频谱仪在电磁近场探测中的自动化应用

李伶研 高振斌 宋涛 花中秋

摘 要： 提出一种频谱分析仪在电磁近场探测的自动化应用，系统由频谱分析仪、上位机软件、二维扫描架三个部分组成。利用VB 6.0软件，制作上位机軟件用于控制、设置频谱分析仪并可以直观显示场强分布情况；在步进电机的基础上，通过单片机串口通信控制方式，利用滚珠丝杠将步进电机的角位移转换为台面的线位移，最终实现电磁近场扫描的测试功能。通过实验测试选择合适探头，并测试系统的运行性能。结果显示，经过软件设置，步进电机可以精确控制扫描距离，并且软件很直观地显示场强分布。

关键词： VB 6.0； 场强分布； 电磁近场探测； 频谱分析仪； 上位机软件； 自动化应用

中图分类号： TN643+.1?34； TH71 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0133?06

Automation application of spectrometer in near?field electromagnetic detection

LI Lingyan， GAO Zhenbin， SONG Tao， HUA Zhongqiu

（Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices， Institute of Micro?Nano Photoelectron and Electromagnetic Technology Innovation，

School of Electronic Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： An automation application of spectrum analyzer in near?field electromagnetic detection is proposed. The system is composed of three parts of spectrum analyzer， upper computer software， and 2D scanning frame. The upper computer software is developed by using the VB 6.0 software to control and set the spectrum analyzer， and intuitively display the field intensity distribution. On the basis of the stepper motor， the ball screw is used to transform the angular displacement of the stepper motor into the line displacement of the table?board， so as to realize the testing function of near?field electromagnetic scanning. Appropriate probes were selected by means of experimental testing， and the operation performance of the system was tested. The results show that after software settings， the stepper motor can accurately control the scanning distance， and the software can intuitively display the field intensity distribution.

Keywords： VB 6.0； field intensity distribution； near?field electromagnetic detection； spectrum analyzer； upper computer software； automation application

电磁兼容EMC是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作而且不对该环境中的其他设备或系统造成不能承受的电磁骚扰的能力[1]。它包含两个方面：一个方面是电磁干扰EMI；另一个方面是电磁敏感性。EMI测试是电磁兼容测试的重要组成部分，确定设备是否满足标准规定的发射限制要求[2?4]。

国外现有的电磁兼容测试系统最具有代表性的为加拿大容向公司的Emscan扫描系统。该系统的优点在于拥有1 218个小型电磁近场探头，可以快速精确的定位，实时看清电磁场，有强大的后台分析和处理能力。缺点在于价格昂贵，不适合实验室测试，并且探头无法更换，精确度无法调整。基于这样的现状，本文设计的系统价格低廉，也可以实时显示电磁场，并通过软件控制仪器，最主要的功能在于可以更换各种探头，满足不同的测试需求，调整扫描分辨率，使测试更加精确。

1 系统简介

整合智能测量仪器和计算机测控的电磁近场扫描系统，可使用上位机软件完成对仪器的控制和测试数据的采集显示，同时上位机软件控制步进电机实现二维扫描，每一个对应测量点的场强强度由频谱分析仪测量并上传到上位机显示，所有的测试点组成电路板的场强分布。系统可以完成400 mm×400 mm电路板的电磁近场测试，通过测试结果分析并改进电路板，最终达到电磁兼容的测试标准要求。

2 控制测量软件设计

2.1 虚拟仪器软件结构

VISA是I/O接口软件标准及其规范的总称。VISA总线I/O软件是一个综合软件包，可以用来对USB、GPIB，RS 232串口和局域网LAN进行配置、编程和调试[5]。VISA有自己的一套函数，不论是用VB语言还是C语言，都需要调用VISA函数才能完成计算机对仪器的操作[6]。表1为部分VISA函数名及其作用。

2.2 频谱分析仪通信控制

随着科学技术的发展，频谱分析仪的幅度测试精准度也在不断提高，其可以测量信号各频谱分量的幅度和中心频率，测试精度可以满足一般的测试要求[7]。频谱分析仪支持USB，GPIB，RS 232，LAN等方式与计算机连接通信。本系统采用LAN通信方式，可以使通信延迟时间短、可靠性较高、连接后通信稳定、数据的传输速率高，如图1所示。

配置时，用网线将计算机的网口与频谱分析仪的网口相连，网线连接之后，首次使用时，分别对计算机和频谱分析仪配置IP地址、子网掩码和默认网关。使用ping指令，若有回复，表示可以连接通信。

2.3 SCPI语言命令

使用频谱分析仪时，通过可编程仪器标准命令SCPI进行控制以及数据采集[8]。所需要的常用的SCPI指令如表2所示。

利用SCPI指令，实现远程控制频谱分析仪，克服了手动操作相关仪器的过程复杂和繁琐的缺点。通过上位机软件集成仪器按钮功能，不仅操作过程简化，方便测试人员操作，而且更加智能化。

2.4 精确扫描

如今的测试，使用手持探头测试很多，这样一方面耗费大量的人力，另一方面人工手持会对电磁场和探头性能产生一定的干扰，测试位置的精准度上无法把握。这些不稳定因素都会增加测试的误差。本系统是利用软件进行定位，扫描位置可控并且精准，自动化测量方式，克服了上述的缺点带来的误差影响。

单片机通过接收串口指令控制电机，单片机连接电源后，发送指令单片机即可开始工作，6个有序的8位十六进制数组成步进电机控制指令。

1） 0x28帧头

2） 0x0X控制二维扫描架上下左右移动，见表3。

2.5 探头介绍

探头作为测量电磁场的设备，也可以测量近场仪器，被广泛应用于电磁兼容实验以及检查电场场强，具有很高的工程应用价值[9?12]。本系统中，拥有多种不同性能的探头，根据测试情况对使用的探头进行更换。其他产品的探头是无法更换，这样使得测试范围更加局限，无法达到更多的预期效果。本系统使用的探头是自己制作的，探头通过软件仿真和實际测试，比国外的成品探头性能效果都很好，并且在高频段的测试性能很好，达到了生产要求。探头见图2。

利用矢量网络分析仪测试PCB探头的S11曲线，其中性能较好的S11曲线如图3所示。从S11参数可以看出，PCB探头从低频到高频均有谐振点，再通过进一步测试验证。

利用信号发生器产生信号，选择峰值为1 V的正弦波，ALC带宽设为100 kHz，环路状态为开环，没有输出消隐，调制打开并设为幅度调制，打开射频。信号源距离探头1 cm，频谱分析仪测试两个探头的增益，最终的测试对比图如图4所示。经测试PCB探头频率范围为50 MHz～17.5 GHz，Langer可测范围为50 MHz～6.5 GHz，PCB探头在高频方面性能良好，可以用于高频测试。该系统支持更换不同频段的探头，测试范围更广。

3 测试系统的实现

3.1 测试系统组成

该测试系统结构主要包括二维扫描架、步进电机驱动系统、计算机测控软件、近场场源探头和频谱分析仪。通过软件显示电路板不同区域的场强强度，可以直观地看出效果，系统框图如图5所示。

二维扫描架是通过步进电机进行驱动，单片机控制步进电机的脉冲输入，如图6所示。步进电机的转动角度通过滚珠丝杠可以转化为直线距离，通过使用单片机准确控制步进电机的转动角度，精确地控制滚珠丝杠的移动距离，减小了在测量过程中的误差。

3.2 测量软件设计

测量软件主要作用就是控制仪器和二维扫描平台和采集数据。在VB环境下利用VISA驱动通过仪器设备的LAN网口控制仪器设备，实质上是利用VISA函数与硬件无关的特性[13]。

在VB 6.0开发环境下需要添加VISA模块文件和引用选项，这样才可以在工程中调用VISA函数，否则引起程序错误。寻找频谱分析仪VISA地址，用于收发SCPI指令。以此为基础开始编写上位机软件，设计的控制系统软件的程序流程如图7所示。

根据图7可知，设计的上位机软件基本可以实现并控制对电路板的电磁兼容测试，如图8所示。

如图8所示界面包含二维扫描架控制、频谱分析仪控制和数据采集区域，部分按钮的具体功能如表7所示。

4 系统测试及结果分析

使用该系统进行测试，首先连接探头和频谱分析仪，接入信号源和二维扫描架，打开软件设置对应的串口，整个系统连接见图9。测试的电路板长为16.6 cm，宽为9.9 cm，信号发生器的信号线接到电路板的VCC端，电路板以及VCC的电路走线如图10所示。

上位机软件设置参数：扫描的步进距离为0.5 cm；探头距离为1.4 cm。根据测试需要设置彩色条标度，单击“开始扫描”按钮，扫描测试开始。首先信号线接入频率为809.51 MHz的信号，二维扫描架带动探头扫描电路板，把从频谱分析仪采集的数据显示在上位机软件上，并通过颜色表示在绘制方格中。系统测试结果见图11。

测试结果显示出场强分布与电路分布基本一致。由于导线经过电流时，会在其周围产生电场，呈现面的场强分布。图11中红色区域也就是信号源接入的位置，该部分场强强度很高。绿色区域按电路的走向分布。而右上方蓝色区域表示电路板这个部分的场强很弱，强度值平均在-73 dBm左右，出现此情况有两点原因：一是该部分没有VCC电路通过，探测的信号较弱；二是低频段信号在导线传输过程中衰减很多，辐射周围强度较弱。根据测试的场强分布可以看出电路板线路分布以及信号对电路板功能的影响。低频段测试效果和探头性能符合预期效果，下面对电路板进行高频测试。设置信号发生器的信号为13.71 GHz，信号线接入VCC，测试结果如图12所示。

虽然使用高频信号，但是测试结果的场强分布依然符合VCC电路的走向。图12中，红色区域依然为信号源所在位置，场强较高。右上方绿色部分，场强强度平均在-64 dBm左右，比在低频部分的高，这是由于高频信号在导线传输时辐射范围较大，信号衰减缓慢，并且在高频情况下PCB探头的灵敏度变高。中上方蓝色部分的场强强度平均在-71 dBm左右，原因同上。

测试结果表明，该系统测试相对准确，并且优点在于：一是可以设置扫描距离，根据不同分辨率调整测试距离，使测试更加精确；二是上位机软件控制频谱分析仪，可以完成频谱分析仪的参数设置并测量某一特定点的实时增益；三是本系统在低频和高频测试均可使用，弥补了Emscan无法测到3 GHz以上的缺陷，适用范围较广；四是成本低，适用于小型的电磁兼容测试。

5 结 论

本文设计的扫描系统，通过LAN通信和串口通信将计算机、频谱分析仪、二维扫描架连接在一起，组成完整的测试系统。上位机软件结合了VISA函数、SCPI语言等，达到了频谱分析仪自动化应用，测试结果很直观的显示在软件上，方便测试结果的分析；结合单片机C语言完成对二维扫描架的操作，经过实验，该系统基本可以完成电路板的电磁兼容测试。该扫描系统大大节省了人工测试时间，计算机采集数据可以有效地减小误差。上位机界面简洁，操作简单，人性化设计，直观地显示结果并完整保存相关数据，具有很好的使用价值。

注：本文通讯作者为宋涛。

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