双锥天线为六根金属杆组成的圆锥形,如图4.10所示。双锥天线的方向图与偶极子天线类似,测量的频段比偶极子天线宽,且无须调谐,适合与接收机配合组成自动扫频测量系统。
双锥天线不仅用于电磁场辐射发射测量,也用于辐射敏感度或抗扰度的测量。前者测量的是小功率电场,可用功率容量小的天线;后者发射和接收的功率均较大,需用功率容量大的天线。
4)对数周期天线
对数周期天线结构类似八木天线,它上下有两组振子,从长到短交错排列,最长的振子与最低的使用频率相对应,最短的振子与最高的使用频率相对应。对数周期天线有很强的方向性,其最大接收/辐射方向在锥底到锥顶的轴线方向。对数周期天线为线极化天线,测量中可根据需要调节极化方向,以接收最大的发射值。
5)双脊喇叭天线
双脊喇叭天线的上下两块喇叭板为铝板,铝板中间位置是扩展频段用的弧形凸状条,两侧为环氧玻璃纤维的覆铜板,并刻蚀成细条状,连接上下铝板,如图4.12所示。双脊喇叭天线为线极化天线,测量时通过调整托架改变极化方向。可用于辐射发射和辐射敏感度测试。
6)喇叭天线
喇叭天线(见图4.12)的使用频段由馈电口的波导尺寸决定,比双脊喇叭窄很多,但方向性、驻波比及增益等均优于双脊喇叭天线,常用在1GHz以上高场强(如200V/m)的辐射敏感度测量中。
4.4.4电源阻抗稳定网络(人工电源网络)
在传导测量中,为了统一测量条件,在射频段电源提供一个50负载阻抗,并且使被测设备与公共电源之间的干扰隔离,应在被测设备的电源与公共电源之间插入一个网络。网络是由电感、电容和电阻等组成的,不同的频率和不同的标准采用的网络结构形式和元件数值是不相同的。
电源阻抗稳定网络一般对每根电源线提供三个端口,分别为电源输入端、连接被测设备的电源输出端和连接测量设备的测量端,如图4.14所示。
电源阻抗稳定网络根据不同标准要求有多种类型。
电源阻抗稳定网络的技术参数主要有:网络阻抗、电容修正系数、隔离和电流负载能力等。
网络阻抗是指干扰输出端接50负载阻抗时,在设备端测得的相对于参考地的阻抗的模。当干扰输出端没有与测量接收机相连时,该输出端应接50负载阻抗。
电容修正系数用于将接收机测量的端口电压,转换成被测电源线上的干扰电压。
隔离是为避免无用信号在测量频率上的影响,在电源阻抗稳定网络与电网之间插入的屏蔽。
电流负载能力是指电源阻抗稳定网络承受的最大连续电流和峰值电流。
4.4.5信号源
信号源是敏感度测量和场强测试系统自校时需要的仪器,有连续波、调制波(FM,AM)和脉冲波、尖峰信号、阻尼正弦瞬变信号等发生器,以及模拟静电、电快速瞬变脉冲、浪涌等信号发生器。
电磁兼容测量对信号源的型号未做具体规定,性能不一定是高精度、高稳定度的,只要它能提供敏感度测量所需要的已调制或未调制的功率,输出幅度稳定,并满足频率精度不低于±2%,谐波分量和寄生输出不高于基波30dB,具备调幅、调频调制方式,并且对调制类型、调制度、调制频率、调制波形可选择和控制即可。
4.4.6功率放大器
在电磁敏感度测量中,敏感度测试一般需要很强的信号,从1V/m至几百V/m,因此,把信号放大的功率放大器是必不可少的设备,对于连续波及脉冲干扰的模拟,仅靠信号源或信号发生器往往难以达到所需的功率,以及宽泛的测量频段。用功率放大器来提升信号的功率是一个很好的办法,并且可根据需要分频段将功放增益做得很高,以达到高的辐射场强或在线上注入强干扰电流的目的。
电磁兼容测量放大器都是宽带大功率放大器,但由于放大器构成器件特性的限制,单台放大器不可能覆盖全部测量频段,如在10kHz~18GHz的测量频率范围内,需5~6台放大器覆盖,国军标测试配备的功率放大器的频段划分为:10kHz~200MHz,(200~1000)MHz~2GHz,2~4GHz,4~8GHz,8~18GHz。
功率放大器对负载端的驻波极为敏感,负载匹配良好是得到最大输出功率的基本条件。
在使用中,功率放大器必须接上负载后方可加输入信号,若输出端空载会使负载驻波极大,形成功率的全反射,极易损坏放大器。这是功放使用中必须特别注意的问题,尤其是对大功率放大器。
4.4.7一些测量附件
1.电流卡钳(电流探头)
电流卡钳(电流探头)是一种套在导线上,将流过导线上的电流成比例地转换为电压的耦合装置,用以测量导线上干扰信号的电流。它是一个环形变压器,初级为被测导线,次级为多匝线圈,感应电压的大小正比于磁环的磁导率、环截面积、次级线圈中的电流和频率。
2.电压探头
有时几根导线靠得很近,无法用电流探头来测量单根导线上的电流,此时可用电压探头测量其电压。为了减小探头对测试点的加载影响,要求电压探头阻抗越高越好。
3.注入卡钳(注入探头)
这是一种套在导线上将大功率信号耦合到电源线或信号线上的装置,用于传导敏感度。
其结构与电流卡钳大体相同,只是初级为多匝线圈,次级为被试验导线。
4.功率吸收钳
这是一种能沿着设备电源线移动的装置,用以测量该设备电源线上产生的干扰功率。其工作原理与电流卡钳基本相同。当干扰信号频率超过30MHz时,信号在电源线、信号线和互联线上的辐射能力加强,用电流卡钳测量误差增加,此时可以用功率吸收钳测量。
4.5无线工频电磁场测量系统
随着近几年人们对工频电磁辐射测量及防护技术的重视,电磁测量技术也得到了较快的发展。国内目前常用的电磁兼容设备大多数是国外进口的,常见的电磁兼容设备有加拿大EMSCAN公司用于PCB板的电磁扫描EMSCAN分析仪,CASSPER公司的CASSPEREMISystem及美国DSII公司的EMI、TEMPEST电磁分析仪等。这些产品对于高频辐射大都具有较好的性能,虽然有些具有低频的测量分析功能,但是仍然存在功能上的不足,并且上述几个公司的电磁测量分析仪的设备体积与重量相对比较大,移动不够灵活,其次是价格比较昂贵。
国内虽然有一些研究单位进行过工频电磁辐射测量仪器的研究,但到目前为止还没有研制出性能稳定、测量准确的装置。例如,国家电力公司劳动保护研究所与武汉高压研究所虽然共同进行了工频磁场探头的研制,但装置相对较大而且对电场探头却无法得到令人满意的结果。北京科环世纪电磁兼容技术有限责任公司虽然有成熟的产品在国内销售,但其产品主要为无线电干扰测试设备,对工频部分也无能为力。
下面介绍一种作者研究设计的无线工频电磁辐射测量仪器。
4.5.1测量系统工作原理
测量系统由硬件系统和软件系统两部分构成。硬件系统包括测量探头、两组无线通信器及计算机等。软件系统具有数据读取、存储及频谱分析等功能。整套测量系统的工作原理为:
测量探头感应的数据信号经过光/电转换模块变成光信号,再通过光纤将光信号传输至无线测量通信器A,无线测量通信器A将光信号再转变为电信号经发射模块发送至连接在计算机上的无线测量通信器B,通信器B再将数据从串口输入计算机并由测试软件分析系统进行数据读取、存储等综合分析处理。