使用頻譜分析儀進(jìn)行EMI測試和診斷

頻譜分析儀是進(jìn)行電磁干擾測試、診斷和故障檢測中應用*廣的一種測試儀器。對于一個(gè)電磁兼容工程師（EMC）來(lái)講，頻譜分析儀除了測試商用和**電磁發(fā)射的重要用途外，還可對對以下內容進(jìn)行評估：1、材料的屏蔽效能，2、設備機箱的屏蔽效能，3、較大的試驗室或測試室的屏蔽效能，4、電源線(xiàn)濾波器的衰減特性；此外，頻譜分析儀可從事場(chǎng)地勘測。

對于一個(gè)電磁兼容工程師來(lái)說(shuō)頻譜分析儀就象一位數字電路設計工程師手中的邏輯分析儀一樣重要，頻譜分析儀具有寬頻率范圍、帶寬可選性和寬范圍掃描顯示等特性，使其在幾乎每一項EMC測試應用中都能大顯身手，頻譜分析儀對于寬范圍的EMI診斷、故障檢測和測試應用極其有用。

輻射發(fā)射測量

頻譜分析儀是測試設備輻射發(fā)射必不可少的工具，它與適當的接口相連，就可進(jìn)行**和商用電磁干擾自動(dòng)測量，例如：一臺頻譜分析儀與一臺計算機相連，就可以在對應的頻率范圍內把發(fā)射數據制成圖和表。雖然EMI測量接收機也可用于自動(dòng)測試系統，但在故障的診斷和檢修階段頻譜分析儀則顯得更優(yōu)越。根據OItek經(jīng)驗，大多數情況下被測設備在**次測試時(shí)都不能滿(mǎn)足人們的期望值，因此診斷電磁干擾源并指出輻射發(fā)射區域就顯得很迫切。在EMI輻射發(fā)射測試的故障檢修方面，有時(shí)可能想要設置足夠寬的頻率范圍，以使得輻射發(fā)射需要的頻譜范圍以外的頻譜也包含在內。用頻譜分析儀，電磁兼容工程師就可以觀(guān)察到比用一臺典型的EMI測試接收機可觀(guān)察到更寬的頻譜范圍。另一種常用技術(shù)是觀(guān)察特殊寬帶天線(xiàn)頻率范圍，包括所有校正因子在內的頻譜圖應同時(shí)顯示在頻譜分析儀的顯示屏上，顯示的幅值單位與頻譜分析儀上的單位相一致，通常是dBm。這樣測試人員可在顯示屏上監測發(fā)射電平，一旦超過(guò)限值，就會(huì )被立刻發(fā)現，它在故障檢修中極其有用。這種特性使得人們在屏蔽被測產(chǎn)品的同時(shí)觀(guān)察頻譜分析儀的屏幕，并可立刻獲得反饋信息。在快速進(jìn)行濾波、屏蔽和接地操作時(shí)同樣可做以上嘗試。頻譜分析儀*大保持頻譜圖存儲以及雙重跟蹤特性也可用于觀(guān)察操作前后的EMI電平的變化。

許多頻譜分析儀重量輕，可以方便地移入測試室內以對被測產(chǎn)品進(jìn)行連續觀(guān)察。測試人員可以用電場(chǎng)或磁場(chǎng)探頭探測被測設備泄漏區域。通常這些區域包括像箱體接縫、顯示屏前面板、接口線(xiàn)纜、鍵盤(pán)線(xiàn)纜、鍵盤(pán)、電源線(xiàn)和箱體開(kāi)口部位等，探頭也可深入被測設備的箱體內進(jìn)行探測。為了確切指出*大輻射區域，要求探頭靈敏度不要太高，通常，一段小線(xiàn)頭與一同軸線(xiàn)纜一起放入BNC連接器內就可以了。此外，應注意近場(chǎng)探頭探測過(guò)程中頻譜分析儀上所顯示的近場(chǎng)測試值可能會(huì )較大，但這不一定就是遠場(chǎng)輻射的主要原因。例如：將探頭放在振蕩部件的上方，頻譜分析儀上將顯示大量的振蕩頻率諧波。如果電路經(jīng)過(guò)屏蔽、濾波并且其導線(xiàn)很短，這將不成問(wèn)題。對于一個(gè)產(chǎn)品，工程師一般關(guān)注以下幾個(gè)方面：導線(xiàn)是否較長(cháng)、帶狀線(xiàn)纜是否未經(jīng)屏蔽、是否存在接地回路、視頻電路是否未經(jīng)屏蔽、導線(xiàn)在輸出端是否未經(jīng)濾波、或導線(xiàn)是否靠近箱體接縫。診斷出問(wèn)題區域后，就可進(jìn)行修補措施：通常是綜合運用屏蔽、濾波、接地和搭接。

頻譜分析儀另一個(gè)重要診斷用途是確定發(fā)射的特性。例如：一個(gè)信號根據它被確定為寬帶或窄帶的不同而選用不同的限值。確定寬窄帶的方法有好幾種：

1、改變帶寬法：通過(guò)改變頻譜分析儀分辨帶寬，信號的幅值可能也可能不發(fā)生變化。一個(gè)真正的窄帶或連續波信號的幅值將不發(fā)生變化。由持續時(shí)間為零、幅值無(wú)限大的脈沖產(chǎn)生的純寬帶發(fā)射，將產(chǎn)生量值為20log（BW1/BW2）的變化。然而在確定發(fā)射是寬帶還是窄帶的過(guò)程中，實(shí)際上允許與理想情況存在偏差。測試人員在使用這種方法時(shí)不可避免地要運用較好的工程經(jīng)驗進(jìn)行判斷。

2、峰值／平均值比較法：同帶寬改變法相似，這種方法是以信號幅值的變化為基礎的。窄帶信號的幅值電平在采用峰值或平均值檢波時(shí)基本保持不變，而寬帶信號在用平均值檢波時(shí)幅值將變小。

3、視頻濾波法：視頻濾波有助于觀(guān)察寬帶噪聲中是否有窄帶信號。濾波使得寬帶減弱，而窄帶幅值電平保持不變。

4、變換掃描時(shí)間法：這種方法可用于在頻譜分析儀顯示屏上觀(guān)測一組脈沖。頻譜分析儀每格間隔的寬度應設置得使譜線(xiàn)間的間距可以被觀(guān)察到。通過(guò)改變頻譜分析儀的掃描時(shí)間，譜線(xiàn)的間隔可能變也可能不變。如果屏蔽上間隔寬度保持不變，則信號是窄帶；如果間隔寬度改變了，則信號被認為是寬帶。

5、調諧測試法：在使用適當的分辨帶寬的情況下，窄帶信號實(shí)際上是相對于頻譜儀而言是窄的。因此，當改變或調諧頻率峰值標記時(shí)窄帶信號的幅值將或左或右地明顯偏離窄帶信號的峰值。當*大峰值的變化大于3dB／兩個(gè)脈沖帶寬頻變時(shí)，則信號被認為是窄帶信號，否則被認為是寬帶。

傳導發(fā)射

頻譜分析儀對幾種傳導發(fā)射的測試能夠象輻射發(fā)射測試那樣設成自動(dòng)，并通過(guò)計算機對數據作圖、列表。同時(shí)頻譜分析儀在手動(dòng)模式下也是一種有用的診斷工具。在顯示屏上可以觀(guān)察到相對較寬的掃描頻段，同時(shí)相應的限值顯示在顯示屏上，以便很快地與發(fā)射電平做比較。頻譜限值包含了電流探頭或LISN修正因子，同時(shí)頻譜分析儀顯示單位也隨之相應轉變。故障處理的結果可以在顯示屏上很容易地觀(guān)察到。傳導發(fā)射信號的特征可以用與輻射同樣的方法得到。故障處理的方法通常是濾波，但在1MHz以上時(shí)，問(wèn)題通常由輻射發(fā)射的耦合而引起，因此，許多用于抑制輻射發(fā)射的故障檢修技術(shù)也被采用。

敏感度測試

頻譜分析儀在電磁敏感度測試過(guò)程中用于監視被測設備上的傳導或輻射發(fā)射電平。包含敏感測試的標準有MIL-STD-461/461和FDA MDS-201-0004。

EMI電磁干擾場(chǎng)地勘測

便攜式的頻譜分析儀與寬帶天線(xiàn)的組合在探測電磁干擾過(guò)程中特別有用。在1KHz～1GHz之間的輻射電磁干擾探測僅用一臺頻譜分析儀和一根天線(xiàn)就可完成。不同地理位置環(huán)境干擾的勘測有助于確定*佳的EMI開(kāi)闊測試場(chǎng)地?？睖y的信息也可用于確定安置EMI敏感校驗或設計組的*佳位置。大多數情況下，來(lái)自建筑物外*小的環(huán)境電磁干擾區域趨于建筑物的中央。對于多層建筑物，地下室或較低樓層通常具有*小的環(huán)境電磁干擾。

有時(shí)甚至在EMI敏感設備放置一段時(shí)間后會(huì )突然發(fā)生電磁干擾問(wèn)題，頻譜分析儀則是標出問(wèn)題緣由的重要診斷工具。天線(xiàn)用于決定發(fā)射源的方向并標出*大干擾的區域。RF電流探頭探測UPS電源產(chǎn)生的干擾，通過(guò)頻譜分析儀與寬帶天線(xiàn)跟蹤追查某寬帶電磁干擾到一間裝有UPS電源的房間，用RF電流探頭探出干擾源是蓄電池線(xiàn)纜。注意用天線(xiàn)和電流探頭兩者接收的發(fā)射特性相似。EMI勘測也可用于城市條例或國家法規中，例如有些城市都有要求對可移動(dòng)天線(xiàn)之類(lèi)的廣播天線(xiàn)進(jìn)行年檢的條例；有時(shí)候，這些測試必須在偏遠地區或山頂進(jìn)行。OSHA職業(yè)**與健康標準要求對可能產(chǎn)生高射頻能量的儀器進(jìn)行安檢的條例。頻譜分析儀可測試場(chǎng)強，并將其轉換為指定的能量密度單位，比如毫瓦每平方厘米（mW/cm2）。

衰減測試

EMI測試場(chǎng)的衰減測試可以由頻譜分析儀、適當的天線(xiàn)和射頻發(fā)射裝置來(lái)完成。按照FCC和VDE發(fā)射說(shuō)明進(jìn)行測試的裝置必須滿(mǎn)足FCC或VDE中指定的相應場(chǎng)地衰減要求。

電源濾波器的衰減特性也可由頻譜分析儀和跟蹤信號發(fā)生器來(lái)完成。跟蹤信號發(fā)生器產(chǎn)生一已知電平的掃描頻率信號而通過(guò)頻譜分析儀來(lái)跟蹤觀(guān)察。將濾波器放在發(fā)生器輸出和頻譜分析儀輸入之間，就可以得到其衰減特性。發(fā)生器輸出電平與頻譜分析儀接收到的電平之差等于該濾波器所提供的衰減。濾波器測試裝置的源和負載阻抗一般為50Ω，以便與濾波器生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的典型衰減曲線(xiàn)相比較。應當注意，在實(shí)際使用過(guò)程當中，濾波器的衰減值可能與提供的典型曲線(xiàn)有很大出入，這是因為實(shí)際與濾波器相連的網(wǎng)絡(luò )阻抗并不總是50Ω。

屏蔽效能測試

頻譜分析儀能用來(lái)測試材料、設備屏蔽箱體、甚至較大屏蔽測試室的屏蔽效能。材料樣品可以通過(guò)橫電磁波（TEM）室、頻譜分析儀和跟蹤信號發(fā)生器測試，測試裝置與濾波器衰減測試很相似，只是用TEM波室代替了濾波器。材料樣本放在TEM室里測試其頻率變化的衰減特性或屏蔽效能。

另一種用頻譜分析儀測試材料的方法是將材料樣本蒙在測試盒的開(kāi)口上。此時(shí)跟蹤信號發(fā)生器與一小發(fā)射天線(xiàn)相連并放在測試盒的內部。接收天線(xiàn)放在測試盒的外面并與頻譜分析儀相連。用材料樣本覆蓋的測量值之差就是屏蔽效能值。

一個(gè)實(shí)際使用的設備箱體屏蔽效能測試方法與剛才描述的屏蔽盒測試方法相似，小發(fā)射天線(xiàn)放在設備箱體外部而不是屏蔽盒內部。發(fā)射天線(xiàn)經(jīng)箱體屏蔽和未屏蔽的兩種情況下，用接收天線(xiàn)和頻譜分析儀測得的兩者之差即屏蔽效能值。

如果設備箱體完全是金屬或射頻密封，它能夠很容易地得到100dB以上的屏蔽效能。然而，通常情況下，屏蔽箱體帶有開(kāi)口，如縫隙、未屏蔽的顯示屏、非金屬區域以及通風(fēng)口。如果屏蔽效能值沒(méi)滿(mǎn)足要求，這里就可以使用輻射發(fā)射測試中描述的故障診斷和檢測方法。射頻泄漏區的信息有利于設備設計的改善。結構設計可以通過(guò)襯墊密封、附加屏蔽或一個(gè)全新的結構設計來(lái)改善。對于勉強可接受的結構設計來(lái)說(shuō)，應特別注意箱體內的電分布情況。例如：數字電路板不應放在靠近易產(chǎn)生射頻泄漏的區域。應注意屏蔽效能值不僅從發(fā)射角度而且從敏感性角度來(lái)考慮都是有用的。如果EMI能從箱體出來(lái)，同樣它也能進(jìn)入箱體。因此，電路遠離射頻窗口有助于防止因外界EMI源引起的電路敏感性問(wèn)題。

在大屏蔽間或大屏蔽箱體的屏蔽效能測試中，頻譜分析儀是一種重要的測試和診斷工具。MIL-STD-285和NSA65-6是兩種常用的屏蔽效能標準，其測試目的類(lèi)似于設備箱體的屏蔽效能測試，只不過(guò)它是在一個(gè)較大規模上進(jìn)行罷了。測試要求通常會(huì )用到磁場(chǎng)、電場(chǎng)、平面波和微波發(fā)射接收設備；被測的頻率范圍從幾十Hz到幾十GHz；可能會(huì )要求屏蔽效能值大于100dB。近場(chǎng)探頭和天線(xiàn)與頻譜分析儀一起用于標定射頻泄漏區域，就象在一個(gè)物理小規模上測試電子設備所做的一樣。在這里會(huì )碰到許多同樣的問(wèn)題，通常的射頻泄漏區域為錯誤的導電封裝、襯墊、濾波器以及很可怕的“暗道”。所謂“暗道”指的是箱體外部的一個(gè)射頻泄漏點(diǎn)在箱體內部的一個(gè)不同點(diǎn)上引起了射頻泄漏。在短波頻率上定位“暗道”是一項**挑戰性的工作。