一种高频电路辐射电磁干扰分析方法

1.一种高频电路辐射电磁干扰的分析方法，其特征在于对辐射电磁干扰复合场中的单个电磁辐射源进行重构，采用的仪器为数字双踪示波器和两套近场电磁场探头，具体步骤如下：
第一步：将第一近场探头(1)和第二近场探头(2)与双踪示波器的第一通道和第二通道分别相连，其中第一近场探头(1)和第二近场探头(2)型号相同，且两个同为近场电场探头或者同为近场磁场探头；
第二步：将第一近场探头(1)和第二近场探头(2)分别放置在高频电路附近进行n次测量，并从双踪示波器中获得高频电路辐射电磁干扰时域信号；其中，测量次数n与待测高频电路中电磁辐射源个数有关，对于高频电路，n＝4或n＝5，并且每次测量时上述两探头与电路平面之间的距离相等，此外，任意两次测量时两探头所处的位置不能完全相同，同时需要将相关度较差的处理结果舍去；
第三步：将第二步获得的高频电路辐射电磁干扰时域信号利用盲信号分析方法进行处理将上述待测高频电路中辐射电磁干扰时域信号分离为单独的共模辐射信号和差模辐射信号，从而对形成辐射电磁干扰复合场的每个独立电磁辐射源进行重构，进一步得到各个独立电磁辐射源情况。
2.如权利要求1所述的高频电路辐射电磁干扰的分析方法，其特征在于所述进一步得到各个独立电磁辐射源情况，从而得到各电磁辐射源是由共模辐射引起，还是由差模辐射引起，采用的仪器为频谱分析仪和近场电磁场探头，具体步骤是：
第一步：将近场电场探头的输出端与频谱分析仪的输入端相连，对所述的电磁辐射源，利用近场电场探头进行测量，从而从频谱分析仪上获得近场电场探头测量结果；
第二步：将近场磁场探头与频谱分析仪相连，对所述的电磁辐射源，利用近场磁场探头进行测量，从而可从频谱分析仪上获得近场磁场探头测量结果；
第三步：对于各个电磁辐射源，把第一步和第二步测量结果进行比较，如果某电磁辐射源由第一步获得的近场电场探头测量结果大于第二步获得的近场磁场探头测量结果，则说明该电磁辐射源的辐射特征以共模辐射为主；如果某电磁辐射源由第一步获得的近场电场探头测量结果小于第二步获得的近场磁场探头测量结果，则说明该电磁辐射源的辐射特征以差模辐射为主，如果某电磁辐射源由第一步获得的近场电场探头测量结果和第二步获得的近场磁场探头测量结果相差不大，且都比较突出，则说明该电磁辐射源既是共模源又是差模源，如果某电磁辐射源由第一步获得的近场电场探头测量结果和第二步获得的近场磁场探头测量结果都明显较小，则说明该位置不属于电磁辐射源。

一种高频电路辐射电磁干扰分析方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及的是对高频电路辐射电磁干扰(EMI)特性分析方法，具体说是基于盲信号分析方法对高频电路的EMI辐射源进行搜索定位，根据源定位结果对EMI辐射源进行特性诊断，属于电磁兼容技术领域。\n背景技术\n[0002] 目前电力电子产品的EMI问题越来越突出，这一方面是因为高频器件被广泛应用与产品之中，另一方面是由于产品的复杂化、微型化程度越来越高，所以高频电路的辐射EMI解决方法变得日趋重要。然而，可用于高频电路的辐射EMI解决方法种类繁多，辐射EMI抑制方法也多种多样，可见省时省力的选择有效的辐射EMI解决方案势在必行。\n[0003] 对高频电路辐射电磁干扰的分析通常采用远场测量或近场测量，其中，远场测量方法即是采用开阔场(OATS)测量或者电波暗室(Anechoic chamber)对被测电路进行测量的方法，但OATS或电波暗室造价昂贵且建造周期较长，同时测量费用较高。近场测量即是采用近场电磁场测量系统对被测电路的EMI进行测量(如HITACHI生产的EMI TESTER系列等)，但此类系统只能给出被测电路的辐射场强大小的结果，却不能对这些高频电路的特性(即辐射源由电场引起的还是由磁场引起的)给出说明。同时此类系统的测量方式为扫描式测量，即需要对高频电路的整个区域进行逐点扫描，因此测量过程较为耗时。此外上述近场电磁场测量系统的价格也较为昂贵，推广应用比较困难。\n发明内容\n[0004] 技术问题：本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出一种高频电路辐射电磁干扰分析方法。该方法首先通过盲信号分析方法对被测高频电路中的辐射源进行区分，然后直接利用近场探头对辐射源进行频域测量，即可得出待测高频电路的辐射EMI是由共模辐射引起，还是由差模辐射引起，而不需要对整个被测电路进行扫描。\n[0005] 技术方案：基于盲信号分析的高频电路辐射电磁干扰分析方法原理，当多个信号源之间相互独立时，利用盲信号处理技术可以对这些信号源产生的混合信号进行重构，最后可获得单个信号源产生的信号。\n[0006] 对于高频电路的辐射电磁干扰来说，电路中往往有多个辐射源，因此通常将这些辐射源等效为电偶极子和磁偶极子进行分析，即电偶极子共模辐射源和磁偶极子差模辐射源。如图1(a)所示为任意两个电偶极子在空间某位置处沿径向传播方向的电场强度示意图。图1(b)为任意两个磁偶极子在空间某位置处沿径向传播方向的磁场强度示意图。由图可知，电偶极子在空间某位置处产生的复合场强大小为：\n[0007] \n[0008] 磁偶极子在空间某位置处产生的复合场强大小为：\n[0009] \n[0010] 由此可见，一方面，空间中任意位置处的电场强度可看作是由若干个独立电偶极子产生电场的线性叠加，而磁场强度可看作是由若干个独立磁偶极子产生磁场的线性叠加。也即是说，在高频电路中的多个辐射源之间相互独立。进而可知，利用盲信号分析技术可以对高频电路的辐射电磁干扰问题进行分析，通过对高频电路混合辐射电磁场的测量，可以得到电路中多个辐射干扰源情况。\n[0011] 另一方面，在空间任意位置处电偶极子(即共模辐射源)产生的辐射场以电场为主，磁偶极子(即差模辐射源)产生的辐射场以磁场为主。因此，对于电偶极子共模辐射源，利用电场探头可实现有效测量，而磁场探头的测量结果较小，或基本无输出。对于磁偶极子差模辐射源，利用磁场探头可实现有效测量，而电场探头的测量结果较小，或者基本无输出。\n[0012] 共模辐射场大小为：\n[0013] \n[0014] 差模辐射场大小为：\n[0015] \n[0016] 由于电磁场的测量需要利用测定电磁场感应电压来实现，所以利用电场探头和磁场探头进行辐射场测量，可由如下公式实现。\n[0017] 电场探头测得的共模辐射场大小为：\n[0018] EdB(μV/m)＝UdB(μV)+AFdB(1/m) (5)\n[0019] 利用磁场探头测得的差模辐射场大小为：\n[0020] HdB(μA/m)＝UdB(μV)+AFdB(1/m·Ω) (6)\n[0021] 其中，UdB(uV)可以由频谱分析仪测量得到，而AFdB(l/m)和AFdB(l/m·Ω)由探头厂商提供，由公式(5)和(6)，利用近场电磁场探头可测得电磁辐射干扰源的电磁场强度大小。如果电场强度的测量结果大于磁场强度，则说明辐射干扰源的辐射特性以共模辐射为主，反之，以差模辐射为主。\n[0022] 基于上述基于盲信号分析的辐射电磁干扰分析方法原理，本发明的所需仪器为：\n数字双踪示波器和两套近场电磁场探头(包括近场电场探头和近场磁场探头)，实施步骤是：\n[0023] 第一步：将第一近场探头和第二近场探头与双踪示波器的第一通道和第二通道分别相连，其中第一近场探头和第二近场探头型号相同，且两个同为近场电场探头或者同为近场磁场探头；\n[0024] 第二步：将第一近场探头和第二近场探头分别放置在高频电路附近进行n次测量，并从双踪示波器中获得高频电路辐射EMI时域信号；其中，测量次数n与待测高频电路中辐射电磁干扰源个数有关，对于高频电路，n＝4或n＝5，并且每次测量时上述两探头与电路平面之间的距离相等，此外，任意两次测量时两探头所处的位置不能完全相同，同时需要将相关度较差的处理结果舍去；\n[0025] 第三步：将第二步获得的高频电路辐射EMI时域信号利用盲信号分析方法进行处理将上述待测高频电路中辐射EMI时域信号分离为单独的共模辐射信号和差模辐射信号，从而对形成辐射EMI复合场的每个独立电磁辐射源进行重构，进一步得到各个独立电磁辐射干扰源情况。\n[0026] 所述进一步得到各个独立电磁辐射干扰源情况，从而得到各辐射源是由共模辐射引起，还是由差模辐射引起，采用的仪器为频谱分析仪和近场电磁场探头，具体步骤是：\n[0027] 第一步：将近场电场探头的输出端与频谱分析仪的输入端相连，对所述的电磁辐射干扰源，利用近场电场探头进行测量，从而可从频谱分析仪上获得近场电场探头测量结果；\n[0028] 第二步：将近场磁场探头与频谱分析仪相连，对所述的电磁辐射干扰源，利用近场磁场探头进行测量，从而可从频谱分析仪上获得近场磁场探头测量结果；\n[0029] 第三步：对于各个电磁辐射干扰源，把第一步和第二步测量结果进行比较，如果某辐射干扰源由第一步获得的近场电场探头测量结果大于第二步获得的近场磁场探头测量结果，则说明该辐射干扰源的辐射特征以共模辐射为主；如果某辐射干扰源由第一步获得的近场磁场探头测量结果大于第二步获得的近场电场探头测量结果，则说明该辐射干扰源的辐射特征以差模辐射为主，如果某辐射干扰源由第一步获得的近场磁场探头测量结果和第二步获得的近场电场探头测量结果相差不大，且都比较突出，则说明该辐射源既是共模源又是差模源，如果某辐射干扰源由第一步获得的近场磁场探头测量结果和第二步获得的近场电场探头测量结果都明显较小，则说明该位置不属于辐射源。\n[0030] 有益效果：本发明通过近场电磁场探头测量和盲信号分析技术可以得出：(1)从引起高频电路电磁辐射干扰的多个辐射源中，区分出每个辐射源；(2)高频电路中的每个辐射源辐射特征以共模为主，还是以差模为主。该方法省时、简便、实用，不需要对整个高频电路进行逐点扫描，而只需在电路上若干个位置处的辐射干扰源进行测量，即可得出高频电路辐射EMI特性，同时可以为高频电路辐射EMI抑制提供指导。\n附图说明\n[0031] 图1电偶极子在空间某位置处沿径向传播方向的电场强度。图中描述的是两个电偶极子沿径向传播方向，在空间任意位置处产生的电场强度。其中，1和2分别是电偶极子P1和P2，3是空间任意位置，4和5分别是P1和P2的径向传播方向与复合电场之间的夹角α1和α2。\n[0032] 图2磁偶极子在空间某位置处沿径向传播方向的磁场强度。图中描述的是两个磁偶极子沿径向传播方向，在空间任意位置处产生的磁场强度。其中，6和7分别是磁偶极子T1和T2，8和9分别是T1和T2的径向传播方向与复合磁场之间的夹角β1和β2。\n[0033] 图3盲信号分析的辐射电磁干扰分析测量方法。图中描述的是利用两个相同型号的近场探头对高频电路辐射电磁干扰进行测量，把测量得到的时域信号进行盲信号处理。\n其中，10是双踪数字示波器，11和12分别是数字示波器通道1和通道2，13和14分别是近场探头1和近场探头2，15是待测高频电路。\n[0034] 图4电场和磁场探头的辐射电磁干扰源特性判定测量方法。图中描述的是利用近场电场探头或者磁场探头对辐射源进行测量，其中待测辐射源情况由盲信号分析技术实现，根据频谱分析仪的输出即可得到待测辐射源的辐射场特性，以电场为主还是以磁场为主。16是频谱分析仪，17是待测辐射源。\n[0035] 图5被测高频电路示意图。图中描述的是自制被测高频电路，其中S1、S2、S3分别为自制辐射发射源，且每个辐射源都由5V的直流电源供电。18是正方形环路电路，环路面\n2\n积为100cm，频率源为10MHz晶体振荡器；19是长度为5cm的短直天线，频率源为6MHz晶\n2\n体振荡器；20是环形电路，环路面积为9πcm，频率源为12MHz晶体振荡器。\n[0036] 图6当图5被测电路中S3关闭的情况下，使用近场电场探头分别对S1和S2的辐射电场测量结果。频谱分析仪的扫频范围是：50MHz～300MHz，参考电平为90dBuV。其中(a)是利用电场探头对S1的测量结果，(b)是利用电场探头对S2的测量结果。\n[0037] 图7当图5被测电路中S3关闭的情况下，使用近场磁场探头分别对S1和S2的辐射电场测量结果。频谱分析仪的扫频范围是：50MHz～300MHz，参考电平为90dBuV。其中(a)是利用磁场探头对S1的测量结果，(b)是利用磁场探头对S2的测量结果。\n具体实施方式\n[0038] 为了说明本发明对高频电路辐射EMI分析的有效性，采用自制辐射发射源作为被\n2\n测电路进行实施，电路如图5所示。其中S1为正方形环路电路，环路面积为100cm，频率源为10MHz晶体振荡器；S2为长度为5cm的短直天线，频率源为6MHz晶体振荡器；S3为环形\n2\n电路，环路面积为9πcm，频率源为12MHz晶体振荡器，而且每个辐射源都是由5V的直流电源产生。根据式(3)和(4)可知，可知共模辐射的大小与等效天线长度d1成正比，差模辐射的大小与回路面积dS成正比，因此S1和S3为差模辐射源，其辐射发射以差模辐射磁场为主。而S2为共模辐射源，其辐射发射以共模辐射电场为主。并且由于S1环路面积大于S2，则辐射源S1发出的EMI大于辐射源S2。另外，测量使用的仪器如下，示波器采用的是Tektronix的TDS2024B数字双踪示波器，最大带宽为200MHz，频谱仪采用的是GWINSTEK的GSP827频谱分析仪，最大接收频率可达2.7GHz，近场探头采用的GWINSTEK的GKT-006近场电磁场探头组，最大有效频率可达1.5GHz。\n[0039] 首先，利用盲信号分析对高频电路的辐射电磁干扰源进行分析。根据上述测量步骤，如图3所示连接测量设备，利用两个近场探头对被测电路的辐射发射场进行测量，测量时近场探头与电路平面保持0.5cm。同时在测量前将电路板中的辐射源保持两个打开，一个关闭(如：将S1和S2打开，S3关闭)，这样仅需要使用两个近场探头测量一次即可测得盲信号分析所需数据。然后对测得结果进行盲信号分析处理，经处理后发现电路板上存在两个较强辐射源，且辐射源都存在于电路芯片附近，即工作电路的S1和S2位置处。\n[0040] 其次，利用电场和磁场探头对辐射电磁干扰源特性进行判定。根据上述测量步骤，如图4所示连接测量设备，使用近场电场探头对S1和S2进行测量，探头放置于S1和S2的正上方，且距离电路0.5cm。电场探头测量结果如图6所示，由图可见，在整个测量频段内，S2的辐射电场在探头上感应出的电压都高于S1，且前者的最大值比后者高了约15dB，所以可知辐射源S2的辐射电场比S1高了15dB。按如上步骤，采用近场磁场探头对S1和S2进行测量，同样，探头放置于S1和S2的正上方，且距离电路0.5cm。磁场探头测量结果如图7所示，由图可见，在测量频段内，S2的辐射磁场在探头上感应出的电压都低于S1，并且就最大值来看，S2比S1约低了20dB。比较图6和图7可见，在辐射源S1位置处的辐射EMI以磁场为主，而电场辐射较小；在辐射源S2位置处的辐射EMI以电场为主，而电场辐射较小。\n由此可知，辐射源S1为差模辐射源，而辐射源S2为共模辐射源，同时这与已知结论相一致。