组装EMC故障排除工具包:辐射抗扰度

上个月，我们讨论了用于表征辐射发射的简单且经济实惠的工具和仪器，这通常是设计人员面临的头号电磁兼容性(EMC)问题。本月，我们将讨论辐射抗扰性，我发现它与静电放电(ESD)并列第二，是EMC故障的风险。我曾多次使用这些技术在几小时内识别并缓解辐射免疫问题。(我们将在下次讨论ESD故障排除。)

大多数设计人员最终试图在遵从性测试实验室排除辐射抗扰度。这是有道理的，因为它需要大量昂贵的设备，以及一个屏蔽的半消声室，来进行这项测试。缺点是在这种环境中进行故障排除既耗时又昂贵。这也大大推迟了产品的推出。将这个故障排除过程移到您自己的工作台上不是很好吗?

辐射抗扰度测试涉及以特定的V/m测试水平和1 kHz 80% AM(用于商业、消费和医疗)或脉冲调制连续波信号(军事/航空航天或某些医疗产品)传输RF场。测试的目的是观察被测产品是否受到附近无线电发射器、蜂窝电话或其他无线设备的影响。除了美国和加拿大，这是一个世界性的要求。

基本的仪器和技术包括一个射频源，可能是一个3到5瓦的宽带射频功率放大器，一组近场探头和一个射频电流探头。射频源可以包括“抖音继电器”、小型手持对讲机、射频信号发生器或合成射频发生器模块。我将逐一描述。

请记住，由于指定的昂贵设备和在半消声室中执行此测试的要求，在工作台上执行全抗扰度测试要困难得多。因此，可能无法适应EMC标准的实际符合性测试等级和频率范围。我们完全依靠局部产生的强磁场来模拟常规测试。为了真正确保准确的抗辐射水平，测试产品必须被带到测试实验室。

喋喋不休继电器(交流或直流供电)-产生宽带射频发射源的一种方法是“抖振继电器”(如图1所示)。根据标准，将抖振继电器的电缆与产品的电源线紧密耦合是一项相当严格的抗扰度测试。我发现只要把继电器靠近你的产品电路就能很快发现任何问题。

抖振继电器在SAE-J1113-12(车载电磁兼容)、DO-160(飞机电磁兼容)等一些标准中都有规定，在旧的MIL-STD-461C中也有规定。你可以很容易地用120伏交流电或12/24伏直流电继电器，有重型触点。

我从Radio Shack(零件号分别为2750044或2750043)购买了120 VAC和12 VDC继电器。我还买了一个适合的插座(零件号2750220)，这样一旦触点磨损，它们就可以很容易地更换。

图1所示。抖振继电器原理图。

抖振继电器背后的想法是通过一个NC(常闭)继电器触点来连接线圈- - - - - -这样继电器被瞬间驱动直到触点打开- - - - - -然后它再次关闭，重复这个过程。随着触点不断地打开和关闭，这种情况会持续下去，并发出响亮的嗡嗡声。线圈的电感在触点上产生600至800伏的重复电弧。

触点处的电弧可以产生大量的宽带电磁干扰(高达1ghz或更高)，这可能通过继电器连接到被测设备(EUT)电源或I/O电缆进行电感或电容耦合。为了使信号耦合得更强，试着把电源线中的导线分开。

图2显示了制造它所需的组件，图3显示了带插座的组装继电器。图4是与频谱分析仪上的短天线紧密耦合时产生的电磁干扰的屏幕截图(上走线)。正如您将看到的，平均幅度约为75 dBmV，直至约1 GHz。平面显示线位于85 dBmV。较低的迹线是环境电平。所有的痕迹都放置在“最大保持”模式。

图2。DIY“抖音继电器”的组件可以在Radio Shack或当地的电子零件商店网上买到。

图3。完成的抖音接力。如果线路通电，你需要用胶带把接线端子封起来保护。

图4。位于分析仪输入端短天线附近的抖振继电器的频谱响应。

家庭无线电业务(FRS)对讲机-虽然你不能在测试实验室进行辐射抗扰度预符合性测试，但有几个简单的射频发生器可以很好地工作，至少可以让你大致了解你的电路是否具有免疫力。我使用的一个方便的小工具是一个个人手持收发器，如FRS(美国/加拿大)或PMR446(欧盟)。- - - - - -参见图5。这些可以在大多数电子商店买到，每双20到30美元。

虽然它们的传输频率在0.5 W功率下被限制在462到467 MHz，但当非常靠近电路或I/O电缆时，它仍然有助于诱导产品故障，如图6所示。我用我的FRS收音机完成了许多客户故障排除调查。

图5。典型的0.5 W 465 MHz FRS双向无线电。其他一些国家也有类似的免许可证无线电，可用于简单的辐射抗扰度测试。

图6。这里，我正在测试一个裸数字板的辐射抗扰度。我正在监视其中的一个输出，同时用FRS无线电发送信号。电路似乎运转正常。

射频信号发生器-我发现将小型h场或e场探头连接到能够实现至少+10 dBm (+20 dBm更好)功率输出的变频射频发生器，可以使您对特定电路或I/O电缆进行零化(见图7)。

对于非常小的产品，将最小的h场环路探头连接到输出端。针对一个峰值故障频率对生成器进行调优，您应该能够确定特定的易受影响区域。

图7。在这里，我们已经设置了一个射频信号发生器到最小的蜂巢电子h场探测器之一。这将射频场限制在一个非常有限的区域，并帮助您确定敏感区域。

射频合成器-几个负担得起的射频合成器在过去几年中已经发布。其中许多具有成功排除故障所需的+10至+20 dBm功率输出。

Windfreak Technologies SynthNV射频发生器

的Windfreakmodel SynthNV是最小的射频合成器之一，可在34至4,400 MHz的范围内产生+19 dBm(约80 mW)，价格为599美元(图8)。

图8。这款Windfreak Technologies SynthNV射频发生器仅重几盎司，可以拿在手里。

最初引起我注意的是，发生器可以调制(AM)射频输出完美的辐射抗扰预合规测试!但它也将脉冲调制输出-完美的测试MIL-STD-461和DO-160标准!它的射频输出电平足以驱动具有足够场强的近场探头，以调查产品内部电路的磁化率。

发电机是USB供电，可以运行与Windows电脑。它还包括一个外部电源适配器输入，因此它可以被编程成一个给定的状态，然后从PC断开，作为本地振荡器或射频发生器独立运行。

图9。发生器的基本用户界面是基于美国国家仪器公司的Labview。

精心设计的用户界面(见图9)基于美国国家仪器公司的Labview。提供的软件包括运行时引擎，为那些没有完整的Labview软件。图10显示了一个相位噪声相对较低的连续波信号。

图10。典型的射频输出频谱显示相对较低的相位噪声(在100 MHz和100 Hz RBW下测量)。

图11。典型的100兆赫的基频和谐波输出。三次谐波比基波低约10db。

我认为相对较高的谐波电平(见图11)是因为大约500 MHz以下的输出波形更像是方波。在500mhz以上，信号转换为正弦波。虽然出于辐射抗扰度测试的目的，这并不那么重要，因为下一个最高谐波(三次谐波)比功率低10db(1/10)。但是，如果其他应用需要更清晰的信号，则需要滤波。

在通常的故障排除或预合规过程中，我通常将近场探头(H场或e场)直接连接到发电机的输出，并在观察中断的同时，仔细地在被测产品的操作电路板或电缆上扫描探头(如图12所示)。如果已经有可用的遵从性测试失败数据，那么这是有帮助的，因此可以预先调整失败频率。否则，缓慢扫描从80到1000 MHz(或2700 MHz取决于标准)。一旦发现电路中断的区域，就可以降低功率，以便更紧密地将注意力集中在有问题的电路上。探针尖端的场电平在34和1000 MHz之间测量为4到9 V/m -足够的信号导致大多数产品故障。

图12。探测RaspberryPI嵌入式处理器的辐射抗扰度。

信号猎犬VSG25A矢量信号发生器

信号猎犬VSG25A(见图13)从标准USB 2.0端口运行，可在100至2,500 MHz (1 Hz步进)范围内调节，连续波幅度可从广告的-40到+10 dBm(我的样本从-80到+13 dBm)。开云体育store相位噪声在-68 dBc/Hz (100hz) ~ -132 dBc/Hz (1mhz)可接受范围内。只有两个端口:射频输出(SMA连接器)和USB-B连接器。

图13。只需515美元，你就能得到VG25A，一张带有软件和USB连接线的CD-ROM。用户手册和编程手册可以下载。

一个小LED灯指示该单元已连接并传输数据。该设备可以在任何带有标准USB 2.0端口的Windows PC上运行。该软件包含在光盘中，并提供USB连接线。

令人印象深刻的是，这是一个真正的矢量信号发生器，能够用调幅、调频、脉冲、多音模式、FSK、ASK、GFSK、OOK、MSK、GMSK、BPSK、QPSK、DQPSK、Pi/4DQPSK、OQPSK、8-PSK、16-PSK、16-QAM和256-QAM调制RF输出。VSG25A具有比典型EMC工程师所需的更多功能，但对于RF，无线和通信工程师来说是无价的。

VSG25A的控制屏幕(参见图14)很简单，允许您选择CW(实际上是“调制=关闭”)或几十种调制中的任何一种(右侧面板)。对于每个调制，在屏幕中央有可设置的参数。频率和幅度在顶部控制，RF开/关和调制开/关在底部控制。预设按钮允许您在上电时定义预设配置。

用于EMC测试的有用调制包括:用于消费、工业和医疗产品的80%调制的1 kHz调幅，用于军事和航空系统的1 kHz脉冲调制，以及用于医疗产品的较新的217 Hz调制。调制频率和调制百分比都可以直接在控制面板内输入。

图14。信号猎犬VSG25A的控制屏幕允许您选择CW或十几种调制中的任何一种。这是在100兆赫的调幅调制设置。

连续调幅模式-观察100 MHz的连续波信号(见图15)，我们看到一个相当合理的相位噪声，但有一些非常低的杂散——其中大多数约为-70 dBc或更少。振幅精度在指定的+/-1.5 dB范围内。图16显示了调制波形的时域外观。

图15。在100兆赫和零dBm振幅的连续波信号的屏幕截图。为了更好地观察裙摆，将分辨率带宽设置为1 kHz。

图16。一个例子，一个1千赫80%调制调幅波。VSG25A也可以用三角形、正方形或斜坡调制波。

对于辐射抗扰度测试，控制屏幕提供频率步进模式(步进/扫描)，其中可以定义启动、停止和步进频率，以及以毫秒为单位的停留时间。

脉冲模式-脉冲宽度可设定为6纳秒至25毫秒，周期为12纳秒至1秒。这种模式可用于MIL-STD-461或DO-160测试，以模拟雷达敏感度。图17显示了时域内的脉冲波形。

图17。上图是使用默认设置的脉冲调制波形。

VSG25A只需515美元，包括CD-ROM上的软件，以及USB电缆。用户手册和编程手册可免费下载信号猎犬网站。

Tekbox调制宽带射频放大器

如果你有一个带有跟踪发生器的频谱分析仪，可以使用它作为你的射频源。由于大多数跟踪发生器输出被限制在-10到零dBm，信号通常需要被提升到至少+15到+20 dBm。调制射频功率放大器可能正是您需要创建用于局部抗扰度测试的可控和可变频率射频源。这些调制放大器也可以与传统的射频发生器一起使用，以提高输出功率。

Tekbox已经开始生产这类调制宽带射频放大器(见图18)。这些被设计成与频谱分析仪上的跟踪发生器一起工作。放大器包括调制控制，因此当从频谱分析仪的跟踪发生器或其他射频源输入低电平信号时，它将产生连续波、1 kHz 80%调制AM、1 kHz脉冲和217 Hz脉冲(用于GSM电话测试)。输出功率范围从+22到+47 dBm，这应该足以产生非常强烈的局部射频场。

图18。Tekbox生产一系列用于辐射发射测试的宽带调制射频放大器。他们的型号TBMDA3可以产生高达+45 dBm。

Vectawave VBM2500-3射频放大器

的Vectawave型号VBM2500-3产生高达3W输出(在小于1 dB增益压缩)从10到2500 MHz在指定的最小38 dB增益。

图19所示。Vectawave VBM2500-3射频放大器声称从10到2500 MHz的输出高达3W。

Vectawave VBM2500-3是一款体积相对较小、结构坚固的3w放大器(见图19)。它适用于全短路至开路负载，与任何类型的近场探头一起使用时显得稳定。在接近连续的开放使用下，机组触摸到温暖，但没有达到需要强制空气循环的程度。小尺寸和12v电源要求允许方便的便携式/移动操作。价格是3400美元。

总结

进行局部辐射免疫测试的能力是一个很少教授的概念。我已经能够解决几个射频抗扰问题，仅仅是一个手持个人对讲机，或者通过使用射频发生器馈送近场探头产生强烈的射频场。

我经历过几个案例，客户试图排除射频抗扰性问题数周，往返于测试实验室，然后我被叫去在一两个小时内找到他们电路中的敏感节点。这是一个非常强大的技术!

参考文献

1. 组装EMC故障排除工具包:辐射发射，信号完整性期刊2022年2月。
2. 廉价的辐射抗扰度预合规测试
3. 创建您自己的EMC故障排除工具包(第1卷)