俞勇祥， 馬 皓

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

一款成熟的電子產(chǎn)品，除了需要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品本身的功能設(shè)計(jì)，還需要考慮其電場(chǎng)、磁場(chǎng)和熱分布等方面的特性。電場(chǎng)設(shè)計(jì)可以通過合理的安全距離和有效的絕緣手段來控制，熱分布可以通過初期的熱阻和損耗估算來控制，但電磁輻射的產(chǎn)生與電路的工作頻率、功率、拓?fù)?、線路布局甚至是材料都息息相關(guān)，在設(shè)計(jì)初期難以估算，且其出現(xiàn)的位置具有廣泛性，除了常見的變壓器、電機(jī)等磁性元件[1]外，電磁輻射有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在線纜[2]、散熱器等部位。電磁輻射的出現(xiàn)對(duì)生物[3]以及各種用電設(shè)備都存在一定的危害，隨著電子設(shè)備的增多，電磁輻射在各行業(yè)引發(fā)的危險(xiǎn)也日益顯著。例如與醫(yī)療健康相關(guān)的植入式心臟起搏器[4]和彩超診斷設(shè)備[5]、與定位和通信相關(guān)的5G基站[6]和北斗衛(wèi)星上行信道[7]、與交通相關(guān)的船舶[8]和汽車[9-10]等，都有可能會(huì)受到電磁輻射的干擾而出現(xiàn)工作異常。因此，進(jìn)行電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)研究具有重大意義[11]，其目的是查找電磁輻射源、降低電磁輻射、增強(qiáng)設(shè)備抗干擾性，使各種用電設(shè)備能夠在一定的條件下實(shí)現(xiàn)共存，各自工作而不互相干擾。

作為電磁兼容的一個(gè)重要分支，電磁兼容測(cè)試是查找電磁輻射源、評(píng)估電磁干擾等級(jí)的一種有效手段[12-13]。利用電磁兼容掃描平臺(tái)(EMC Scanner)，可以對(duì)小到單個(gè)電子元器件、電路板，大到設(shè)備整機(jī)進(jìn)行周邊磁場(chǎng)精確測(cè)量，通過正常工作狀態(tài)下被測(cè)設(shè)備周邊電磁場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)弱來反映其對(duì)周圍電子設(shè)備干擾的強(qiáng)弱，能夠快速定位電磁輻射來源，是電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中非常重要的設(shè)備儀器。本文改造的電磁兼容掃描平臺(tái)如圖 1所示，該平臺(tái)是從瑞典引進(jìn)的大型貴重儀器設(shè)備。該設(shè)備自投入運(yùn)行以來，雖情況良好，但在實(shí)際使用中還存在一些問題，例如探頭進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部輻射掃描時(shí)，只能沿Z軸伸長(zhǎng)，最大的測(cè)量面積和設(shè)備內(nèi)部探測(cè)深度有限；沒有用于固定被測(cè)物件的支架，在每次進(jìn)行測(cè)試時(shí)，只能進(jìn)行臨時(shí)的固定，造成固定位置的不精確甚至出現(xiàn)被測(cè)設(shè)備被探頭推倒的情況，會(huì)直接影響測(cè)試效果。由于這些問題的存在，使得電磁兼容掃描平臺(tái)的正常使用受到了很大的制約。針對(duì)市場(chǎng)上電磁兼容被測(cè)件的測(cè)量尺寸、深度、方向等方面開展了調(diào)研，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了一組水平測(cè)量探頭，多組探頭之間切換快捷、結(jié)構(gòu)牢固、角度精確。通過軟件參數(shù)匹配，改造后的探頭測(cè)量速度快且精準(zhǔn)。同時(shí)增設(shè)了一對(duì)通用性固定架，采用可移動(dòng)軌道方式，可在任意位置固定被測(cè)件，極大地提高了設(shè)備靈活性。

圖1 電磁兼容掃描平臺(tái)原探頭及機(jī)構(gòu)

1 EMC掃描平臺(tái)改進(jìn)方案

1.1 測(cè)量范圍及靈活性優(yōu)化

從圖1可以看出，傳統(tǒng)EMC掃描平臺(tái)的測(cè)試探頭沿Z軸(空間垂直軸)放置，測(cè)試時(shí)探頭會(huì)在XY軸平面進(jìn)行移動(dòng)掃描。若被測(cè)件由多塊電路板平行組裝而成，當(dāng)精確查找被測(cè)件內(nèi)部EMC輻射源時(shí)，需要探入被測(cè)件內(nèi)部電路板之間進(jìn)行掃描。但是很多這類被測(cè)設(shè)備都有金屬外殼，探頭只能通過拆除前置面板后探入，所以需要將設(shè)備翻轉(zhuǎn)讓前置面板朝上。這樣一來，往往在設(shè)備背面的散熱風(fēng)扇就會(huì)被測(cè)試平臺(tái)擋住，從而影響設(shè)備運(yùn)行。且EMC 掃描平臺(tái)的Z軸測(cè)試范圍內(nèi)最大移動(dòng)距離為20 cm，對(duì)被測(cè)設(shè)備的縱深限制較大。為了提高EMC掃描平臺(tái)的測(cè)試范圍和測(cè)試適應(yīng)性，在原有EMC掃描平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加了一組與掃描平臺(tái)XY軸平面平行的探頭，具體結(jié)構(gòu)如圖 2所示，使之不僅可以沿Z軸伸入設(shè)備進(jìn)行掃描，同時(shí)也可以沿X軸或Y軸進(jìn)行被測(cè)件內(nèi)部掃描，且最大測(cè)量縱深限制由原來的20 cm擴(kuò)大至60 cm。

圖2 與掃描臺(tái)面平行的探頭結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)有的EMC掃描平臺(tái)所附帶的配件都經(jīng)過專門的阻抗匹配和軟件參數(shù)調(diào)整匹配，確保了測(cè)量結(jié)果的精確度。為了在保證測(cè)量精度的前提下達(dá)到改造目的，探頭的改造不能破壞現(xiàn)有設(shè)備配件的屏蔽層以免引入測(cè)量誤差，應(yīng)以最小的改動(dòng)實(shí)現(xiàn)探頭轉(zhuǎn)向。同時(shí)為了便于EMC掃描平臺(tái)在探頭垂直和水平測(cè)量模式之間快捷切換，本文基于BNC直角轉(zhuǎn)接口進(jìn)行探頭改造，而轉(zhuǎn)接頭帶來的系統(tǒng)軟件參數(shù)匹配以及測(cè)量精度影響將會(huì)在第2節(jié)詳細(xì)分析。

1.2 被測(cè)件固定方案優(yōu)化

(1) 固定架材料特性分析。

根據(jù)材料的電磁特性，多數(shù)材料存在于磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)對(duì)磁場(chǎng)的分布造成一定的影響。利用EMC掃描平臺(tái)測(cè)試了被測(cè)件固定在磁芯、鋼板、鋁板、環(huán)氧板等常見材料上時(shí)的電磁場(chǎng)分布情況，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)固定材料為鋼板、鋁板等金屬材料以及磁芯等高磁導(dǎo)率材料時(shí)，一旦被測(cè)件輻射源靠近固定架，則其周邊的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)存在一定程度的變化，且磁場(chǎng)分布也隨之改變。本文以圓環(huán)線圈為輻射源，利用ANSYS 3D有限元仿真軟件對(duì)輻射源周邊放置不同材料時(shí)的空間磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真，如圖3所示。

圖3 圓環(huán)線圈輻射源在不同材質(zhì)附近時(shí)空間磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

當(dāng)圓環(huán)線圈周邊無遮擋物時(shí)，即輻射源周邊僅為空氣或真空狀態(tài)，其空間磁場(chǎng)強(qiáng)度分布呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)；當(dāng)圓環(huán)線圈附近有高電導(dǎo)率的金屬材料(如鋁等)時(shí)，則會(huì)在鋁板上產(chǎn)生感應(yīng)渦流，且鋁板本身會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行反射和折射，最終表現(xiàn)為鋁板對(duì)磁場(chǎng)具有屏蔽效果；當(dāng)圓環(huán)線圈附近放置軟磁鐵氧體等高磁導(dǎo)率材料時(shí)，則會(huì)因高磁導(dǎo)率材料提供的低磁阻磁通路徑而改變磁場(chǎng)傳播方向。

對(duì)多種材料進(jìn)行磁場(chǎng)影響測(cè)試和強(qiáng)度檢驗(yàn)后，最終選定環(huán)氧板作為固定架的制作材料，該材料具有高電阻率和高磁阻率，對(duì)磁場(chǎng)不存在干擾，同時(shí)具備耐高溫性和高強(qiáng)度特性。將輻射源放置在環(huán)氧板上的空間磁場(chǎng)特性與輻射源周邊為空氣時(shí)一致，如圖3(a)所示。

(2) 固定夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

使用EMC掃描平臺(tái)時(shí)多數(shù)被測(cè)件為成品電路板，一般會(huì)設(shè)計(jì)螺絲孔，便于組裝時(shí)用螺絲固定到機(jī)箱內(nèi)部，所以固定架可以采取開孔設(shè)計(jì)將環(huán)氧板改造成沖孔環(huán)氧板。進(jìn)行EMC掃描時(shí)可以根據(jù)電路板上的螺絲孔位置選取固定架上對(duì)應(yīng)的沖孔，并用絕緣塑料螺柱進(jìn)行固定。一些不規(guī)則形狀的被測(cè)件也可以采用塑料螺柱作為支撐桿的方式進(jìn)行固定。對(duì)于一些單一的小型元件,測(cè)量時(shí)可以用塑料扎帶進(jìn)行固定。通過對(duì)沖孔板孔洞大小和間距進(jìn)行調(diào)研可知，選擇30 mm的間距以便于不同被測(cè)件的固定，從而提高了系統(tǒng)適應(yīng)性和便捷性。

確定固定架材質(zhì)和被測(cè)件固定方式后，需要對(duì)固定架與掃描平臺(tái)連接進(jìn)行連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在確保固定架穩(wěn)固且具有一定的固定強(qiáng)度基礎(chǔ)上提高固定架的可移動(dòng)性和位置精確度。為了增強(qiáng)固定架的位置靈活性，固定架被增設(shè)在了EMC掃描平臺(tái)上移動(dòng)范圍最大的X軸方向的兩端，如圖 4中的A、B件所示。

圖4 EMC掃描平臺(tái)兩端增加固定被測(cè)物件的通用性固定架A、B

2 EMC掃描平臺(tái)具體改造

2.1 探頭改造

EMC掃描平臺(tái)原有探頭如圖 5(a)所示，由于其本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，原有探頭比較適合測(cè)試被測(cè)物體的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度。若是需要測(cè)量圖 5(b)所示的設(shè)備內(nèi)部磁場(chǎng)輻射源，則需要將設(shè)備倒置，將探頭從Z軸伸入設(shè)備內(nèi)部。但如前所述，由于設(shè)備存在風(fēng)道設(shè)計(jì)、最大縱向深度等問題，部分被測(cè)件(如帶機(jī)箱被測(cè)件)工作時(shí)要求設(shè)備只能平放，工作時(shí)不允許倒置，會(huì)給EMC掃描帶來難度。圖 6(a)為改造后的探頭結(jié)構(gòu)，在探頭接口處增加了一個(gè)直角轉(zhuǎn)換接頭，使探頭可以在水平方向上延展，所以可以在水平范圍內(nèi)深入到被測(cè)件內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，同樣的多層結(jié)構(gòu)被測(cè)件就不需要倒置進(jìn)行測(cè)試，如圖 6(b)所示，這為多層結(jié)構(gòu)被測(cè)對(duì)象的EMC掃描提供了極大的便利。

圖5 探頭改造前示意圖

圖6 探頭改造后示意圖

2.2 軟件設(shè)置匹配

EMC掃描平臺(tái)常年使用后移動(dòng)精度下降，存在移動(dòng)位置偏移情況，如圖 7所示，容易出現(xiàn)探頭原點(diǎn)(X=0,Y=0,Z=0)位置偏移，軟件設(shè)置移動(dòng)至(600,400,0)時(shí)實(shí)際移動(dòng)距離與理論距離不符等問題，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行軟件參數(shù)重新匹配。且使用直角轉(zhuǎn)接頭后，探頭真實(shí)原點(diǎn)會(huì)與Z軸在掃描臺(tái)上投影位置存在固定的水平偏差，所以還需要另外定義一套適用于水平探頭的軟件測(cè)試參數(shù)用于垂直測(cè)試模式和水平測(cè)試模式的切換。

經(jīng)多次調(diào)整校驗(yàn)之后，系統(tǒng)偏移的依據(jù)參數(shù)如表 1所示。該參數(shù)同時(shí)適用于垂直測(cè)試模式和水平測(cè)試模式，且需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖7 設(shè)備探頭偏移問題

表1 EMC掃描平臺(tái)軟件系統(tǒng)偏移參數(shù)校準(zhǔn)

校準(zhǔn)后的原點(diǎn)補(bǔ)償參數(shù)如表 2所示，該套參數(shù)默認(rèn)為水平探頭延伸方向?yàn)閄軸。若需進(jìn)行Y軸方向延伸測(cè)試，則需要將補(bǔ)償差值調(diào)整至Y軸的原點(diǎn)編移。

表2 EMC掃描平臺(tái)原點(diǎn)補(bǔ)償參數(shù)校準(zhǔn)

校準(zhǔn)后的探頭在不同輸入坐標(biāo)下定位如圖 8所示，與設(shè)定值相符。

圖8 探頭調(diào)整后移動(dòng)情況

2.3 轉(zhuǎn)接探頭對(duì)測(cè)量影響測(cè)試

EMC掃描平臺(tái)所提供的近場(chǎng)探頭連接線可以通過增加多節(jié)延長(zhǎng)桿來適配不同的垂直測(cè)量范圍需求，所以EMC掃描平臺(tái)本身對(duì)連接線的阻抗做了一定的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。本次掃描平臺(tái)改造采用的轉(zhuǎn)接頭為標(biāo)準(zhǔn)BNC轉(zhuǎn)接件，其具有較低的接觸阻抗和較好的屏蔽效果，理論上對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)造成影響。為了測(cè)試轉(zhuǎn)接頭對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)值的影響，搭建了圖 9(a)和圖9(b)所示的校準(zhǔn)平臺(tái)。在保證探頭和被測(cè)件(2.5 mH電感)相對(duì)位置不變的情況下(如圖 9(c)和圖9(d)所示)，通過信號(hào)發(fā)生器在被測(cè)件上施加交流正弦信號(hào)，以原有探頭平臺(tái)為基準(zhǔn)來校準(zhǔn)改造后的探頭，測(cè)試平臺(tái)具體參數(shù)如表 3所示。經(jīng)過多組頻段測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接頭對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度沒有影響，故靈活使用轉(zhuǎn)接頭可有效提高系統(tǒng)檢測(cè)能力和范圍。

表3 轉(zhuǎn)接頭影響測(cè)試平臺(tái)參數(shù)

圖9 探頭校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)

2.4 固定架設(shè)計(jì)

如第1節(jié)所述，為了便于一些被測(cè)件的固定，在掃描平臺(tái)的X軸方向兩端增加了可以用于固定大小不同的被測(cè)物件的通用性固定架，如圖 10所示。固定架采用環(huán)氧板材質(zhì)，做成沖孔板結(jié)構(gòu)。固定架與EMC掃描平臺(tái)通過圖 10(b)所示的特制鋁合金滑塊進(jìn)行連接，鋁合金滑塊內(nèi)部開槽，可以保證固定架在EMC掃描平臺(tái)原有滑軌上進(jìn)行平行滑動(dòng)，當(dāng)固定架移動(dòng)到預(yù)定位置后再通過緊固螺絲將其穩(wěn)定地固定在預(yù)定位置。

圖10 EMC掃描平臺(tái)加裝固定架結(jié)構(gòu)示意圖

固定支架的增設(shè)使系統(tǒng)可為一些需要垂直放置但直立不穩(wěn)的被測(cè)件的固定提供了很大的便利，實(shí)際測(cè)量時(shí)可以根據(jù)被測(cè)件上的螺絲孔位置選取固定板上對(duì)應(yīng)的沖孔，用塑料螺柱或者扎帶進(jìn)行固定。新型固定架的增設(shè)同時(shí)還可以擴(kuò)大EMC掃描平臺(tái)的使用功能，例如輔助無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大尺寸、大氣隙非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)一直是空間磁場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，基于EMC掃描平臺(tái)，可以直觀測(cè)量空氣中的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行松散耦合變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖 11所示。

圖11 利用EMC掃描平臺(tái)對(duì)無線充電進(jìn)行優(yōu)化

3 結(jié)束語

本文對(duì)現(xiàn)有EMC掃描平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，并據(jù)此增設(shè)了一組與掃描平臺(tái)平行的探頭，使探頭既可以在垂直面上進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部平移掃描，也可以在水平面上進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部平移掃描，大幅提升了平臺(tái)掃描范圍，為多層結(jié)構(gòu)設(shè)備的電磁兼容掃描提供了可靠的支持。經(jīng)驗(yàn)證，轉(zhuǎn)接頭的存在對(duì)系統(tǒng)測(cè)量值沒有影響，且使探頭的測(cè)量方式選擇靈活、水平測(cè)試模式和垂直測(cè)試模式更換方便快捷。新型固定支架的增設(shè)為系統(tǒng)被測(cè)件的固定方式提供了多樣化選擇，特別是使一些需要垂直放置但直立不穩(wěn)的被測(cè)工件得到了有效固定，提高了測(cè)試穩(wěn)定性。改造后的EMC掃描平臺(tái)擴(kuò)大了被測(cè)件的測(cè)試范圍和使用方法，使其能夠更好地為本專業(yè)或其他相關(guān)專業(yè)的教師、科研人員和學(xué)生提供電子產(chǎn)品電磁兼容測(cè)試服務(wù)，在節(jié)省大量測(cè)試費(fèi)用的同時(shí)，提高了大型設(shè)備的利用率。