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上个月，我们讨论了用于表征辐射辐射的简单而经济的工具和仪器，这通常是设计师面临的头号电磁兼容性问题。本月，我们将讨论辐射抗扰性，我发现在EMC故障风险方面，辐射抗扰性与静电放电(ESD)并列第二。我曾多次使用这些技术在几个小时内识别和减轻辐射免疫问题。(我们将在下次讨论ESD故障排除。)
大多数设计人员最后都试图在法规遵从性测试实验室解决辐射抗扰性问题。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转移到您自己的工作台上不是很好吗?
辐射抗扰度测试包括以特定的V/m测试水平发射射频场，并使用1 kHz 80% AM(用于商业、消费和医疗)或脉冲调制CW信号(军事/航空航天或某些医疗产品)。测试的目的是看被测产品是否受到附近无线电发射机、移动电话或其他无线设备的影响。除了美国和加拿大，这是全球范围内的要求。
基本的仪器和技术包括一个射频源，可能是一个3至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“颤振继电器”、小型手持式对讲机、射频信号发生器或合成射频发生器模块。我将一一描述。
请记住，在实验台上进行全免疫测试要困难得多，因为指定的设备昂贵，并且需要在半消声室中进行测试。因此，可能无法满足EMC标准的实际合规测试级别和频率范围。我们完全依赖于强烈的局部产生的磁场来模拟常规测试。为了真正确保准确的辐射免疫水平，被测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)-创建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电缆紧密耦合是一项相当严格的抗扰度测试。我发现，只要把继电器放在你的产品电路附近，就能很快发现任何问题。
颤振继电器在一些标准中有规定，如SAE-J1113-12(车辆EMC)， DO-160(飞机EMC)，并在旧的MIL-STD-461C中有规定。你可以很容易地用一个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)购买了一个120 VAC和一个12 VDC继电器。我还买了一个插座，适合任何一个(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。颤振继电器的原理图。
抖振继电器背后的想法是导线线圈通过一个NC(常闭)继电器触点- - - - - -使继电器暂时被驱动，直到触点打开- - - - - -然后它再次关闭，重复这个过程。当触点不断地打开和关闭时，会持续发出响亮的嗡嗡声。线圈的电感在触点上产生600到800伏的重复电弧。
这种触点处的电弧会产生大量的宽带EMI(高达1 GHz或更高)，这可能通过继电器布线到被测设备(EUT)电源或I/O电缆进行电感或电容耦合。要使信号耦合得更强，可以试着把电线中的导体分开。
图2显示了制造它所需的组件，图3显示了组装好的继电器和插座。图4是与频谱分析仪上的短天线紧密耦合时产生的EMI的屏幕截图(上图)。正如你将看到的，平均振幅在75 dBmV左右，最高约1 GHz。平面显示线位于85 dBmV。较低的痕迹是环境级别。所有痕迹都处于最大保持模式。
图2。DIY“抖音继电器”的组件可以在Radio Shack或当地电子零件商店的网上买到。
图3。完成抖音接力。如果线路通电，你要用胶带将端子保护起来。
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。
家庭无线电服务(FRS)步话机-虽然您无法在辐射免疫预合规测试中击败测试实验室，但有几种简单的RF发生器可以很好地工作，至少可以让您大致了解您的电路是否免疫。我使用的一个方便的工具是个人手持收发器，如FRS(美国/加拿大)或PMR446(欧盟)- - - - - -参见图5。这种眼镜在大多数电子产品商店都可以买到，一双20到30美元。
虽然它们的传输频率在0.5 W功率时被限制在462至467 MHz，但当非常接近电路或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收音机进行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收音机，可用于简单的辐射抗扰测试。
图6。在这里，我正在测试一块裸数字板的辐射抗扰性。我正在监测其中一个输出，同时通过FRS无线电传输。电路看起来工作得很好。
射频信号发生器-我发现，将一个小型h场或e场探头连接到一个能够实现至少+10 dBm (+20 dBm更好)功率输出的变频RF发生器，可以让您集中在特定的电路或I/O电缆上(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。调整发电机的峰值故障频率之一，您应该能够查明特定的易感区域。
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场探头之一。这将射频场限制在一个非常有限的区域，并帮助您确定易感区域。
射频合成器-在过去几年中，已经发布了几种价格合理的射频合成器。其中许多具有成功故障排除所需的+10到+20 dBm电源输出。
Windfreak Technologies SynthNV射频发生器
的Windfreak型号SynthNV是最小的射频合成器之一，在34至4400 MHz的范围内可以产生+19 dBm(约80 mW)，价格为599美元(图8)。
图8。Windfreak Technologies SynthNV射频发生器重量只有几盎司，可以放在手中。
最初吸引我的是，发电机可以调制(AM) RF输出完美的辐射免疫预合规测试!但它也将脉冲调制输出-完美的测试MIL-STD-461和DO-160标准!它的射频输出水平足以驱动具有足够场强的近场探头来调查产品内部电路中的敏感性。
该发电机由USB供电，可以在Windows电脑上运行。它还包括一个外部电源适配器输入，因此它可以被编程到给定的状态，然后与PC断开连接，作为本地振荡器或射频发生器独立运行。
图9。发电机的基本用户界面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National Instruments Labview。提供的软件包括运行时引擎，供那些没有拥有完整的Labview软件的人使用。图10显示了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(测量在100 MHz和100 Hz RBW)。
图11。典型的100兆赫基本和谐波输出的发电机。三次谐波比基波低10分贝。
我认为相对较高的谐波水平(见图11)是因为输出波形低于约500 MHz更多的是方波。超过500兆赫，信号转换为正弦波。尽管对于辐射抗扰性测试来说，这并不那么重要，因为次高谐波(第三次谐波)要低10 dB(功率的1/10)。然而，如果其他应用需要更清晰的信号，则需要进行滤波。
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，同时观察中断情况，在被测产品的操作电路板或电缆上仔细扫描探头(如图12所示)。如果已经有可用的遵从性测试故障数据，那么可以提前对故障频率进行预调，这是很有帮助的。否则，从80 MHz慢慢扫到1000 MHz(或2700 MHz取决于标准)。一旦发现电路中断的区域，功率可能会降低，以便更紧密地对准有问题的电路。探针尖端的电场水平被测量为4到9 V/m，在34到1000 MHz之间——足够的信号导致大多数产品故障。
图12。探测RaspberryPI嵌入式处理器的抗辐射性能。
信号猎犬VSG25A矢量信号发生器
Signal Hound VSG25A(见图13)从标准USB 2.0端口运行，可调从100到2500 MHz (1 Hz步长)，连续波振幅可调从广告的-40到+10 dBm(我的样本从-80到+13 dBm)。开云体育store相位噪声范围为- 68dbc /Hz (100hz) ~ - 132dbc /Hz (1mhz)。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，你就可以得到VG25A，一个带有软件和USB线的CD-ROM。用户和编程手册可以下载。
一个小LED灯表示该单元已连接并正在进行数据通信。这款电脑可以在任何带有标准USB 2.0接口的Windows电脑上运行。该软件包含在一个CD-ROM和USB线提供。
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AM, FM，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工程师所需的更多的功能，但对于RF，无线和通信工程师来说是非常宝贵的。
VSG25A的控制屏幕(见图14)很简单，允许您选择CW(实际上是“调制=关闭”)或几十个调制中的任何一个(右侧面板)。对于每种调制，在屏幕中央都有可设置的参数。顶部控制频率和振幅，底部控制射频开关和调制开关。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 AM，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更新的217 Hz。调制频率和调制百分比都可以直接在控制面板中输入。
图14。信号猎犬VSG25A的控制屏幕允许您选择CW或任何一打调制。这是100 MHz AM调制的设置。
CW和AM模式-观察100 MHz的CW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。振幅精度在规定的+/-1.5 dB范围内。图16显示了调制波形的时域图。
图15。连续波信号在100兆赫，振幅为零dBm的屏幕截图。为了更好地观察裙子，分辨率带宽设置为1千赫。
图16。一个1 kHz 80%调制调幅波的例子。VSG25A还可以用三角形、正方形或斜坡来调制波。
对于辐射抗扰测试，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-脉冲宽度可编程为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，以模拟雷达灵敏度。图17为时域脉冲波形。
图17。以上是使用默认设置的脉冲调制波形。
VSG25A仅售515美元，包括光盘和USB线。用户和编程手册是免费下载的Signal Hound网站．
Tekbox调制宽带射频放大器
如果你有一个带跟踪发生器的频谱分析仪，可以使用它作为射频源。由于大多数跟踪发生器输出被限制在-10到0 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所需要的，可以为局部抗扰度测试创建可控和可变频率的射频源。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正在开始制造这样的调制宽带射频放大器系列(见图18)。这些设计用于与频谱分析仪上的跟踪生成器一起工作。放大器包括调制控制，当从频谱分析仪的跟踪发生器或其他射频源馈电低电平信号时，它将产生CW, 1 kHz 80%调制AM, 1 kHz脉冲和217 Hz脉冲(用于GSM电话测试)。输出功率范围为+22到+47 dBm，这应该足以产生非常强烈的局部射频场。
图18。Tekbox生产一系列宽带调制射频放大器，用于辐射发射测试。他们的模型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(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输出高达3W。
Vectawave VBM2500-3是一个相对较小、坚固的3w放大器(见图19)。它额定为全短开负载，并在与任何类型的近场探头使用时表现稳定。在接近连续的露天使用下，该装置会变得温暖，但不会达到需要强制空气循环的程度。小尺寸和12v电源要求，便于便携式/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很少教授的概念。我已经能够解决几个射频免疫问题，除了手持式个人对讲机，或通过使用射频发生器馈电近场探头产生强烈的射频场。
我经历过几个案例，客户试图解决射频免疫问题长达数周，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巧!
参考文献
- 安装EMC故障处理套件:辐射辐射，信号完整性日志2022年2月。
- 廉价的辐射免疫预测试
- 创建自己的EMC故障排除工具包(第1卷)
