电磁干扰测试接收机传感器的设计.docx
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电磁干扰测试接收机传感器的设计
电磁干扰测试接收机-传感器的设计
摘要
目前我国的电磁兼容设备基本依赖进口。
这些进口设价钱昂贵，操作复杂，使用不便。
所以开发一种针对生产，研发部门使用的EMI测试接收机将大有可为。
本课题就是在这样的背景下提出的，主要任务是结合国情自行设计出操作简单、价格便宜的EMI测试接收机。
本文首先介绍了EMI的来源、传播途径、抑制方法，以及EMI的机理和测试方法；然后结合EMI测试接收机的结构特点，详细阐述了作者对其中传感器这部分的设计，传感器是用来采集电磁信号的，转化成电压信号输入接收机，本课题是在室外进行的，对信号的采集主要通过天线来采集，而本课题要求的频率范围在30MHz到3GHz之间，偶极子天线符合30MHz到3GHz之间的频率，根据这个要求设计天线的尺寸，然后选用ADS软件对其进行仿真设计和分析。
关键词:
EMC测试；EMI测试接受机；偶极子天线；ADS软件
ElectromagneticInterferenceTestReceiver-theDesignoftheSensor
ABSTRACT
Atpresent,China'sdependenceonimportsofbasicelectromagneticcompatibledevices.Lettheseimportsareexpensiveandcomplicatedtooperate,inconvenienttouse.Therefore,forthedevelopmentofaproduction,researchanddevelopmentdepartmentsofEMItestreceiverwillbepromising.Thisissueisraisedinthiscontext,themaintaskistodesignacombinationofconditionsissimple,inexpensiveEMItestreceiver.ThispaperdescribesthesourcesofEMI,transmission,suppressionmethods,aswellasthemechanismofEMIandtestmethods;EMItestreceiverandthencombinedwiththestructuralcharacteristics,theauthorelaboratesonthispartofthedesigninwhichthesensor,thesensorisusedtocollectelectromagneticsignal,convertedintoavoltagesignalinputreceivers,thesubjectisintheoutdoors,theacquisitionofthesignalviatheantennatocollectprimarily,andtherequirementsofthesubjectinthefrequencyrangebetween30MHzto3GHz,30MHztoadipoleantennainaccordancewithfrequenciesbetween3GHz,accordingtotherequirementsanddesigntheantennasize,andthenuseitsADSsoftwaresimulationdesignandanalysis.
Keywords：
EMCtest;EMItestreceiver;dipoleantenna;ADSsoftware
目录
1绪论1
1.1电磁干扰（ElectromagneticInterference）的来源1
1.2电磁干扰的国内外发展状况1
2EMI相关介绍2
2.1EMI中电磁干扰的传播途径2
2.2EMI的抑制方法2
2.3EMI的基本原理3
2.4EMI中传感器的作用3
3偶极子天线仿真设计与分析5
3.1偶极子天线的简介5
3.2偶极子天线的原理5
3.3偶极子天线的技术指标5
3.4偶极子天线的结构和理论分析6
4利用ADS软件对偶极子天线进行仿真9
4.1ADS软件简介9
4.2版图仿真工具Momentum9
4.3对偶极子天线进行仿真10
5总结与心得18
参考文献19
致谢20
1绪论
1.1电磁干扰（ElectromagneticInterference）的来源
电磁干扰（以下简称EMI）一般的来源分内部和外部两种：
⑴内部干扰—电子设备内部各元件之间的互相干扰：
①工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电而造成的个干扰；
②信号通过地线、电源和传输导线的三抗互相耦合，或导线之间的互感造成的干扰；
③设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身或其他元件的稳定性造成的干扰；
④大功率和高电压部件产生的磁场、电厂通过耦合影响其他部件造成的干扰。
⑵外部干扰—电子设备或系统以外的因素对电子线路、设备或系统的干扰：
①外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统；
②外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统；
③空间电磁对电子线路或系统产生的干扰；
④工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元件参数改变造成的干扰；
⑤由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。
1.2电磁干扰的国内外发展状况
早在三十年代，国外对电磁骚扰的问题予以关注。
随着科学技术的发展，大量技术含量高、内部结构复杂的电工、电子产品的安全与可靠性产生影响与危害，而且对人类也产生直接影响。
由于电磁骚扰致使电工、电子产品的性能下降，而无法工作的现象时有发生，严重的可造成质量事故和设备损坏或其它事故。
特别是《欧共体成员国关于电磁兼容法律性指令》（89/336/EMC指令）颁发以来，各国政府开始从商业贸易的角度来考虑EMC问题，采取措施，加强EMC标准认证及有关法律的制定、贯彻和实施工作。
正如国外一些专家认为，今后的发展趋势是EMI认证将会像安全认证一样普及[1]。
电磁兼容作为我国目前的一个新兴技术领域，其核心的测试设备（如EMI测试接收机）基本依赖进口。
这些进口设备不仅价钱昂贵，而且在设计中没有考虑到国内的使用习惯，操作过于复杂，使用不够方便。
由于设备的原因，许多可以由生产，设计部门自己完成的预测试工作不得不交由专业的测试机构来完成，这样不仅提高了开发的成本延长可开发的周期，而且也使专业的电磁兼容设计人才无法从实践中快速的成长起来。
基于上述的分析，开发一种针对生产，研发部门使用的EMI测试接收机将大有可为。
根据目前国内专业的电磁干扰测试人员还相对比较缺乏的现状，开发出来的接收机必须具备操作简单，性能稳定的特点。
另外，取消一些过于专业而繁琐的测试功能还可以大大降低产品的价格和设计难度，使得产品更加具有针对性。
2EMI相关介绍
2.1EMI中电磁干扰的传播途径
EMI中有两种传播途径：
传导和辐射，即电磁干扰分为传导性电磁干扰和辐射性干扰两种。
电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音，相应地，噪音亦分为传导性噪音和辐射性噪音：
a、当电磁干扰波的频率小于30MHz时，电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中产生传导性噪音，可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度；
b、当电磁干扰波的频率高于30MHz时，电磁干扰主要以辐射方式在电子设备中产生辐射噪，以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度。
无论传导噪音还是辐射噪音，都分为共模噪音和差模两种。
通常共模噪音比差模噪音更难控制[4]。
2.2EMI的抑制方法
根据电磁基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感系统计等三个要素。
可采用硬件和软件抗干扰措施，而最基本和最重要的抗干扰措施是硬件抗干扰。
主要措施是：
隔离、滤波、屏蔽、接地等方法[5]。
（1）隔离
把干扰源和易受干扰的部分从电路上隔离开来，使它们不发生电的联系。
在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器（如噪声隔离变压器），以免传导干扰。
（2）滤波
设置滤波器抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。
为减少电磁噪志和损耗，在变频器输出侧可以设置输出滤波器；为减少电源的干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器；若线路中有较敏感电子设备，系统的抗干扰要求较高，为减少对电源的干扰，可在电源线上设置电源噪声滤波器。
（3）屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法，通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。
输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路及控制回路完全分离，不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。
为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
（4）接地
接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段。
良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力，变频器的扫地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。
2.3EMI的基本原理
测试接受机是EMI测试的核心部分，其电路框图如图2-1所示：
图2-1EMI结构框图
接收机测量信号时，先将仪器调谐于某个测量频率f，该频率点经输入衰减器、预选器和高频放大器后进入混频器，与本地振荡器的频率f1混频后仅得到中频f0=f1-fi，本接收机共经过3次混频，最终得到2.3MHz的中频信号。
中频信号经过中频衰减器、中频放大器和功率放大器后由包络检波器进行检波，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、准峰值或平均值。
这些值经过直流放大器后被CPU的A/D转换器采集，进一步处理后可以在液晶显示器上显示出来[6]。
2.4EMI中传感器的作用
传感器是用来采集电场信号的，根据测试对象的不同，有多种不同的传感器，进行传导发射测试时主要用环形传感器，进行辐射发射测试时主要用天线，在天线中根据测量频段的不同又可采用（频段又低到高）拉杆天线，双锥对数天线和双脊喇叭天线等。
传导发射的测试值主要是电压测量和电流测量。
在电压测量中，插入人工电源网络，主要作用是能在受试装置的端子之间提供一个规定的高频阻抗，并且能将试验电路同电网上的噪声隔离开来，防止电网各种噪声对测试的影响。
在电流测试中，对有些设备不可能插入人工电源网络，特别是受试设备要求很大的电网电流时，则可采用电流探头来测量干扰电流。
这时并不需要切断电源的连接线[7]。
本次实验要求的是近场测试，对于传感器的设计其实就是对于天线的设计，下面对天线的种类进行介绍。
对于辐射干扰的测量可以分为四个层次：
⑴10～150kHz频率
磁场天线在这个频段内所观察到的一些干扰实例主要是由磁场分量造成的，在测量辐射的磁场分量时，应使用电屏蔽的环形天线。
⑵150kHz～30MHz频率
电场天线测量辐射的电场分量时，可以使用对称天线，也可使用非对称天线。
使用非对称天线时，测量的只是电场对垂直鞭状天线的效应，测量结果中应同时说明所有天线的类型。
如果辐射源与天线之间的距离不超过10m，天线总长度应为1m，距离大于10m时，天线长度最好还是1m，但不能超过该距离的10%。
⑶30MHz～300MHz频段
电场天线对于30MHz以上的辐射测量一般只测量电场强度,因为辐射主要是电场.基准线应是一个对称偶极天线,频率等于或高于80MHz时,天线的长度即为谐振长度,频率低于80MHz时,天线长度应等于80MHz的谐振长度,应用一个合适的变换装置对天线进行调谐,使之与馈线相匹配,同时还需要采用一个对称/不对称变换器将天线和测量仪器输入相连接.另外,应使用可定向的天线,这样可使入射辐射的所有极化方向都能进行测量,天线中心到地面上的高度可在1～4m范围内调节。
⑷300MHz～1000MHz
电场天线如果采用简单偶极天线应满足30～300MHz频段的电场天线的要求。
由于在30～1000MHz频段内，简单的偶极天线的灵敏度很低，因而可采用较为复杂的天线。
本课题要求研究的频率范围是30MHz～3GHz频段。
3偶极子天线仿真设计与分析
3.1偶极子天线的简介
偶极子天线用来发射和接收固定频率的信号。
虽然在平时的测量中都使用宽带天线，但在场地衰减和天线系数的测量中都需要使用偶极子天线。
SCHWARZBECK偶极子天线的频率范围由30MHz～3GHz。
其中的VHAP和UHAP是一套精确偶极子天线，特别适用于场地衰减和天线系数的测量。
同时该天线为日本VCCI等标准机构指定的电波暗室和开阔场场地衰减测量等的唯一专用天线[8]。
3.2偶极子天线的原理
垂直天线实际上是一种偶极子天线。
偶极天线由两根导体组成，每根为1/4波长，即天线总长度为半波长。
所以偶极子天线叫半波振子。
偶极天线的振子可以水平位置，也可垂直位置。
它的方向图以馈电点为对称。
馈电点在半波振子的中心。
馈电点的阻抗为纯电阻，近似75Ω（约73Ω）。
如果把两个1/4波长的振子延长再折回到中心，并连接在一起，则成了一个折叠偶极子天线，简称折叠振子。
折叠偶极子天线的阻抗也是纯电阻近似300Ω（约290Ω），显示出较高的输入阻抗，与平行馈线构成的高阻传输天线在很多场合得到运用。
把偶极子天线直起来，垂直于地面，则成垂直天线。
如果“去掉”下部的1/4λ振子，则成不对称垂直天线。
这种情况是基于两个假设：
①地面为“镜面”，地底下有1/4λ振子的“镜像”；②振子离开地面有足够的高度h。
常用的垂直天线都是不对称天线，在水平向上各向同性。
一种特殊的垂直天线，1/4λ振子辐射器下部还有四个径向单元。
它用于40米和80米频段有较好的电离层反射效果。
这种天线有个专门的名字叫马可尼天线。
R7000等接收机配置的天线就属于这种天线[9]。
3.3偶极子天线的技术指标
谐振频率（ResonanceFrequency）：
谐振是指的天线阻抗虚部为零时的状态，S11图中最低的点。
带宽（Bandwidth）：
低于响应曲线中点某一规定电平处测量接收机总选择性曲线的宽度，用符号Bn表示。
N表示所规定电平的分贝数。
对于所有类型的带宽骚扰，在给出骚扰电平时，应标明测量带宽的实际值，频率范围在30MHz～3GHz之间的带宽要求应满足300kHz～2MHz之间。
反射损耗（ReturnLoss）：
当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。
这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。
而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。
公式为：
（3-1）
输入阻抗（Impedance）：
测量接收机的输入电路应采用非平衡式。
其输入阻抗的额定值为50Ω，且当射频衰减为0dB时，其电压驻波比（VSWR）不得超过2.0；当射频衰减等于或大于10dB时，VSWR不得超过1.2。
3.4偶极子天线的结构和理论分析
典型的微巴带巴伦馈线的印刷偶极子天线大致可以分为以下五个部分：
偶极子天线壁、微巴带巴伦线、地板、馈线、通孔。
图3-1显示了该天线结构的立体图。
其中偶极子天线臂、微巴带巴伦线和地板均处于基质板底层，馈线处于基质层顶层。
底层与顶层的微带线通过通孔相连。
偶极子天线属于平衡天线，需要平衡式激励，然而印刷微带天线以及通常用来馈电的同轴电缆都是不平衡的。
引入微带巴伦线的作用就是提供一个印刷电路形式的不平衡-平衡转换器。
从图3-2可以看出，激励信号从顶层馈电微带线的底部溃入，经过过孔接至底层，底层的微带巴伦线一端接地平面，一端接偶极子天线臂。
顶层馈电微带线与底层馈电微带线的电流有着180度的相位差，偶极子天线的两个天线臂上的电流的方向相同，从而实现对偶极子天线的平衡激励[10]。
图3-1偶极子天线立体图
图3-2平面图
如果从通孔处开始分析，底层的印刷偶极子天线和微带巴伦线的等效电路如图3-3所示，则在通孔处得到的等效输入阻抗为：
（3-2）
其中：
（a）印刷偶极子天线可以等效为半径为r=w/4的圆柱线对称振子，参照线对称振子的输入阻抗公式可以得到印刷偶极子天线的输入阻抗公式：
（3-3）
其中：
α，β分别为偶极子表面电流的衰减常数和相移常数；w，l分别为偶极子天线臂的长和宽；
（b）微带巴伦的等效输入阻抗的公式为：
（3-4）
其中：
，h为微带巴伦线的长；
为偶极子振子两臂之间开缝出的等效共面波导的特征阻抗；
图3-3微带巴伦线的等效电路
对于实际的天线分析，当把微带馈线以及考虑到实际工程常用的50欧的同轴电缆馈线考虑进来，各个部分的一些耦合效应会使整体输入阻抗特性和单独工作时的不同，因此纯理论的分析往往比较复杂而且也难以给出精确的设计参数，目前都采用成熟的方针软件进行辅助设计，然后与实际的天线性能比较后进行微调。
本实验中,选用的是1.8G偶极子天线，下面给出天线的尺寸如表3-1所示：
表3-1天线尺寸表
偶极子天线臂
Ld=29mmWd=6mmGapg2=3mm
微带巴伦
Lb=25mmLh=3mmGapg1=1mm
Wf=3mmWb=5mmWh=3mm
通孔
R=0.4mm
地板
Lg=12mmWg=19mm
4利用ADS软件对偶极子天线进行仿真
4.1ADS软件简介
先进设计系统（AdvancedDesignSystem），简称ADS，是安捷伦科技有限公司（Agilent）为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产而设计开发的一款EDA软件。
软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。
ADS是高频设计的工业领袖。
它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频微波模块到用于通信和航空航天国防的MMIC。
通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ADS让设计师全面表征和优化设计。
单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路图捕获、布局和验证能力—─因此不需要在设计中停下来更换设计工具。
先进设计系统是强大的电子设计自动化软件系统。
它为蜂窝和便携电话、寻呼机、无线网络以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。
ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真（SPICE-likeSimulation）、频域电路仿真（HarmonicBalance、LinearAnalysis）、三维电磁仿真（EMSimulation）、通信系统仿真（CommunicationSystemSimulation）、数字信号处理仿真设计（DSP）ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。
此外Agilent公司和多家半导体厂商合作建立ADSDesignKit及ModelFile供设计人员使用。
使用者可以利用DesignKit及软件仿真功能进行通信系统的设计、规划与评估，及MMIC/RFIC、模拟与数字电路设计。
除上述仿真设计功能外，ADS软件也提供辅助设计功能，如DesignGuide是以范例及指令方式示范电路或系统的设计流程，而SimulationWizard是以步骤式界面进行电路设计与分析。
ADS还能提供与其他EDA软件，如SPICE、MentorGraphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的Matlab等做协仿真（Co-Simulation），加上丰富的元件应用模型Library及测量/验证仪器间的连接功能将能增加电路与系统设计的方便性、速度与精确性。
ADS软件版本有ADS2008、ADS2006A、ADS2005A、ADS2004A、ADS2003C、ADS2003A、ADS2002C和ADS2002A以及ADS1.5等。
4.2版图仿真工具Momentum
ADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能——Momentum（ADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁仿真器），可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。
所分析的S参数结果可直接使用于些波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。
把电路图导入到Layout界面注意事项：
要关闭Term以及接地去掉，不可以让他们出现在原理图中。
去掉的方法与关闭优化控件的方法相同，即使用
按钮，把这些元件打上红叉。
然后用LayoutGenerate/updateLayout命令完成导入。
Momentum中optionspreference的常用设置：
网格（Grid）的间距和显示，端口（port）和地（ground）在layout中的显示大小，layout窗口背景色（backgroundcolor），丝印层文字的显示大小，layout的单位（unit）等。
4.3对偶极子天线进行仿真
本节内容是介绍使用ADS软件设计印刷偶极子天线的方法：
包括Layout绘制、层定义、端口定义、仿真等[11]。
启动ADS进入如下界面如图4-1所示。
图4-1ADS启动界面
创建新的工程文件：
点击File->NewProject设置工程文件名称（本例中为Antenna）及存储路径；点击LengthUnit设置长度单位为毫米。
工程文件创建完毕后主窗口变为如图4-2所示。
图4-2
Layout中的背景设置：
直接在Main窗口中点击
，打开Layout窗口，在Layout中，选择option-preference，对系统设计的背景参数进行设置。
我们选择其中的LayoutUnit，设置如图4-3所示，选择LayoutUnit为mm，Resolution填写为0.0001表示精确到小数点后四位。
以确保在天线设计过程中的精度。
其他子菜单设置一般选择默认。
图4-3
在Layout中绘制天线：
由于我们设计的是双面天线，在一个介质板上贴有上下两层，上层为馈线，下层为偶极子天线和地板。
首先设计底层，选择cond2，如图4-4所示。
图4-4
由于我们设计的矩形天线，所以我们选择，然后在窗口中选择一点，开始画矩形，矩形大小的控制可以看右下角的右边的坐标，它表示相对位置的距离。
同样，点击鼠标右键的“measure”，可以测量相对尺寸，如图4-5所示：
图4-5
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