gtem小室：2.5 射频辐射电磁场抗扰度试验【电磁兼容EMC原理、设计与故障排除】

笔者电子信息专业硕士毕业，获得过多次电子设计大赛、大学生智能车、数学建模国奖，现就职于南京某半导体芯片公司，从事硬件研发，电路设计研究。对于学电子的小伙伴，深知入门的不易，特开次博客交流分享经验，共同互勉！全套资料领取扫描文末二维码！

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目录

2.5 射频辐射电磁场抗扰度试验

2.5.1 试验目的

2.5.2 主要试验设备及必备条件

2.5.3 试验方法及试验配置

2.5.4 试验等级

2.5.5 GTEM小室

2.5 射频辐射电磁场抗扰度试验

射频辐射电磁场抗扰度试验的国家标准为GB/T 17626.3（国际标准IEC 61000-4-3与之等同）。

2.5.1 试验目的

射频辐射电磁场对设备的干扰往往是由设备操作、维修和安全检查人员使用移动电话、无线电台、电视发射、移动无线电发动机等电磁辐射源产生的（以上属有意发射），汽车点火装置、电焊机、晶闸管整流器、荧光灯工作时产生的寄生辐射（以上属无意发射）也都会产生射频辐射干扰。测试的目的是建立一个共同的标准来评价电气和电子产品或系统的抗射频辐射电磁场干扰的能力。

目前人们生活中不可缺少的手机产品，已经被标准作为辐射源的考虑重点，这一方面是由于当前手机的使用十分普遍，另一方面是由于手机的使用者与设备之间的距离比较近，因此手机对设备产生的辐射干扰在局部范围内非常强。

2.5.2 主要试验设备及必备条件

2.5.2.1 主要试验设备

① 信号发生器（主要指标是带宽、带调幅功能、能手动或自动扫描、扫描步长及扫描点上的留驻时间可设置、信号的幅度能自动控制等）。

② 功率放大器（要求在1m法、3m法或10m法的情况下，能达到标准规定的场强。对于小产品，也可以采用1m法进行测试，但当1m法和3m法的测试结果有出入时，以3m法为准）。

③ 天线（在不同的频段下使用对数周期天线和双锥天线，目前已有可在全频段内使用的复合天线）。

④ 场强测试探头。

⑤ 场强测试与记录设备。在基本仪器的基础上再增加一些辅助设备（比如电脑、功率计、场强探头的自动行走机构等），可构成一个完整的自动测试系统。

⑥ 电波暗室。为了保证测试结果的对比性和重复性，要对测试场地的均匀性进行

 2.5.2.2 试验场地

试验应在电波暗室中进行。电波暗室相对受试设备来说，应具有足够的空间，而且在受试设备周围空间还要有均匀场的特性。电波暗室的均匀性每年校准一次。另外，每当暗室内的布置发生变化时（如更换吸波材料，试验位置的移动或试验设备的改变等），也要重新校准。

天线与受试设备间的距离取决于受试设备的大小。对小的受试设备来说，即使天线与受试设备间距离小至1m，也足够保证受试设备正面辐照区的场的均匀性，这时可以采用1m法进行试验，从而选用更大的试验场地。

这里对几米的测量距离的规定是：对数周期天线是天线顶端到受试设备正面的距离；双锥天线是天线中央到受试设备正面的距离。

标准规定受试设备与产生电磁场的天线距离不得小于1m。受试设备与天线之间的最佳距离是3m。当对试验的距离有争议时，应优先使用3m法。但对大型设备，即使采用3m法试验，也难以保证受试设备正面辐照区场的均匀性，这时则应使用更大的电波暗室，更长的试验距离。

2.5.2.3 信号发生器产生的波形

标准规定，试验频率为80～1000MHz。除试验频率范围外，标准还要求用1kHz的正弦波对载波频率进行调幅，调制深度80%，为的是模拟语音信号对载波频率的幅度调制情况。调幅波的采用使得试验严酷度提高了很多，这是因为辐射波的瞬时功率与只用载波信号的辐射情况相比大了将近4倍。试验波形见图2-13。

Vp-p＝2.8V      Vp-p＝5.1V

Vrms＝1.0V     Vrms ＝1.12V   Vmaximum rms＝1.8V

 图2-13 信号发生器产生的波形

2.5.3 试验方法及试验配置

2.5.3.1 试验布置

受试设备应该尽可能地在接近实际安装条件的情况下进行试验，布线也要按照制造商推荐的方式进行布局。除非另外说明，受试设备应该放置在其外壳内，所有的盖板应盖上。当受试设备被设计成要正常安装在机架或机柜里时，受试设备就应在这种状态下进行试验。

对不需要金属接地平面的受试设备，在摆放这个设备时，应该选用不导电的非金属材料来制作支架，但该设备外壳的接地还是应当按照制造商所推荐的安装规范进行。

当受试设备由台式和落地式部件组成时，要注意保持它们之间的相对位置。对于台式受试设备，应放在0.8m高的非金属工作台上，它可以防止受试设备的偶尔接地及产生场失真。台式设备布置如图2-14所示。EUT应放置在一个0.8m高的绝缘试验台上。使用非导体支撑物可防止EUT偶然接地和场的畸变，支撑体应是非导体，而不是由绝缘层包裹的金属构架。

 图2-14 台式设备布置

落地式设备的布置如图2-15所示。落地式设备应置于高出地面0.1m的非导体支撑物上，使用非导体支撑物可防止EUT偶然接地和场的畸变，支撑体应是非导体，而不是由绝缘层包裹的金属构架。

 图2-15 落地式设备的布置

注：图中为了简明而省略了墙上的吸波材料。

2.5.3.2 布线

如果对EUT的进、出线没有规定，则使用非屏蔽平行导线。从EUT引出的连线暴露在电磁场中的距离为1m。

EUT壳体之间的布线按下列规定：

① 使用生产厂规定的导线类型和连接器；

② 如果生产厂规定导线长度不大于3m，则按生产厂规定长度用线，导线捆扎成1m长的感应较小的线束；

③ 如果生产厂规定导线长度大于3m或未规定，则受辐射的线长为1m，其余长度为去耦部分（比如套上射频损耗铁氧体管）。

采用电磁干扰滤波器不应妨碍EUT运行，使用的方法在试验报告中记录。EUT的边线应平行于均匀域布置，以使影响最小。所有试验结果均应附有连线、设备位置及方向的完整描述，使结果能够被重复。

外露捆绑导线的那段长度应按能基本模拟正常导线布置的方式，即绕到EUT侧面，然后按安装说明规定向上或向下布线。垂直、水平布线有助于确保处于最严酷的环境。

2.5.3.3 试验方法

试验的扫频范围为80～1000MHz，使用校准过程中所确定的功率电平，并以1kHz的正弦波来进行调幅，调制深度为80%。扫频速率不超过1.5×10-3十倍频程/s。若扫频是以步进方式进行的，则步进幅度不超过前一频率的1%，且在每一频率下的停顿时间应不小于受试设备对干扰的响应时间。作为替代，扫频的频幅也可以取前一频率的4%，但此时的试验场强要比前一个方案提高一倍。但试验存在争议时应以前一个方案为准。

受试设备最好能放在转台上，以便让受试设备的4个面都有机会朝对天线来接受试验（受试设备不同面上抗干扰能力是不同的）。受试设备在一个朝对面上要做两次试验:一次是天线处在垂直位置上；另一次是天线处在水平位置上。若受试设备在不同位置上都能使用，则这个受试设备的6个面都要依次朝对发射天线来做此试验。

2.5.4 试验等级

（1）一般试验等级

表2-8所示为频率范围为80～1000MHz的优选试验等级。

表2-8 80～1000MHz的优选试验等级

注：1. ×是一个开放级，可在产品规范中规定。

2. 表2-8中给出的是未经调制的信号场强，作为试验设备，要用1kHz的正弦波对未调制信号进行深度为80%的幅度调制。

3. 有关产品标准化技术委员会可以在GB/T 17626.3和GB/T 17626.6之间选择比80MHz略高或略低的过渡频率。

4. 有关产品标准化技术委员会在试验中也可以根据需要选择其他调制方式。 

（2）保护（设备）抵抗数字无线电话的射频辐射设定的试验等级

表2-9所示为针对数字无线电话的射频辐射设定的试验等级。

表2-9 针对数字无线电话的射频辐射设定的试验等级

 注：1.×是一个开放级，可在产品规范中规定。

2. 表2-9中给出的是未经调制的信号场强，作为试验设备，要用1kHz的正弦波对未调制信号进行深度为80%的幅度调制来模拟实际情况。

3.如果产品仅需符合有关方面的使用要求，则1.4～2.0GHz的试验范围可缩至仅我国规定的具体频段，此时应在试验报告中反映出这一决定。

4.产品标准化技术委员会应对每一频率范围规定合适的试验等级。在此提到的频率范围中，只需对两个试验等级中较高的一个进行试验。

2.5.5 GTEM小室

GTEM小室是近年来才发展起来的新型电磁兼容试验设备，又称吉赫兹（GHz）横电磁波室，它的工作频率范围可以从直流至数吉赫兹以上，内部可用场区较大，最主要的是小室本身与其配套设备的总价相对合理性价比很高，大多数企业都能接受。因此GTEM小室在国内取得了长远的发展，对于外形尺寸不太大的产品（如电能表和开关电源等）来说，不失为开展射频辐射电磁场抗扰度试验的首选方案。

2.5.5.1 GTEM小室的构造

GTEM小室是根据同轴及非对称矩形传输线原理设计而成的。GTEM小室在外形上看是一个尖尖的锥形，这样设计的目的是为了防止内部电磁波的谐振和反射，信号通过一个N型同轴接头输入，接头内部中心导体展平成一块扇形板，就是我们常说的芯板。芯板的终端采用了分布式电阻匹配网络，为的是保证球面波（由于所设计的张角很小，因而该球面波近似平面波）从输入端到负载端的传播特性，从而成为无反射终端。GTEM小室的内部还装有吸波材料，用它对高端频率的电磁波做进一步吸收。因此在小室的芯板和底板之间产生了一个均匀场强的测试区域。试验时，受试设备放置在测试区中，为了保证受试设备的放置对场的均匀性影响最小，受试设备最好不要超过芯板和底板之间距离的1/3。图2-16所示是GTEM小室的外形、典型工作特性及结构简图。

 图2-16 GTEM小室的外形、典型工作特性及结构简图

2.5.5.2 用GTEM小室进行射频辐射电磁场抗扰度试验

GTEM小室的射频辐射电磁场抗扰度试验系统如图2-17所示，主要由信号源、功率放大器、场强监视器、计算机及操控软件、GTEM小室组成。

在图2-17中，当信号源经过功率放大器放大后注入GTEM小室的输入端，在芯板和底板之间形成较强的均匀电磁场，用放置在受试设备附近的电场监测探头来监测该场强，然后反馈给计算机得到输入功率值，计算机再调节信号源输出幅值，保证小室内的场强值符合要求。测控软件控制信号源按照标准的步长进行辐射场的频率扫描。小室内安装有摄像头，试验人员可在GTEM小室外通过监视器，观看受试设备在射频电磁场干扰下的工作情况。

操作方法：

① 将受试设备放置在GTEM小室内。

② 打开信号源，通过功率放大器在GTEM小室内建立均匀电磁场。

③ 确定扫频频率范围及调制方式、调制深度。

④ 调整信号源输出幅值。

⑤ 重复步骤③、④，通过观测判定受试设备的射频电磁场辐射抗扰度。

图2-17 采用GTEM小室的射频辐射电磁场抗扰度试验系统

2.5.5.3 用GTEM小室进行辐射发射试验 

GTEM小室理论上也可以进行辐射发射值的测试。小室内芯板和底板可以代替暗室测试中的天线，接收受试设备工作过程中产生的辐射发射。将GTEM小室前端的N型接头连接到EMI接收机输入端，通过EMI接收机测试受试设备工作过程中电磁干扰的辐射发射值。再通过计算机和处理软件判定受试设备辐射发射的测试结果。注意，GTEM小室在测试前需要和开阔场或电波暗室进行对比校准，从中找出规律（建立数学模型），通过测试软件进行必要的修正，这样才能作为辐射发射测试使用。另外，受试设备在GTEM小室中摆放的位置（也就是说在芯板与底板之间相对距离的不同），也会导致测试结果不同，试验人员必须充分注意。

在GTEM小室内做辐射发射试验的操作方法如下：

① 将受试设备置于GTEM小室内。

② 将EMI接收机连接到GTEM小室前端的N型接头上，并打开电源。

③ 按照测试标准要求，设置接收机的扫频范围、检波方式及分辨率带宽等。

④ EMI接收机测试受试设备的辐射干扰电平值。

⑤ 通过计算机及软件进行数据分析及处理，得到最终测试结果。

无论是做射频辐射电磁场抗扰度试验，还是做辐射发射试验，都有一个极化问题。在开阔场和电波暗室中测试时，是通过改变测试天线的方向来实现的；但是，GTEM小室里是利用芯板和底板作为天线使用的，它们的位置是不能变化的。要想改变电磁场的极化方向，需要通过人为地改变受试设备相对于芯板和底板的摆放方向来实现。

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笔者电子信息专业硕士毕业，获得过多次电子设计大赛、大学生智能车、数学建模国奖，现就职于南京某半导体芯片公司，从事硬件研发，电路设计研究。对于学电子的小伙伴，深知入门的不易，特开次博客交流分享经验，共同互勉！