电磁兼容扫描平台探头及固定架改造
时间：2023-06-25 21:10:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
俞勇祥， 马 皓
(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)
一款成熟的电子产品，除了需要实现产品本身的功能设计，还需要考虑其电场、磁场和热分布等方面的特性。电场设计可以通过合理的安全距离和有效的绝缘手段来控制，热分布可以通过初期的热阻和损耗估算来控制，但电磁辐射的产生与电路的工作频率、功率、拓扑、线路布局甚至是材料都息息相关，在设计初期难以估算，且其出现的位置具有广泛性，除了常见的变压器、电机等磁性元件[1]外，电磁辐射有时也会出现在线缆[2]、散热器等部位。电磁辐射的出现对生物[3]以及各种用电设备都存在一定的危害，随着电子设备的增多，电磁辐射在各行业引发的危险也日益显著。例如与医疗健康相关的植入式心脏起搏器[4]和彩超诊断设备[5]、与定位和通信相关的5G基站[6]和北斗卫星上行信道[7]、与交通相关的船舶[8]和汽车[9-10]等，都有可能会受到电磁辐射的干扰而出现工作异常。因此，进行电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)研究具有重大意义[11]，其目的是查找电磁辐射源、降低电磁辐射、增强设备抗干扰性，使各种用电设备能够在一定的条件下实现共存，各自工作而不互相干扰。
作为电磁兼容的一个重要分支，电磁兼容测试是查找电磁辐射源、评估电磁干扰等级的一种有效手段[12-13]。利用电磁兼容扫描平台(EMC Scanner)，可以对小到单个电子元器件、电路板，大到设备整机进行周边磁场精确测量，通过正常工作状态下被测设备周边电磁场信号的强弱来反映其对周围电子设备干扰的强弱，能够快速定位电磁辐射来源，是电器产品设计和研发过程中非常重要的设备仪器。本文改造的电磁兼容扫描平台如图 1所示，该平台是从瑞典引进的大型贵重仪器设备。该设备自投入运行以来，虽情况良好，但在实际使用中还存在一些问题，例如探头进行设备内部辐射扫描时，只能沿Z轴伸长，最大的测量面积和设备内部探测深度有限；
没有用于固定被测物件的支架，在每次进行测试时，只能进行临时的固定，造成固定位置的不精确甚至出现被测设备被探头推倒的情况，会直接影响测试效果。由于这些问题的存在，使得电磁兼容扫描平台的正常使用受到了很大的制约。针对市场上电磁兼容被测件的测量尺寸、深度、方向等方面开展了调研，在原有设备的基础上增加了一组水平测量探头，多组探头之间切换快捷、结构牢固、角度精确。通过软件参数匹配，改造后的探头测量速度快且精准。同时增设了一对通用性固定架，采用可移动轨道方式，可在任意位置固定被测件，极大地提高了设备灵活性。
图1 电磁兼容扫描平台原探头及机构
1.1 测量范围及灵活性优化
从图1可以看出，传统EMC扫描平台的测试探头沿Z轴(空间垂直轴)放置，测试时探头会在XY轴平面进行移动扫描。若被测件由多块电路板平行组装而成，当精确查找被测件内部EMC辐射源时，需要探入被测件内部电路板之间进行扫描。但是很多这类被测设备都有金属外壳，探头只能通过拆除前置面板后探入，所以需要将设备翻转让前置面板朝上。这样一来，往往在设备背面的散热风扇就会被测试平台挡住，从而影响设备运行。且EMC 扫描平台的Z轴测试范围内最大移动距离为20 cm，对被测设备的纵深限制较大。为了提高EMC扫描平台的测试范围和测试适应性，在原有EMC扫描平台的基础上增加了一组与扫描平台XY轴平面平行的探头，具体结构如图 2所示，使之不仅可以沿Z轴伸入设备进行扫描，同时也可以沿X轴或Y轴进行被测件内部扫描，且最大测量纵深限制由原来的20 cm扩大至60 cm。
图2 与扫描台面平行的探头结构示意图
现有的EMC扫描平台所附带的配件都经过专门的阻抗匹配和软件参数调整匹配，确保了测量结果的精确度。为了在保证测量精度的前提下达到改造目的，探头的改造不能破坏现有设备配件的屏蔽层以免引入测量误差，应以最小的改动实现探头转向。同时为了便于EMC扫描平台在探头垂直和水平测量模式之间快捷切换，本文基于BNC直角转接口进行探头改造，而转接头带来的系统软件参数匹配以及测量精度影响将会在第2节详细分析。
1.2 被测件固定方案优化
(1) 固定架材料特性分析。
根据材料的电磁特性，多数材料存在于磁场中时会对磁场的分布造成一定的影响。利用EMC扫描平台测试了被测件固定在磁芯、钢板、铝板、环氧板等常见材料上时的电磁场分布情况，可以发现当固定材料为钢板、铝板等金属材料以及磁芯等高磁导率材料时，一旦被测件辐射源靠近固定架，则其周边的磁场强度会存在一定程度的变化，且磁场分布也随之改变。本文以圆环线圈为辐射源，利用ANSYS 3D有限元仿真软件对辐射源周边放置不同材料时的空间磁场强度进行了仿真，如图3所示。
图3 圆环线圈辐射源在不同材质附近时空间磁场强度分布图
当圆环线圈周边无遮挡物时，即辐射源周边仅为空气或真空状态，其空间磁场强度分布呈对称结构；
当圆环线圈附近有高电导率的金属材料(如铝等)时，则会在铝板上产生感应涡流，且铝板本身会对电磁场进行反射和折射，最终表现为铝板对磁场具有屏蔽效果；
当圆环线圈附近放置软磁铁氧体等高磁导率材料时，则会因高磁导率材料提供的低磁阻磁通路径而改变磁场传播方向。
对多种材料进行磁场影响测试和强度检验后，最终选定环氧板作为固定架的制作材料，该材料具有高电阻率和高磁阻率，对磁场不存在干扰，同时具备耐高温性和高强度特性。将辐射源放置在环氧板上的空间磁场特性与辐射源周边为空气时一致，如图3(a)所示。
(2) 固定夹具结构设计。
使用EMC扫描平台时多数被测件为成品电路板，一般会设计螺丝孔，便于组装时用螺丝固定到机箱内部，所以固定架可以采取开孔设计将环氧板改造成冲孔环氧板。进行EMC扫描时可以根据电路板上的螺丝孔位置选取固定架上对应的冲孔，并用绝缘塑料螺柱进行固定。一些不规则形状的被测件也可以采用塑料螺柱作为支撑杆的方式进行固定。对于一些单一的小型元件,测量时可以用塑料扎带进行固定。通过对冲孔板孔洞大小和间距进行调研可知，选择30 mm的间距以便于不同被测件的固定，从而提高了系统适应性和便捷性。
确定固定架材质和被测件固定方式后，需要对固定架与扫描平台连接进行连接件结构设计，在确保固定架稳固且具有一定的固定强度基础上提高固定架的可移动性和位置精确度。为了增强固定架的位置灵活性，固定架被增设在了EMC扫描平台上移动范围最大的X轴方向的两端，如图 4中的A、B件所示。
图4 EMC扫描平台两端增加固定被测物件的通用性固定架A、B
2.1 探头改造
EMC扫描平台原有探头如图 5(a)所示，由于其本身的机械结构特性，原有探头比较适合测试被测物体的表面磁场强度。若是需要测量图 5(b)所示的设备内部磁场辐射源，则需要将设备倒置，将探头从Z轴伸入设备内部。但如前所述，由于设备存在风道设计、最大纵向深度等问题，部分被测件(如带机箱被测件)工作时要求设备只能平放，工作时不允许倒置，会给EMC扫描带来难度。图 6(a)为改造后的探头结构，在探头接口处增加了一个直角转换接头，使探头可以在水平方向上延展，所以可以在水平范围内深入到被测件内部进行测量，同样的多层结构被测件就不需要倒置进行测试，如图 6(b)所示，这为多层结构被测对象的EMC扫描提供了极大的便利。
图5 探头改造前示意图
图6 探头改造后示意图
2.2 软件设置匹配
EMC扫描平台常年使用后移动精度下降，存在移动位置偏移情况，如图 7所示，容易出现探头原点(X=0,Y=0,Z=0)位置偏移，软件设置移动至(600,400,0)时实际移动距离与理论距离不符等问题，需要对设备进行软件参数重新匹配。且使用直角转接头后，探头真实原点会与Z轴在扫描台上投影位置存在固定的水平偏差，所以还需要另外定义一套适用于水平探头的软件测试参数用于垂直测试模式和水平测试模式的切换。
经多次调整校验之后，系统偏移的依据参数如表 1所示。该参数同时适用于垂直测试模式和水平测试模式，且需要定期进行校准。
图7 设备探头偏移问题
表1 EMC扫描平台软件系统偏移参数校准
校准后的原点补偿参数如表 2所示，该套参数默认为水平探头延伸方向为X轴。若需进行Y轴方向延伸测试，则需要将补偿差值调整至Y轴的原点编移。
表2 EMC扫描平台原点补偿参数校准
校准后的探头在不同输入坐标下定位如图 8所示，与设定值相符。
图8 探头调整后移动情况
2.3 转接探头对测量影响测试
EMC扫描平台所提供的近场探头连接线可以通过增加多节延长杆来适配不同的垂直测量范围需求，所以EMC扫描平台本身对连接线的阻抗做了一定的容错设计。本次扫描平台改造采用的转接头为标准BNC转接件，其具有较低的接触阻抗和较好的屏蔽效果，理论上对测量结果不会造成影响。为了测试转接头对系统检测值的影响，搭建了图 9(a)和图9(b)所示的校准平台。在保证探头和被测件(2.5 mH电感)相对位置不变的情况下(如图 9(c)和图9(d)所示)，通过信号发生器在被测件上施加交流正弦信号，以原有探头平台为基准来校准改造后的探头，测试平台具体参数如表 3所示。经过多组频段测试后，发现转接头对系统检测精度没有影响，故灵活使用转接头可有效提高系统检测能力和范围。
表3 转接头影响测试平台参数
图9 探头校准测试平台
2.4 固定架设计
如第1节所述，为了便于一些被测件的固定，在扫描平台的X轴方向两端增加了可以用于固定大小不同的被测物件的通用性固定架，如图 10所示。固定架采用环氧板材质，做成冲孔板结构。固定架与EMC扫描平台通过图 10(b)所示的特制铝合金滑块进行连接，铝合金滑块内部开槽，可以保证固定架在EMC扫描平台原有滑轨上进行平行滑动，当固定架移动到预定位置后再通过紧固螺丝将其稳定地固定在预定位置。
图10 EMC扫描平台加装固定架结构示意图
固定支架的增设使系统可为一些需要垂直放置但直立不稳的被测件的固定提供了很大的便利，实际测量时可以根据被测件上的螺丝孔位置选取固定板上对应的冲孔，用塑料螺柱或者扎带进行固定。新型固定架的增设同时还可以扩大EMC扫描平台的使用功能，例如辅助无线充电系统设计。大尺寸、大气隙非接触电能传输系统的设计难点一直是空间磁场分布的设计及优化，基于EMC扫描平台，可以直观测量空气中的磁场强度分布，并根据测量结果进行松散耦合变压器结构优化，如图 11所示。
图11 利用EMC扫描平台对无线充电进行优化
本文对现有EMC扫描平台进行了优缺点分析，并据此增设了一组与扫描平台平行的探头，使探头既可以在垂直面上进行设备内部平移扫描，也可以在水平面上进行设备内部平移扫描，大幅提升了平台扫描范围，为多层结构设备的电磁兼容扫描提供了可靠的支持。经验证，转接头的存在对系统测量值没有影响，且使探头的测量方式选择灵活、水平测试模式和垂直测试模式更换方便快捷。新型固定支架的增设为系统被测件的固定方式提供了多样化选择，特别是使一些需要垂直放置但直立不稳的被测工件得到了有效固定，提高了测试稳定性。改造后的EMC扫描平台扩大了被测件的测试范围和使用方法，使其能够更好地为本专业或其他相关专业的教师、科研人员和学生提供电子产品电磁兼容测试服务，在节省大量测试费用的同时，提高了大型设备的利用率。
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