摘 要：本文主要研究了GTEM 在輻射EMI 中的應(yīng)用，主要采用多項(xiàng)式修正方法對(duì)GTEM 現(xiàn)有的三種計(jì)算方法進(jìn)行修正，通過將GTEM 在輻射EMI 中的測(cè)量結(jié)果與暗室進(jìn)行對(duì)比，大大提高GTEM 小室用于輻射EMI 的測(cè)試精度。
關(guān)鍵詞：GTEM 小室，EMI 測(cè)量，精度補(bǔ)償
1 前言
1.1 GTEM 的一般應(yīng)用現(xiàn)代電子產(chǎn)品正向小型化、智能化發(fā)展，開關(guān)器件頻率越來越高，設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，使設(shè)備遭受輻射電磁干擾問題日益加重，并且對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力的要求越來越高。因而，為了節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用與時(shí)間，進(jìn)行輻射電磁干擾噪聲測(cè)試研究是*的。
目前針對(duì)電子產(chǎn)品輻射電磁干擾噪聲測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法主要是指開闊場(chǎng)測(cè)試以及3m，5m，10m 電波暗室測(cè)試。但是開闊場(chǎng)測(cè)試以及3m，5m，10m 電波暗室對(duì)場(chǎng)地要求較高且造價(jià)昂貴，一般企業(yè)無法承受。利用GTEM 小室進(jìn)行輻射EMI測(cè)試既能減少測(cè)試費(fèi)用，又能很好地預(yù)估輻射電磁干擾噪聲，引起了廣泛的關(guān)注。
關(guān)于GTEM 小室用于輻射電磁干擾測(cè)量的研究方法通常計(jì)算精度不高、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且分析結(jié)果常與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試值存在一定差距，因此需要深入研究將GTEM小室的測(cè)量結(jié)果對(duì)比3m 電波暗室的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)GTEM 小室進(jìn)行校準(zhǔn)，為GTEM 小室用于輻射電磁干擾噪聲測(cè)量提供理論依據(jù)。
1.2 本文對(duì)EMI 的設(shè)計(jì)與分析
針對(duì)目前利用GTEM 小室進(jìn)行輻射EMI 測(cè)試時(shí)精度較低且沒有進(jìn)行噪聲源分類的問題，本文主要介紹了一種既適用于共模輻射特性為主，又適用于差模輻射特性為主的的設(shè)備的GTEM 測(cè)量結(jié)果修正方法。該方法通過修正現(xiàn)有總功率、Wilson、Lee 方法，進(jìn)一步提高了GTEM小室測(cè)量輻射EMI 噪聲精度。
針對(duì)GTEM 小室用于輻射發(fā)射的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，本文對(duì)共模模型和差模模型分別進(jìn)行了測(cè)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，通過采用多項(xiàng)式修正方法，從而大大提高了GTEM 小室用于輻射EMI 測(cè)試時(shí)的測(cè)試結(jié)果精度，為基于GTEM 輻射EMI 測(cè)量提供了有效參考
2 EMI 評(píng)估模型設(shè)計(jì)與分析
目前主要有三種GTEM 小室與遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的關(guān)聯(lián)算法, 但是目前這三種算法得出的結(jié)果與電波暗室結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，精度較低。
2.1 用于EMI 分析的GTEM 小室模型
該GTEM 小室是由蘇州泰思特電子科技有限公司和江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室合作設(shè)計(jì)的，其物理結(jié)構(gòu)中包括：上、下蓋板，前、后側(cè)板，后蓋，芯板，分布電阻面陣，托架，導(dǎo)軌, 屏蔽門，饋源頭，終端截角，轉(zhuǎn)臺(tái)，電源接口和濾波，通風(fēng)及屏蔽設(shè)計(jì)等。GTEM 小室外觀及其尺寸如 圖1 所示，其總長為3 米，zui大測(cè)量尺寸為：30cm×30cm×20cm（L×W×H），
GTEM 小室實(shí)物如圖2 所示.
圖1 GTEM內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖2 GTEM小室實(shí)物
圖3 GTEM小室測(cè)量布置
根據(jù)電壓型驅(qū)動(dòng)電路，本文用一個(gè)共模源和一個(gè)差模源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了有效提取GTEM 小室所測(cè)該電路輻射電磁干擾，本文在實(shí)驗(yàn)中采用了羅德施瓦茨頻譜分析儀ROHDE&SCHWARZ FSC3。測(cè)試過程中，頻譜儀頻譜測(cè)試范圍設(shè)置為30 MHz~1 GHz，根據(jù)三種不同算法得到等效3 m 法電波暗室中的測(cè)量結(jié)果，并將這一結(jié)果與3 m 電波暗室中的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。
2.2 總功率算法
根據(jù)該輻射體在GTEM 小室中的總輻射功率(2-1)，可得到其在等效遠(yuǎn)場(chǎng)的zui大輻射場(chǎng)強(qiáng)：
計(jì)因此可得到GTEM 小室等效遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值進(jìn)行比較，所得結(jié)果如圖4、圖5 所示。其中圖4 為共模模型的總功率算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比，圖5為差模模型的總功率算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比，從圖中我們可以看出這兩個(gè)結(jié)果的大致趨勢(shì)是相同的，但是幅值上相差20-30dB 左右，其精度還有很大的提升空間。
圖4 共模模型總功率算法結(jié)果和暗室結(jié)果對(duì)比
圖5 差模模型總功率算法結(jié)果和暗室結(jié)果對(duì)比
2.3 Wilson 算法
根據(jù)頻譜分析儀測(cè)得的電壓值可計(jì)算GTEM 小室端口輸出功率，而GTEM 小室的輸出功率可以由輻射體的等效電偶極矩和磁偶極矩表示。不考慮輻射電場(chǎng)或磁場(chǎng)
的相位，該輻射體在GTEM 小室的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成等效遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電磁場(chǎng)在x, y, z 三個(gè)方向上的分量為：
r 為測(cè)試距離，k0 =2π/λ 為波數(shù)即電磁波傳播單位長度所引起的相位變化,η0=120πΩ=377Ω 為自由空間波阻抗。 由這種算法可得到GTEM 小室等效遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，與暗室結(jié)果進(jìn)行比較，所得結(jié)果如圖6、圖7 所示。其中圖6 為共模模型的總功率算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比，圖7 為差模模型的總功率算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比，從圖中我們可以看出這兩個(gè)結(jié)果的大致趨勢(shì)是相同的，但是幅值上相差20dB 左右，其精度還有很大的提升空間。
圖6 共模模型wilson算法與暗室結(jié)果對(duì)比
圖7 共模模型wilson算法與暗室結(jié)果對(duì)比
2.4 Lee 算法
該算法給出了同一輻射體在GTEM 小室的輸出電壓與它在等效開闊場(chǎng)或半暗室的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)系的直接計(jì)算公式，其在Wilson 法的基礎(chǔ)上考慮了輻射體等效電偶極矩和磁偶極矩的相位, 為此要求輻射體在GTEM 小室中測(cè)試時(shí)在每種位置上要旋轉(zhuǎn)5 個(gè)角度，以獲得共15 個(gè)GTEM 小室輸出端口電壓數(shù)據(jù)。通過其方法，水平極化電場(chǎng)可表示為：電場(chǎng)可表示為：
從電波暗室結(jié)果和GTEM 小室結(jié)果的對(duì)比（如圖8、圖9）可以看出，GTEM 小室所得的電場(chǎng)值隨頻率的變化趨勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果一致，其中圖8 為共模模型的總功率算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比，圖9 為差模模型的總功率算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比，雖然較前兩種算法來說，GTEM 結(jié)果更加接近于暗室結(jié)果了，但是相對(duì)暗室結(jié)果來說還是有10-20dB 的誤差，因此可以采用補(bǔ)償方法對(duì)GTEM 小室進(jìn)行校準(zhǔn)。
圖8 共模模型Lee算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比
圖9 差模模型 Lee 算法結(jié)果與暗室結(jié)果對(duì)比
3 多項(xiàng)式修正法
多項(xiàng)式修正法是指將GTEM 小室結(jié)果與電波暗室結(jié)果對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)極差求和取平均（記為S’）后補(bǔ)償?shù)紾TEM 小室結(jié)果上。公式為：
xi 是各頻點(diǎn)下電波暗室測(cè)試結(jié)果，XGTEMi 是對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)GTEM 小室測(cè)試結(jié)果，A 為(a0, a1, ...,am) ；x 為GTEM 小室測(cè)得的輻射電場(chǎng)值；Ei 為該模型計(jì)算的GTEM 小室等效遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值；ak 為待定系數(shù)，由GTEM小室測(cè)量值xi 與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值yi 共同確定。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1 共模模型測(cè)量結(jié)果對(duì)比
采用多項(xiàng)式修正方法對(duì)共模模型進(jìn)行校準(zhǔn)之后，得到了三種算法新的結(jié)果，將每種算法的結(jié)果再與暗室結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別如圖10、圖11、圖12 所示。從三幅圖中我們可以看出，經(jīng)過校準(zhǔn)后的輻射噪聲頻譜圖與3m 電波暗室中的標(biāo)準(zhǔn)頻譜圖的變化趨勢(shì)以及數(shù)值大小基本一致，校準(zhǔn)后使得GTEM 小室的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的吻合程度大大提高
圖10 共模模型總功率算法改進(jìn)方法結(jié)果
圖11 差模模型Wilson算法改進(jìn)方法結(jié)果
圖12 共模模型Lee算法改進(jìn)方法結(jié)果
圖13 差模模型總功率算法改進(jìn)方法結(jié)果
圖14 差模模型Wilson算法改進(jìn)方法結(jié)果
圖15 差模模型Lee算法改進(jìn)方法結(jié)果
4.2 差模模型測(cè)量結(jié)果對(duì)比
差模模型的測(cè)量經(jīng)過校準(zhǔn)后的輻射噪聲頻譜圖與3m 電波暗室中的標(biāo)準(zhǔn)頻譜圖的變化趨勢(shì)以及數(shù)值大小也基本一致，校準(zhǔn)后使得GTEM 小室的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的吻合程度大大提高。采用多項(xiàng)式修正方法對(duì)共模模型進(jìn)行校準(zhǔn)之后，得到的三種算法新的結(jié)果與暗室結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別如圖13、圖14、圖15 所示。
5 總結(jié)
本文選取了多項(xiàng)式精度校準(zhǔn)方法對(duì)GTEM 小室的輻射噪聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，并且對(duì)于共模為主的輻射源和對(duì)于差模為主的輻射源修正效果都很明顯，GTEM 測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，對(duì)于輻射電場(chǎng)曲線的描述更加準(zhǔn)確。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來看，在進(jìn)行精度校準(zhǔn)值之后，在低頻段（30MHz-150MHz）的改進(jìn)效果較差，精度的提高并不明顯。但是在高頻段（150MHz-1GHz）的改進(jìn)效果較好，與暗室結(jié)果的趨勢(shì)和幅值都很接近。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，校準(zhǔn)后的GTEM小室測(cè)量結(jié)果精度明顯提高，為GTEM 小室用于輻射電磁干擾噪聲測(cè)試提供理論依據(jù)。
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