原创 用频谱分析仪作ＥＭＩ测试和诊断

频谱分析仪是电磁干扰（ＥＭＩ）的测试、诊断和故障检修中用途最广的一种工具。本篇文章将重点突出频谱分析仪在ＥＭＩ应用的广阔范围内作为诊断测试仪器的多用性。
　　对于一个ＥＭＣ工程师来说，频谱分析仪最重要的用途之一是测试商用和军用电磁发射，其他用途包括对以下内容的评估：
　　材料的屏蔽效能，
　　仪器机箱的屏蔽效能，
　　较大的试验室或测试室的屏蔽效能，
　　电源线滤波器的衰减特性。
　　此外频谱分析仪在从事场地勘测中也很有用。

概述

　　频谱分析仪对于一个电磁兼容（ＥＭＣ）工程师来说就象一位数字电路设计工程师手中的逻辑分析仪一样重要。频谱分析仪的宽频率范围、带宽可选性和宽范围扫描ＣＲＴ显示使得它在几乎每一个ＥＭＣ测试应用中都可大显身手。

辐射发射测量

　　频谱分析仪是测试设备辐射发射必不可少的工具，它与适当的接口相连就可用于军用和／或商用ＥＭＩ自动测量。比如说，一台频谱分析仪与一台计算机（如ＩＢＭ　ＰＣ）相连，就可以在对应的频率范围内把发射数据制成图和／或表。虽然ＥＭＩ测量接收机也可用于自动测试系统，但在故障的诊断和检修阶段频谱分析仪则显得更优越。据我的经验，大多数情况下被测设备在第一次测试时都不能满足人们的期望值，因此，诊断电磁干扰源并指出辐射发射区域就显得很迫切。在ＥＭＩ辐射发射测试的故障检修方面，有时可能想要设置足够宽的频率范围以使得辐射发射要的频谱范围以外的频谱也包括在内。用频谱分析仪，ＥＭＣ工程师就可以观察到比用一台典型的ＥＭＩ测试接收机可观察到的更宽的频谱范围。另一种常用技术是观察特殊宽带天线频率范围。包括所有校正因子在内的频谱图也同时被显示在频谱分析仪的ＣＲＴ上，显示的幅值单位与分析仪上的单位相一致，通常是dBm。这样，测试人员可在ＣＲＴ上监测发射电平，一旦超过限值，就会被立刻发现。这在故障检修中极其有用。这种特性使得人们在屏蔽被测产品的同时观察频谱仪的屏蔽并可立刻获得反馈信息。在快速进行滤波、屏蔽和接地操作时同样可做以上尝试。频谱分析仪的最大保持波形存储以及双重跟踪特性也可用于观察操作前后的ＥＭＩ电平的变化。
　　许多频谱分析仪是便携式的，可以方便地移入测试室内以对被测产品进行连续观察。测试人员可以用电场或磁场探头探测被测设备泄漏区域。通常这些区域包括如，箱体接缝，ＣＲＴ前面板、接口线缆、键盘线缆、键盘、电源线和箱体开口部位等，探头也可深入被测设备的箱体内进行探测。为了确切指出最大辐射区域，要求探头灵敏度不要太高，通常，一段小线头与一同轴线缆一起放入ＢＮＣ管式连接器内就够用了。此外，应注意在探头探测过程中频谱分析仪上所显示的近场测试值可能会较大，但这不一定就是远场辐射的主要原因。（例如将探头放在振荡部件的上方，频谱仪上将显示大量的振荡频率谐波。）但如果电路经过屏蔽、滤波并且／或其导线很短，这将不成问题。对于一个产品，我们所关注的包括以下几个方面：导线是否较长，带状线缆是否未经屏蔽、是否存在接地回路、视频电路是否未经屏蔽、导线在输出端是否未经滤波或导线是否靠近箱体接缝。
　　诊断出问题区域后，就可以进行修补措施：通常是综合运用屏蔽、滤波、接地和搭接。
　　频谱分析仪的另一个重要的诊断用途是确定发射的特性。例如一个信号根据它被确定为宽带或窄带的不同而选用不同的限值。确定宽窄带的方法有好几种，其中有：

改变带宽法

　　通过改变频谱分析仪分辨带宽，信号的幅值可能也可能不发生变化。一个真正的窄带或连续波信号的幅值将不发生变化。由持续时间为零、幅值无限大的脉冲产生的纯宽带发射，将产生量值为２０log（ＢＷ１／ＢＷ２）的变化。然而在确定发射是宽带还是窄带的过程中，实际上是允许与理想情况的偏差存在的。测试人员在使用这种方法时不可避免地要运用较好的工程经验进行判断。

峰值／平均值比较法

　　同带宽改变法相似，这种方法是以信号幅值的变化为基础的。窄带信号的幅值电平在采用峰值或平均值检波时基本保持不变，而宽带信号在用平均值检波时幅值将变小。

视频滤波法

　　视频滤波有助于观察宽带噪声中是否有窄带信号。滤波使得宽带减弱，而窄带幅值电平保持不变。

变换扫描时间法

　　这种方法可用于在频谱分析仪显示器上观测一组脉冲。频谱仪每格间隔的宽度应设置得使谱线间的间距可以被观察到。通过改变频谱仪的扫描时间，谱线的间隔可能变也可能不变。如果屏蔽上间隔宽度保持不变，则信号是窄带的。如果间隔宽度改变了，则信号被认为是宽带的。

调谐测试法

　　在使用适当的分辨带宽的情况下，窄带信号实际上是相对于频谱仪而言是窄的。因此，当改变或调谐频率峰值标记时窄带信号的幅值将或左或右地明显偏离窄带信号的峰值。当最大峰值的变化大于３dＢ／两个脉冲带宽频变时，则信号被认为是窄带信号，否则被认为是宽带的。

传导发射

　　频谱分析仪对几种传导发射的测试能够象辐射发射测试那样设成自动的，并通过计算机对数据作图、列表。同时频谱分析仪在手动模式下也是一种有用的诊断工具。在ＣＲＴ显示器上可以观察到相对较宽的扫描频段，同时相应的限值也可显示在ＣＲＴ上，以便很快地与发射电平做比较。频谱限值包含了电流探头或ＬＩＳＮ修正因子，同时频谱仪的显示单位也随之作相应转变。故障处理的结果可以在ＣＲＴ上很容易地观察到。传导发射信号的特征也可以用与辐射同样的方法得到。故障处理的方法通常是滤波，但在１ＭＨｚ以上时，问题通常是由辐射发射的耦合而引起的，因此，许多用于抑制辐射发射的故障检修技术也被采用。

敏感度测试

　　频谱分析仪在电磁敏感度测试过程中用于监视被测设备上的传导或辐射发射电平。包含敏感测试的标准有ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６１／４６１和ＦＤＡ　ＭＤＳ－２０１－０００４。

ＥＭＩ场地勘测

　　便携式的频谱分析仪与宽带天线的组合在探测电磁干扰过程中特别有用。在１ＫＨｚ～１ＧＨｚ之间的辐射电磁干扰探测仅用一台频谱仪和一根天线就可完成。不同地理位置环境干扰的勘测有助于确定最佳的ＥＭＩ开阔测试场地。勘测的信息也可用于确定安置ＥＭＩ敏感校验或设计组的最佳位置。大多数情况下，来自建筑物外最小的环境电磁干扰区域趋于建筑物的中央。对于多层建筑物，地下室或较低楼层通常具有最小的环境电磁干扰。
　　有时，甚至在ＥＭＩ敏感设备放置一段时间后会突然发生电磁干扰问题，频谱分析仪则是标出问题缘由的重要诊断工具。天线用于决定发射源的方向并标出最大干扰的区域。ＲＦ电流间断电源（ＵＰＳ）产生的干扰，通过频谱分析仪与宽带天线跟踪追查某宽带电磁干扰到一间装有ＵＰＳ的房间，用ＲＦ电流探头探出干扰源是蓄电池线缆。注意用天线和电流探头两者接收的发射特性的相似。
　　ＥＭＩ勘测也可用于城市条例或国家法规中，例如在波特兰市（Portland)、俄勒冈州（Oregon)都有要求对可移动页控天线之类的广播天线进行年检的条例。有时候，这些测试必须在偏远地区或山顶进行。
　　ＯＳＨＡ有要求对可能产生高射频能量的仪器进行安检的条例。频谱分析可以测试场强并将其转换为指定的能量密度单位，比如毫瓦每平方厘米（mW/cm2）。

衰减测试

　　ＥＭＩ测试场的衰减测试可以由频谱分析仪、适当的天线和射频（ＲＦ）发射装置来完成。按照ＦＣＣ和ＶＤＥ发射说明进行测试的装置必须满足ＦＣＣ／或ＶＤＥ中指定的相应场地衰减要求。
　　电源线滤波器的衰减特性也可由频谱分析仪和跟踪信号发生器来完成。跟踪信号发生器产生一已知电平的扫描频率信号而通过频谱仪来跟踪观察。将滤波器放在发生器输出和频谱仪输入之间，就可以得到其衰减特性。发生器输出电平与频谱仪接收到的电平之差等于该滤波器所提供的衰减。滤波器测试装置的源和负载阻抗一般为５０Ω，以便与滤波器生产厂家提供的典型衰减曲线相比较。应当注意，在实际使用过程当中，滤波器的衰减值可能与提供的典型曲线有很大出入，这是因为实际与滤波器相连的网络阻抗并不总是５０Ω。

屏蔽效能测试

　　频谱分析仪能用来测试材料、设备屏蔽箱体、甚至较大屏蔽测试室的屏蔽效能。材料样品可以通过横电磁波（ＴＥＭ波）室、频谱分析仪和跟踪发生器测试，测试装置与滤波器衰减测试很相似，只是用ＴＥＭ波室代替了滤波器。材料样本放在ＴＥＭ室里测试其频率变化的衰减特性或屏蔽效能。　　
　　另一种用频谱分析仪测试材料的方法是将材料样本蒙在测试盒的开口上。这里，跟踪发生器与一小发射天线相连并放在测试盒的内部。接收天线放在测试盒的外面并与频谱仪相连。用材料样本覆盖的测量值之差就是屏蔽效能值。
　　一个实际使用的设备箱体屏蔽效能的测试方法与刚才描述的屏蔽盒的测试方法相似，小发射天线放在设备箱体的外部而不是屏蔽盒的内部。发射天线经箱体屏蔽和未屏蔽的两种情况下，用接收天线和频谱分析仪测得的两者之差即屏蔽效能值。
　　如果设备箱体完全是金属的或射频密封的，它能够很容易地得到１００dＢ以上的屏蔽效能。然而，通常情况下，屏蔽箱体是带有开口的，如缝隙、未屏蔽的ＣＲＴ屏蔽、非金属区域以及通风口。如果屏蔽效能值没满足要求，这里就可以使用辐射发射测试中描述的故障诊断和检测方法。射频泄漏区的信息有利于设备设计的改善。结构设计可以通过衬垫密封、附加屏蔽或一个全新的结构设计来改善。对于勉强可接受的结构设计来说，应特别注意箱体内的电分布情况。比如，数字电路板不应放在靠近易产生射频泄漏的区域，应注意，屏蔽效能值不仅从发射的角度而且从敏感性的角度来考虑都是有用的。如果ＥＭＩ能从箱体出来，同样它也能进入箱体。因此，电路远离射频窗口有助于防止因外界ＥＭＩ源引起的电路敏感性问题。
　　在大屏蔽间或大屏蔽箱体的屏蔽效能测试中，频谱分析仪是一种重要的测试和诊断工具。ＭＩＬ－ＳＴＤ－２８５和ＮＳＡ　６５－６是两种常用的屏蔽效能标准。其测试目的类似于设备箱体的屏蔽效能测试，只不过它是在一个较大的规模上进行罢了。测试要求通常会用到磁场、电场、平面波和微波发射接收设备。被测的频率范围从几十Ｈｚ到几十ＧＨｚ。可能会要求屏蔽效能值大于１００dＢ。探头和天线与频谱仪一起用于标定射频泄漏区域，就象在一个物理小规模上测试电子设备所做的一样。在这里会碰到许多同样的问题，通常的ＲＦ泄漏区域为错误的导电封装、衬垫、滤波器以及很可怕的“暗道”。所谓“暗道”指的是箱体外部的一个射频泄漏点在箱体内部的一个不同点上引起了射频泄漏。在短波频率上定位“暗道”是一项极具挑战性的工作。

总结　　

　　频谱分析仪随着技术的发展而不断改进，并在未来的几年中仍是ＥＭＩ测试的基本工具。频谱分析仪对于宽范围的ＥＭＩ诊断、故障检测和测试应用是极其有用的。

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