开放环境中EMI近场阵列测量及空间状态分析

宫峰勋，贺瑞瑞

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

电磁干扰（EMI，electromagnetic interference）是外界信号通过电磁感应或传导线耦合对电路造成的干扰。近年来高频设备的应用领域愈加广泛，导致空间电磁环境愈加复杂[1]。对辐射EMI 的近场测量已成为设备电磁兼容性预测试和故障诊断的重要方法之一。李伶研等[2]设计了一种适用于电磁近场测量的扫描系统，该系统使用单探头进行测量，测量效率不理想。陈嘉祥[3]设计了一种用于产品电磁辐射预检测的系统，该系统使用步进电机引导单个测量探头移动，探头移动误差会导致测量结果不精确。李伟[4]设计了一种针对中小型印制电路板（PCB，printed circuit board）电磁兼容问题快速检测的近场扫描阵列天线系统，该系统局限于小型PCB 的平面测量，无法反映设备的辐射EMI空间分布状态。李瑶[5]设计了一种针对低频拓展带宽的电磁近场扫描系统，但该系统在对设备的空间电磁干扰测试上效率不高。Li 等[6]利用SG128 多探头球形近场天线测试系统进行近场测量，但该系统使用的探头昂贵，且对测量环境要求较高，测量的灵活性较差。Kitti-wittayapong 等[7]设计了一种用于小型散射物体的低成本平面近场测量系统，该系统测量范围局限于平面。

进行大型设备的空间EMI 近场测量时，单探头的测量效率较低，易受环境干扰，且在进行EMI 测量时移动探头会对待测电磁场产生干扰，存在测量误差[8]。针对上述问题，设计了一种电小环探头，实际制作并测试验证了测量的准确性，根据阵元互不耦合的最佳距离，设计了一种组合探头阵列，通过实际测量重构了设备工作时的辐射EMI 空间分布，验证了设计的组合探头阵列在设备的空间EMI 近场测量中具有高精度和高效率。

1 近场探头设计

1.1 电小环探头设计

电小环由两个共面的电流环构成，内部耦合环由传输线馈电，通过电感耦合激励外面的大环，使其工作在电感和电容串联谐振状态，由外面的大环辐射能量，如图1 所示。

图1 电小环模型Fig.1 Electric ringlet model

图1（a）和图1（b）为电小环的一般模型和高频结构仿真器（HFSS，high frequency structure simulator）仿真模型，电小环作为接收天线时，大环的周长设计为工作波长的1/10，内部耦合环的周长取大环周长的1/5。

对电小环的HFSS 模型进行线性扫频，得到的S11 扫频曲线如图2 所示。

图2 电小环的S11 扫频曲线Fig.2 S11 frequency sweep curve of electric ringlet

图2 中，当电小环的计算谐振频率为300 MHz时，在HFSS 仿真中从频率范围250～350 MHz 线性扫频发现，仿真的电小环模型的谐振频率也为300 MHz，验证了设计的电小环模型的准确性。

1.2 电小环探头的制作与测量性能

根据HFSS 仿真的尺寸与材质，对电小环进行了实际制作，如图3 所示。

图3 电小环探头实物图Fig.3 Actual item of electric ringlet probe

对电小环在100～3000MHz 的频率范围进行性能实测，并与专业磁环探头测量性能进行对比，如图4 所示。

图4 不同磁环探头测量性能对比Fig.4 Comparison of measurement performance of different magnetic ring probes

从图4 可知，电小环探头的测量性能与专业的磁环探头较为接近，在整个测试频段内性能稳定，可以实现对辐射EMI 的精确测量。

2 近场探头阵列原理

2.1 直线阵列天线的基本原理

直线阵列天线中，如果阵元的激励电流幅度、相邻阵元之间的相位差和阵元间距都相等则称之为均匀直线阵列天线[9-10]。

图5 为N 个等间距阵元排列在z 轴上组成的直线阵列天线，其中：θ 为入射波与z 轴的夹角；N 为阵元个数；d 为相邻阵元间距。

图5 N 个单元的均匀直线阵列天线Fig.5 N-unit uniform linear array antenna

选取坐标原点为相位参考点，不计阵元间的互耦作用。假设坐标原点处的天线单元0 的相位为0，天线单元1 和天线单元0 之间的相位差应该为βdcos θ，依此类推第（N-1）个阵元和第0 个阵元之间的相位差为β（N-1）dcos θ。

因此，天线阵的阵因子可以表示为

式中：β 为相位常数；Ii为天线单元i 的激励电流；j 为虚数单位。

对于均匀直线阵列天线，各阵元的激励电流幅度和相邻阵元之间的相位差均相等。假设激励电流幅度为A0，相邻阵元之间的相位差为α，则第i 个阵元的激励电流Ii可以表示为

将式（2）代入式（1）可得

定义相位

式（3）简化为

式（5）两边同时乘以ejψ，减式（5）得

化简得

如果把相位参考点选在天线阵的几何中心，则式（7）阵因子简化为

归一化后阵因子为

式（9）中F（ψ）是AF归一化的阵因子。阵因子F（ψ）中ψ 的变化与相邻阵元间距d 以及相邻阵元之间的相位差α 有关，在设计探头阵列时，首先需要考虑的是阵元间距，合理的间距将有效减弱探头之间的相互影响。

2.2 阵列单元间距的确定

为提高阵列天线的测量性能，需要减少阵元互耦效应的影响[11-13]，根据式（9）对阵列辐射方向图与阵元间距进行Matlab 仿真，仿真设置分别为：阵元个数N=16，入射波与z 轴的夹角相邻阵元间距d 分别设置为0.05、0.10、0.15 m，得到阵列辐射方向图随阵元间距的变化关系，如图6 所示。

图6 阵列辐射方向图与阵元间距的变化关系Fig.6 Variations between the array radiation pattern and the array element spacing

如图6 所示，随着阵元间距d 的增加，阵列方向图的主瓣与旁瓣之间的间距增大，此时旁瓣衰减很快，有效避免了阵元之间的耦合。

2.3 阵列天线的原理

验证电小环探头的测量性能后，制作了相同尺寸的16 个电小环探头，阵元距离选择为5 cm，构造了近场探头阵列用于近场EMI 测量，图7 为阵列天线的HFSS 仿真模型。

图7 阵列天线的HFSS 仿真模型Fig.7 HFSS simulation model of array antenna

在进行近场EMI 测量时，阵列中各阵元都会测量到不同频率和幅度的辐射信号，这就需要让每个探头的测量输出都连接到频谱分析仪，这会极大地增加测量成本[14-16]。本文采用组合探头阵列，各探头依次测量，无需改变探头位置，减少了探头移动造成的测量误差，不仅可有效减小测量成本，还可保证测量精度和测量效率。

信号源工作时会向周围环境辐射干扰信号，探头阵列中的各个探头感应测量到信号源产生的辐射信号[17]，以辐射电压的形式输出到频谱分析仪，在计算机的数据分析软件中进行数据处理与分析，如图8 所示。探头阵列中的各个探头通过50 Ω 同轴线与频谱分析仪连接，测量时使用不同位置的探头逐一测量，测量完成后再更换另一位置的探头与频谱分析仪连接完成测量，改变测量平面的高度，实现对辐射信号的空间测量，得到信号源的辐射EMI 空间分布。

图8 探头阵列的工作原理Fig.8 Working principle of the probe array

图9 为电小环探头阵列的实际测量图，该测量设计有3 方面优点：①避免了单探头测量时移动探头造成的测量误差，能够保证测量精度不受太大影响；②提高了测量效率；③避免了每个探头必须连接各自独立的接收机设备，大大节约了成本，在实际应用中可以广泛推广。

图9 探头阵列实际测量图Fig.9 Actual measurement diagram of probe array

为进一步说明电小环阵列与现有单探头近场EMI 测量的优势，对比了单个专业磁环探头与电小环探头阵列测量相同近场区域EMI 的测量效率。对比测量条件及参数如下：①选取5 个面积分别为20、30、40、50、60 cm2的近场区域；②射频信号源工作频率为1 090 MHz，功率为15 dBm；③首先用单个专业磁环探头完成指定近场区域的EMI 测量，再用设计的电小环探头阵列完成相同近场区域的EMI 测量，记录测量所需总时间如图10 所示。

图10 两种探头阵列近场区域EMI 测量效率对比Fig.10 Comparison of EMI near-field test efficiency between probe array and single probe

从图10 中可看出，随着所测量的近场区域面积增加，电小环探头阵列近场测量的总时间均显著小于当前单个专业磁环探头近场测量的总时间，在近场区域面积为60 cm2时，单个专业磁环探头测量完成时间为120 s，电小环探头阵列测量完成时间为100 s，电小环探头阵列比单个专业磁环探头的测量效率提高了16.7%。此外，电小环探头阵列相比单个专业磁环探头而言，在测量中不需要移动探头位置，使得测量误差更小，测量精度更高。由此可见，电小环探头阵列相比单探头的近场EMI 测量提高了测量效率和测量精度。

3 探头阵列测量性能分析

3.1 辐射EMI 分析

3.1.1 全向天线

为了测量出辐射EMI 空间分布，首先要了解辐射源的辐射方向图及辐射EMI 分布状态。测量使用的是2.4 G 全向胶棒天线，三维远场增益方向图、E 面的方向图（垂直）和H 面的方向图（水平），如图11 所示。

图11 全向天线的辐射方向图Fig.11 Radiation pattern of omnidirectional antenna

测量环境和测量仪器参数设置如下：①实验室无屏蔽，开放测量；②RSA306B 频谱分析仪接收数据；③射频信号源频率为1 090 MHz，功率15 dBm。

测量方式：将固定位置的探头与频谱分析仪连接，对探头位置的辐射值进行测量，测量完再更换另一位置的探头与频谱分析仪连接，直到完成测量，并记录数据。这种测量方式减小了探头移动带来的误差，同时提高了测量效率。

测量得到全向天线的E 面和H 面辐射EMI 数据，分别如表1 和表2 所示。

表1 全向天线的E 面辐射EMI 测量数据Tab.1 E-plane radiation EMI measurement data of omnidirectional antenna mV

分析表1 和表2 中数据，得到全向天线的E 面和H 面辐射EMI 分布，如图12 所示。

表2 全向天线的H 面辐射EMI 测量数据Tab.2 H-plane radiation EMI measurement data of omnidirectional antenna mV

如图12 所示，全向天线的E 面辐射和H 面辐射EMI 分布的实际测量结果与理论的辐射方向图一致。E 面的辐射EMI 分布呈“喷射”状态，而H 面的辐射EMI 分布呈发散递减的同心圆，且辐射值均在全向天线所在位置出现极值。

图12 全向天线的辐射分布Fig.12 Radiation distribution of omnidirectional antenna

3.1.2 定向天线

定向天线的辐射方向图，如图13 所示。对比全向天线的辐射方向图发现，定向天线在某一方向上辐射强度最大，而在其他方向上辐射很小。

图13 定向天线的辐射方向图Fig.13 Radiation pattern of directional antenna

保持测量环境、条件与全向天线相同，测量得到定向天线的E 面和H 面辐射EMI 数据分别如表3 和表4 所示。

分析表3 和表4 中数据，得到定向天线的辐射分布如图14 所示。

表3 定向天线的E 面辐射EMI 测量数据Tab.3 E-plane radiation EMI measurement data of directional antenna mV

表4 定向天线的H 面辐射EMI 测量数据Tab.4 H-plane radiation EMI measurement data of directional antenna mV

从图14 可知，定向天线的H 面辐射EMI 分布结果与理论上的辐射方向图一致，但E 面辐射方向图和理论存在差异，分析发现远距离上辐射EMI 分布才会达到图13（a）的效果，而此时的辐射EMI 值较小，可以看出定向天线的辐射EMI 分布呈现很强的方向性，且同样在定向天线位置出现辐射极值。

图14 定向天线的辐射EMI 分布Fig.14 Radiation distribution of directional antenna

3.2 设备的空间辐射测量

采取与全向天线测量相同的环境、条件，通过改变探头阵列的测量高度，分别测量高度为5、10、15、20、25 cm 的近场辐射EMI 分布，分析得到全向天线辐射EMI 空间分布，如图15 所示。

图15 全向天线的辐射EMI 空间分布Fig.15 The radiated EMI spatial distribution of omnidirectional antenna

由图15 可看出，从同一水平面看，被测天线的辐射EMI 强度随着测量距离的增加逐渐减小，呈现出多个强度递减的同心圆，对应被测天线的H 面辐射方向图；从同一垂直剖面上来看，被测天线的辐射EMI 强度为中间辐射最强，两头递减的变化趋势，对应被测天线的E 面辐射方向图。可见改变不同高度的测量能很好地重构被测天线的辐射EMI 空间分布。

3.3 外加干扰条件下的设备辐射EMI 测量

由于设备工作环境中存在复杂电磁干扰，因此设置了同频、不同距离、不同功率、带内干扰条件，以模拟环境中的各种电磁干扰。

3.3.1 同频干扰条件

辐射EMI 实际测量图如图16 所示，被测天线（左）与干扰天线（右）频率均为1090MHz，功率为15 dBm。测量环境与测量方式同上，测量数据如表5 所示。

图16 同频干扰时的辐射EMI 实际测量图Fig.16 Actual radiated EMI measurement diagram under the same-frequency interference

表5 同频干扰时的辐射EMI 测量数据Tab.5 Radiated EMI measurement data under the same-frequency interference mV

分析表5 中数据，并与无外加干扰时全向天线的辐射EMI 分布进行对比，如图17 所示。

从图17（a）可知，无外加干扰时，被测全向天线的辐射EMI 分布均匀，且较远距离的辐射值较低；而在图17（b）中有外加干扰后，辐射EMI 分布变得对称，且在天线位置有极值。因此，可以通过辐射EMI 分布状态对比判断有无干扰，通过辐射极值判断干扰位置。

3.3.2 不同距离干扰条件

保持其他条件不变，当干扰源距离测试天线为5 cm时，被测设备的辐射EMI 分布如图18 所示。

从图18 可知，在干扰源距离被测天线5 cm 时，辐射EMI 分布受到了比图17 更严重的干扰，辐射状态发生了较大改变，此时已经较难直接区分出被测天线的完整EMI 分布。

图17 有无同频干扰时的辐射EMI 分布对比Fig.17 Comparison of radiated EMI distribution with or without the same-frequency interference

图18 同频干扰距离为5 cm 时的辐射EMI 分布Fig.18 The distribution of radiated EMI within 5 cm co-channel interference distance

将干扰信号源功率设置为与正常信号源功率相同的15 dBm，设置外加干扰距离分别为0、5、10、15 cm，观察在添加干扰前后被测天线的辐射强度的变化，如图19 所示。

图19 辐射强度随干扰距离的变化Fig.19 Change of radiation intensity with interference distance

如图19 所示，由于外加电磁干扰的存在，辐射EMI 分布在干扰位置出现极值，且干扰源距离直接影响辐射极值。在开放环境中工作的电子通信设备要与其他频率相同或相近的电子通信设备保持一定的放置距离，这样才能避免单个设备正常工作时辐射的电磁干扰影响到周围其他的工作设备。

3.3.3 不同干扰功率条件

保持其他条件不变，将干扰信号源置于距被测天线水平距离10 cm 的位置。设置外加干扰的功率分别为0、5、10、15 dBm，观察在添加干扰前后被测天线的辐射EMI 值的变化，如图20 所示。

图20 辐射强度随干扰功率的变化Fig.20 Change of radiation intensity with interference power

从图20 中可看出，随着外加干扰功率的增大，设备自身的辐射强度在逐渐增强，且在干扰位置有极值出现，可根据干扰极值判断干扰位置。

3.3.4 带内干扰条件

当干扰信号频率在有用信号带宽内时，对有用信号造成带内干扰。

被测天线（左）频率为1 090 MHz，干扰天线（右）频率为1 088 MHz，功率均为15 dBm，保持测量环境和条件不变，干扰信号固定在距信号源水平距离10 cm处，如图21 所示，测量数据如表6 所示。

图21 带内干扰实际测量图Fig.21 Actual measurement diagram of in-band interference

分析表6 中数据，得到带内干扰时被测天线辐射EMI 分布，如图22 所示。

表6 1 088 MHz 干扰时的辐射EMI 测量数据Tab.6 Radiated EMI measurement data under 1 088 MHz interference mV

图22 1 088 MHz 干扰时的辐射EMI 分布Fig.22 Radiated EMI distribution under 1 088 MHz interference

从图22 可以看出，外加1 088 MHz 的带内干扰时，在右侧靠近带内干扰源的区域，近场辐射值得到了增强，被测天线的辐射EMI 分布状态发生了改变。

假设信号中心频率为1 090 MHz，带宽为5 MHz，则不同干扰信号频率的干扰测量结果如图23 所示。

图23 不同频率干扰对辐射EMI 的影响Fig.23 The influence of the different-frequency interference on radiated EMI

从图23 中可以看出：随着外加干扰信号频率靠近被测天线的中心频率，辐射EMI 分布极值增加；远离中心频率的干扰信号对天线的辐射状态影响较小；当干扰信号频率处在信号带宽内时，对辐射状态的影响更大。

4 结语

本文在传统单探头近场EMI 测量的基础上，针对单探头移动测量导致测量精度不高、测量效率低且局限于平面近场测量等问题，设计了一种组合探头阵列，以提高测量精度及效率。实际测量直观显示了全向天线和定向天线的辐射EMI 分布，与理论辐射EMI 分布一致，验证了探头阵列的高测量精度；与单探头的测量时间对比得出，同条件下探头阵列的测量效率提高了16.7%，验证了探头阵列的高测量效率。改变不同高度可重构设备的辐射EMI 空间状态。在其他条件相同时，干扰强度随着距离的增加而在逐渐减弱，但在干扰位置有极值，峰值电压每隔5 cm 相差约为3 mV；干扰强度随功率增加而逐渐增强，峰值电压每隔5 dBm 相差约为5 mV。从同频干扰和带内干扰的近场测量结果对比发现：在其他条件相同时，同频干扰比带内干扰对设备造成的干扰更严重。从不同频率干扰的近场测量结果对比发现：频差越大的干扰对设备造成的干扰越小，而邻近频率的干扰对设备造成的干扰较严重。

综上所述，探头阵列在开放环境中设备的辐射EMI 空间状态分析和干扰模式判断方面满足对干扰的测量要求，具有重要的工程应用价值。