车辆电磁兼容基础：电磁骚扰测量设备

1.频谱分析仪

频谱分析仪的本机扫频振荡器是电压调谐振荡器，由控制扫描用的锯齿波电压来控制其振荡频率。本地振荡器的每一个谐振频率，经过混频和中频放大器的选频作用，在检波器的输出端得到输入信号中对该频率的分量，就可以连续得到输入信号中与本振扫频范围内各频率相对应的谐波分量值，并通过示波器显示出被测信号在扫频范围内的频谱图。由于频谱分析仪的检波方式为峰值检波，虽然满足军标要求，但不满足GISPR及我国有关电磁兼容性国家标准规定的极限值测量，所以需在输入端配置射频预选器以防止混频器饱和，改善频谱分析仪的信噪比，提高灵敏度。频谱分析仪是一台在一定频率范围内扫描接收的接收机，它的原理图如图6-19所示。

频谱分析仪采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的输入信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间输出的频率是不同的。当本地振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度。将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。根据这个频谱，就能够知道被测设备是否有超过标准规定的干扰发射，或产生干扰的信号频率是多少。

图6-19 频谱分析仪的原理框图

频谱分析仪在电磁兼容测试方面的主要功能是测量信号的大小或振幅，频谱分析仪可以检测到发射设备的中心频率、谐波和杂波输出情况。测试时首先用频谱分析仪进行全频段检查，即使用频谱分析仪在30Hz～18GHz频段范围内进行扫频测量。对发射机的中心频率和谐波、杂波进行初步测试，记录测试频谱图和所有频谱对应的电平值，将电平值乘以耦合系数就得到发射机发射频谱概况；然后找到中心频率，降低频谱分析仪的扫频宽度，调整分辨带宽，必要时调整频谱分析仪的参考电平，来分析信号的细节；判别出调制方式、调制信号基本特征；再对所有杂波进行同样的细节分析，以尽可能全面地掌握发射机的发射情况和特征。发射机的高次谐波一般都没有或者很小。测量高次谐波时，先将频谱分析仪的中心频率设置到计算出的谐波频率上，设置频宽为较小的值（几百千赫到几兆赫），逐步降低分辨带宽，提高频谱分析仪的灵敏度，直至测量出信号或频谱分析仪达到测量所需要的最高灵敏度。

有些设备没有耦合输出端，发射功率往往也很大，频谱分析仪不能对信号输出端直接测量，这种情况下需要进行空间耦合测试。空间耦合频谱测试框图如图6-20所示，在发射机周围利用天线进行耦合测量，测量结果用天线增益修正后，即可得到各频率相对电平。如果没有测试天线也可以将一节短导线插在频谱分析仪输入端同轴电缆的芯线上进行空间耦合，但是这种耦合方式只能做定性检查，电平幅值没有实际应用价值。

频谱分析仪的主要供货商有安捷伦及罗德和施瓦茨（R&S）公司。图6-21是安捷伦公司的4446A PSA系列频谱分析仪，测量带宽为3～44GHz。R&S公司生产的频谱仪FSQ（图6-22）提供频率范围为9kHz～40GHz，具有准确的频谱分析功能，采用了最新的数字频率综合技术。

2.EMI接收机

测量接收机组成框图如图6-23所示，其各部分功能如下：

（1）输入衰减器 可将外部进来的过大的信号或干扰电平衰减，调节衰减量大小，保证输入电平在测量接收机可测范围之内，同时也可避免过电压或过电流造成测量接收机的损坏。

图6-21 安捷伦公司4446A PSA频谱仪

图6-22 R&S公司生产的频谱仪FSQ

（2）校准信号发生器 测量接收机本身提供的内部校准信号发生器，可随时对接收机的增益进行自校，以保证测量值的准确，普通接收机布局有校准信号发生器。

（3）高频放大器 利用选频放大原理，仅选择所需的测量信号进入下级电路，而外来的各种杂散信号（包括镜像频率信号、中频信号和交调谐波信号等）均排除在外。

（4）混频器 将来自高频放大器的高频信号与来自本地振荡器的信号合成产生一个差频信号输入中频放大器，由于差频信号的频率远低于高频信号频率，使中频放大器增益得以提高。

图6-23 测量接收机组成框图

（5）本地振荡器 提供一个频率稳定的高频振荡信号。

（6）中频放大器 由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频带宽度，又能获得较高的增益，因此可保证接收机的总选择性和整机灵敏度。

（7）检波器 测量接收机的检波方式与普通接收机有很大的差异。测量接收机除可接收正弦信号外，更常用于接收脉冲干扰信号，因此测量接收机除具有平均值检波功能以外还增加了峰值检波和准峰值检波功能。

（8）输出指示 以前的测量接收机采用表头指示电磁干扰电平，并用扬声器播放干扰信号的声响。现在已广泛采用液晶数字显示代替表头指示，且具备程控接口，使测量数据可存储在计算机中进行处理或打印出来供查阅。

接收机测量信号时，先将仪器调谐于某个测量频率f_i，该频率经高频衰减器和高频放大器后进入混频器，与本地振荡器的频率f₁混频，产生很多混频信号。经过中频滤波器后仅得到中频f₀=f₁-f_i。中频信号经中频衰减器、中频放大器后由包络检波器进行包络检波，滤去中频，得到低频信号A（t）。A（t）再进一步进行加权检波，根据需要选择检波器，得到A（t）的峰值（peak）、有效值（rms）、平均值（ave）或准峰值（QP）。这些值经低频放大后在屏幕显示出来。

测量接收机测量的是输入到其端口的信号电压，为测场强或干扰电流需借助一个换能器，在其转换系数的帮助下，将测到的端口电压转换成场强（单位为μV/m或dB_μV/m）、电流（单位为A或dBμA）或功率（单位为W或dBm）。按照测量对象的不同，换能器可以是天线、电流探头、功率吸收钳或电源阻抗稳定网络等。

3.测量接收机与频谱仪的区别

频谱仪与测量接收机的硬件结构有很多的共同点：两者都为超外差接收机，都可以用选择频率的方式来测量信号电压。但频谱仪由于下列原因不能独自测量电磁骚扰：

1）由于没有预选，因此当测量低电平信号时，如果有“喀呖”（click）声或瞬变的宽带脉冲信号，或者来自广播发射机和移动无线电设备的固定或间断的窄带信号，可导致过载现象。

2）仪器的分辨率带宽和IF滤波的波形可能因CISPR规定指标（即200Hz、9kHz、120kHz）的不同而不同。因此，宽带信号的峰值不能与民用电磁骚扰发射标准的限值相比较。

3）准峰值检波和相应的机械响应特性不适用于频谱仪，所以经过加权也不能正确评价宽带信号。

4）频谱仪的灵敏度尚不足以完成限值的精确测量。

5）正弦波测量的幅度误差可能超出规定值±2dB。

接收机的主要供货商有罗德与施瓦茨（R&S）公司和安捷伦公司。图6-24所示为R&S公司生产的提供频率范围20kHz～40GHz的EMI测试接收机，综合了频谱仪和测试接收机。它明显的性能是高灵敏度、大动态范围和高测量精度。测试接收机包括测试和全景显示以便估计结果。安捷伦公司生产的N9038接收机如图6-25所示，频率范围为20Hz～8.4GHz和20Hz～26.5GHz，满足CISPR 16-1-1—2010 EMI接收机的要求，同时具有EMI接收机和频谱分析仪的功能。(www.xing528.com)

图6-24 R&S公司生产的EMI测试接收机

图6-25 安捷伦公司生产的N9038接收机

4.骚扰信号接收装置

（1）探头

1）电压探头：是一个高阻抗的电阻分压器，它的输入阻抗必须足够高，因此对测量负载的影响可以忽略不计。它主要用于传导发射骚扰电压的测量。FCC公司开发制造的TK9420、TK9421、TK9422电压探头都是符合CISPR16-1-2的电压探头，如图6-26所示。电压探头一般由一个大于1500Ω的电阻器串联一个阻抗可以忽略的电容器组成，精确测量被测线上交流电源的干扰信号。通常在被测端子与参考地之间的电压探头呈现高射频RF阻抗，因此一般用来测量共模干扰电压。

2）电流探头：是一种流过导线的电流成正比例地转换为电压的耦合装置，用来测量导线中流过的电流，用于传导骚扰电流的测量。FCC公司开发制造的电流探头如图6-27所示，它具有宽带、高灵敏度、大电流的处理能力，可用频率范围涵盖了基本的电源频率。

图6-26 FCC公司生产的电压探头

图6-27 FCC公司生产的电流探头

3）功率吸收钳：当频率超过30MHz时，信号在电源线、信号线、控制线上的辐射能力加强，干扰能量主要通过辐射方式传输。若用电流探头测量，将会产生较大的测量误差。此时可以用功率吸收钳进行测量。功率吸收钳是一种能卡在导线上，又能沿着导线移动的装置，其工作原理与电流探头相同，用以测量被测导线上产生的干扰功率。F-201功率吸收钳（图6-28）完全符合CISPR 14和CISPR 16的标准要求。吸收钳由铁氧体电流转换器和两组铁氧体环组成。铁氧体环的作用是吸收功率，并起到阻抗稳定器的作用，吸收钳的电流互感器输出成比例的电压。

（2）接收天线 用测量接收机或频谱仪测量场强时，必须借用各种天线把被测场强转换为电压。整车及零部件的测试频率为9kHz～40GHz。在这么宽的频率范围测量辐射发射和辐射抗扰度，必须针对不同的频率，选择不同的接收天线进行测试。

1）环形天线：近场区磁场的测量通常采用环形天线，如图6-29所示，线圈输出的电压与电磁波频率、线圈匝数、测试点的磁场强度成正比，主要用于频率为20Hz～9kHz的磁场测量。

图6-28 F-201功率吸收钳

图6-29 环形天线

图6-30 VAMP 9243有源拉杆天线

2）杆天线：德国Schwarzbeck公司生产的有源拉杆天线VAMP 9243（图6-30）由垂直放置的拉杆和阻抗匹配放大器组成，拉杆的标准长度是1m。在9kHz～30MHz的频率范围内，转换因子（天线因子）是一个常数（10dB），和频率无关。它主要用于汽车电气标准CISPR 25（Vehicles，boats and internal combustion engines-Radio disturbance characteristics-limits and meth-ods of measurment for the protection of on-board receivers）的10kHz～30MHz的电场测量，用于MIL-STD-461E（requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of sub-systems and equipment）的RE102的10kHz～30MHz的电场测量。要求测试在屏蔽室内进行。如果是在干燥的空气环境下，也可以在室外测量。

3）双锥天线：双锥天线的两个振子分别为6根金属杆组成的锥形，天线通过传输线平衡转换器将120Ω的阻抗变为50Ω。双锥天线适用于电磁场辐射发射的测量和辐射敏感度的测量。德国Schwarzbeck公司VHBB9124+BBA 9106双锥天线（图6-31）完全符合汽车电气的EMI测试要求，适用标准GJB152A和CISPR25。其低端频率可以到20MHz，在做汽车电子EMI测试时，在30MHz～300MHz的频率范围内使用双锥天线，均可以获得较好的效果。

4）对数天线：对数天线结构类似八木天线，由上下两组振子组成，从长到短交错排列，是一种工作频率更宽的高频带天线，方向性比较强。适用于200MHz～1GHz的电磁场辐射发射和辐射敏感度的测量。德国Schwarzbeck公司的VUSLP 9111B（图6-32）特别适合于依据CISPR 25的测试，频率范围可达200MHz～2.5GHz。

图6-31 VHBB9124+BBA 9106双锥天线

图6-32 VUSLP 9111B对数天线

5）双脊喇叭天线：双脊喇叭天线是标准的增益天线，用于微波段的宽频带电磁辐射发射和辐射敏感度的测量，功率容量大，方向图易于控制。BBHA 9120D双脊宽带喇叭天线（图6-33），测试频率可达1～18GHz，适用标准GJB152A。

6）喇叭天线：喇叭天线（图6-34）的使用频段由馈电口的波导尺寸决定，方向性、驻波比及增益等均优于双脊天线，常用于1GHz以上高场强（200V/m）的辐射灵敏度测量。喇叭天线常用于18～40GHz的频率测量。

图6-33 BBHA 9120D双脊宽带喇叭天线

图6-34 喇叭天线