藝文件，讓工程師嚴格按照產(chǎn)品EMC設(shè)計規(guī)則進行產(chǎn)品設(shè)計。在產(chǎn)品開發(fā)和維護的全過程中，項目負責人應(yīng)該在產(chǎn)品的EMC方面起到全面的協(xié)調(diào)、評審和控制作用，及時掌握產(chǎn)品的EMC特性，并在需要的時候調(diào)整策略。不僅能保證產(chǎn)品良好的EMC特性，還能盡可能降低產(chǎn)品的綜合成本。全面科學的EMC管理，先進的設(shè)計和評估工具是非常重要的基礎(chǔ)。優(yōu)秀的總體設(shè)計、電路設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，是保證產(chǎn)品EMC特性的基礎(chǔ)。需要把企業(yè)長期積累的經(jīng)驗應(yīng)用到設(shè)計中。電路功能模塊的合理劃分、良好的模塊間的互連、模塊及電纜的布局、良好的電路與結(jié)構(gòu)的配合、電子元器件的選擇，等等，都需要在這個階段來考慮。PCB設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為控制產(chǎn)品EMC特性的最重要的一個環(huán)節(jié)。元器件布局、PCB布線、阻抗匹配、接地設(shè)計以及電路的濾波等，都應(yīng)該考慮EMC的要求。PCB的EMC設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為廣大硬件工程師最為關(guān)注的課題。設(shè)備的內(nèi)部電纜一般用來連接PCB或其他內(nèi)部子組件。在高速電路系統(tǒng)中，電纜能把PCB上的信號發(fā)射出去，是形成EMI的主要原因，因此，包括電纜的走線路徑、屏蔽手段、固定方法、電纜長度等，都需要考慮EMC的要求。在PCB及內(nèi)部電纜考慮了EMC要求后，大部分產(chǎn)品還需要考慮用機箱來屏蔽EMI。機箱上的縫隙、散熱孔、電纜通孔、安裝螺釘?shù)鹊脑O(shè)計，需要考慮EMC的要求。最后，還應(yīng)著重考慮輸入電源和其他連接到外部的電纜的濾波問題。建立相對完善的EMC測試手段電磁兼容預測試的必要性電磁兼容（EMC）認證測試屬于產(chǎn)品后期的成敗型測試，通過則出廠，否則就不能出廠；從產(chǎn)品研制周期角度看，這時發(fā)現(xiàn)問題，已經(jīng)太遲，解決的方法基本上是“彌補”的方法，即采用屏蔽和濾波。如果屏蔽和濾波不能解決問題，就必須重新設(shè)計電路板，解決問題的手段少、成本高、效率低。而且這種“彌補”的方法會降低產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性等其他指標。EMC認證測試的費用是昂貴的，而且必須預約，也許需要等待數(shù)周的時間。如果測試不能通過，我們不能在認證測試中心進行各類調(diào)試，只能回來對產(chǎn)品進行整改后，需要再次預約，再次去認證中心進行測試。如此多次反復，會浪費大量的財力和物力，并嚴重影響產(chǎn)品的上市時間。按照現(xiàn)代電子產(chǎn)品EMC新對策的要求，應(yīng)該允許設(shè)計人員在開發(fā)階段能對其所開發(fā)產(chǎn)品的實施電磁兼容的摸底測試，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取有針對性的措施來解決問題，降低糾錯成本并提高認證測試的一次性通過率。實踐證明，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，越早考慮電磁兼容，所付出的成本越低，解決的手段越多，效率也越高。完整的EMC認證測試包括發(fā)射輻射、傳導輻射、以及發(fā)射輻射敏感度和傳導輻射敏感度測試等。在產(chǎn)品的EMC認證測試中，產(chǎn)品的發(fā)射輻射測量最難通過，問題也最難解決。發(fā)射輻射要求的環(huán)境是一個開闊場或一個半電波暗室；對發(fā)射輻射敏感度的測試，則需要使用全電波暗室；對于其他形式的EMC測試，一般的實驗室環(huán)境就可以了。EMC測試手段的內(nèi)容計劃建立的EMC測試手段，希望能實現(xiàn)：在產(chǎn)品最初期能對產(chǎn)品的EMC指標進行精確的測試，發(fā)現(xiàn)問題后可以及時利用“EMI調(diào)試和排查手段”來排除這些問題。確保產(chǎn)品去認證中心測試能一次通過；能按照GJB-151A/152A的發(fā)射輻射和傳導輻射等指標進行準確而精確的測試；兼顧未來發(fā)展的需要，考慮公司在未來有建標準暗室的可能，需要本次采購的設(shè)備能在未來的標準測試系統(tǒng)中，仍然能夠作為主設(shè)備使用；由于本公司的產(chǎn)品經(jīng)常需要進行外場試驗，希望本次采購的設(shè)備能方便攜帶，并能適應(yīng)比較復雜的測試環(huán)境。能兼顧測量本公司產(chǎn)品性能指標的能力。經(jīng)過調(diào)研，我們列出如下三種方案：CASSPER虛擬暗室EMI測試系統(tǒng)CASSPER是一個同步工作的雙通道EMI接收機系統(tǒng)，具有相關(guān)性測試功能，能執(zhí)行EMC預測試。系統(tǒng)的最大特點是：體積小、重量輕、方便攜帶：CASSPER系統(tǒng)由計算機、接收機及兩套天線組成。這些設(shè)備都很輕小，攜帶非常方便，能在外場進行精確的EMC測試，甚至可以作為車載的EMC測量系統(tǒng)?？梢栽趷毫拥碾姶怒h(huán)境下測量：即使有很大的背景噪聲，即使被測設(shè)備產(chǎn)生的信號與背景噪聲信號進行了調(diào)制（如載波調(diào)制、幅度調(diào)制、頻率調(diào)制或者數(shù)字調(diào)制），CASSPER同樣能把被測設(shè)備產(chǎn)生的信號檢測出來。能進行傳導和發(fā)射的精確測量?？梢詼y量任意體積的被測設(shè)備的EMC：CASSPER對被測設(shè)備的體積沒有限制，它構(gòu)成的測量環(huán)境就象一個巨大的開闊場一樣。CASSPER不僅能測量遠場，還能進行近場EMI定位：把CASSPER的一個通道接上遠場天線，另外一個通道接上近場探頭，就可以通過識別遠場和近場信號的“相關(guān)性”，準確定位EMC測試中超標頻率點的位置。CASSPER是標準暗室測試系統(tǒng)的補充。能進行外場測試，能在普通的工作場所進行精確的測試。或者，當暗室的屏蔽性能下降時，它能提高暗室的準確性。DSI-600-27EMI測試系統(tǒng)DSI-600-27是目前全球最尖端的EMI接收機，頻率范圍為20Hz－27GHz。完全符合GJB-151A/152A的測試要求。特點是：符合各類產(chǎn)品及各類EMC標準測試要求的EMI接收機。全球最靈敏最精確的EMI接收機，特別適合于未來標準暗室測試系統(tǒng)的發(fā)射輻射測試的EMI接收機，幾十年內(nèi)不會被淘汰。一體化設(shè)計，特別輕巧，攜帶方便。采用傳統(tǒng)的背景噪聲濾除功能，對環(huán)境要求相對較高。但是由于DSI-600接收機具有音頻和視頻解調(diào)的能力，測試人員通過監(jiān)聽音頻端口的輸出可以辨別測量到的信號是否為電臺等背景信號。DSI-2020-2EMI測試系統(tǒng)DSI-2020-2是標準的EMI接收機，頻率范圍為1kHz－2GHz，可以擴充到20Hz－2GHz。特點是：成本低，4個檢波器，標準EMI接收機，完全符合民用產(chǎn)品EMC測試要求的EMI接收機，作為民品EMC測試，幾十年內(nèi)不會被淘汰。具有極高的靈敏度，極低的噪聲系數(shù)，特別適合于軍品傳導輻射測試，作為軍品傳導輻射測試的EMI接收機，幾十年內(nèi)不會被淘汰。符合現(xiàn)在本公司產(chǎn)品發(fā)射輻射測試和傳導輻射測試的全部要求，但是隨著本公司產(chǎn)品頻率的不斷提高，本產(chǎn)品最高2GHz的頻率可能不夠，但是本產(chǎn)品在未來可以作為傳導輻射測試。在發(fā)射輻射測量時，采用傳統(tǒng)的背景噪聲濾除功能，對環(huán)境要求相對較高。但是由于DSI-2020接收機具有音頻和視頻解調(diào)的能力，測試人員通過監(jiān)聽音頻端口的輸出可以辨別測量到的信號是否為電臺等背景信號。上述三種方案最終能組成一個非常完整的EMC測試體系。方案1的重點在于“外場測試”，方案2的重點在于“發(fā)射輻射”測試，方案3的重點在于“傳導輻射”的測試。當然，初期可以考慮僅選擇其中一個方案，其他方案可以作為EMC建設(shè)的近期目標來考慮，逐步完善。配套的天線組及LISN計劃采用美國AHSystems公司的天線，該公司的天線是目前世界上最靈敏的天線，品種非常齊全，計劃采購的類型為：AK-2G，頻率范圍為20Hz－2GHzAK-26G，頻率范圍20Hz－26GHz各方案對天線的配置為：方案1：需要配備2套AK-2G方案2：需要配備一組AK-26G方案3：需要配備一組AK-2G為了能進行傳導輻射的測試，按照GJB-151A/152A的標準要求，需要配備一個LISN（電源穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)），計劃采購的型號為：英國CRANAGE公司的符合軍標的產(chǎn)品（50A）。建立完善的EMI調(diào)試手段EMI調(diào)試和排查手段的項目內(nèi)容計劃建立的EMI調(diào)試和排查手段，希望能解決如下問題：能讓工程師充分認識電磁干擾的形成機理和抑制機理，不斷積累排除EMI問題的經(jīng)驗。盡可能在源頭（PCB板）控制電磁干擾的強度和區(qū)域，不僅有利于輕松通過EMC測試，同時能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并降低產(chǎn)品綜合成本；產(chǎn)品去認證中心按照GJB-151A/152A進行發(fā)射輻射和傳導輻射等項目的EMC測試時，如果不能通過標準測試，該手段能幫助工程師迅速定位干擾源的源頭，在最短的時間內(nèi)，用最簡單最低廉的成本，達到符合標準的要求。產(chǎn)品去認證中心按照GJB-151A/152A進行發(fā)射抗擾度和傳導抗擾度等項目的EMC測試時，如果不能通過標準測試，該手段能幫助工程師迅速定位電路或者電纜的敏感點，在最短的時間內(nèi)，用最簡單最低廉的成本，達到符合標準的要求。能評估硬件工程師的設(shè)計水平。能對工程師采取的各種抑制EMI的方法進行快速評估。根據(jù)調(diào)研，加拿大EMSCAN公司的EMSCAN電磁干擾掃描系統(tǒng)，非常適合于完成“電磁干擾調(diào)試、排查、EMC特性評估、EMI問題排除”等任務(wù)。EMSCAN是一種近場測量手段。除了能給出頻譜圖外，還能提供有關(guān)電磁干擾的空間分布的信息，也就是說，它能定位電磁干擾源以及傳播途徑。右圖是EMSCAN的測量結(jié)果。Emscan采用陣列天線（共1280個小型H－場探頭）來測量放在掃描器上的工作著的電子設(shè)備的近場輻射，由控制器和掃描器構(gòu)成。能實時顯示活動的電磁場。根據(jù)我單位產(chǎn)品特點及工作需要，擬采購如下系統(tǒng)：EMSCAN主系統(tǒng)：NPSL3.0包括：增強型控制器1臺 SM-LF100掃描器一臺 SM-1700掃描器一臺控制器NEXUS+掃描器SM-LF100控制器NEXUS+掃描器SM-LF100掃描器SM-1700掃描器SM-3000前置放大器EMCO7405－907BN頻率范圍100kHz－3GHz用于提高測量的靈敏度，在測量電纜、機箱的電磁輻射時，有必要使用前置放大器。信號源安捷倫8648B頻率范圍9kHz－2GHz用于產(chǎn)生標準的電信號，通過近場探頭變成電磁場信號并發(fā)射到被測設(shè)備上。本設(shè)備的目的是為了調(diào)試產(chǎn)品的發(fā)射抗擾度。單個的近場探頭組包括3個磁場探頭和2個電場探頭。用于：連接信號發(fā)生器，作為場源探頭使用，向被測設(shè)備發(fā)射已經(jīng)頻率的電磁場信號特殊情況下，可以用單個探頭取代EMSCAN的掃描器，增強EMSCAN的靈活性。頻譜分析儀EMSCAN需要使用頻譜分析儀對掃描器接收到的RF信號進行濾波和掃頻處理。一般常用的頻譜分析儀均適用。計算機普通的PC即可，需要安裝Windows2000或者WindowsXP操作系統(tǒng)。購置EMSCAN電磁干擾掃描系統(tǒng)的目的和意義新EMI對策的核心是“充分認識EMI形成和抑制的機理，及早考慮EMC問題”。EMSCAN是目前世界上唯一采用陣列探頭和電子掃描方式的電磁場近場測量系統(tǒng)，也是世界上唯一能夠獲得被測物完整電磁場信息的設(shè)備。EMSCAN電磁干擾掃描系統(tǒng)，能幫助我們認識EMI的產(chǎn)生和抑制機理，是符合EMC設(shè)計新對策要求的設(shè)計工具，它能：能科學直觀地評估PCB的設(shè)計質(zhì)量和硬件工程師的設(shè)計水平，讓工程師不斷提高PCB設(shè)計能力。并把電磁兼容的考慮及早引入