近场探头及其在EMC故障排除中的应用介绍

了解近场探头的工作原理及其在解决EMI问题中的应用。

在投放市场之前，电子产品必须符合电磁兼容性（EMC）的法律标准。EMC是指系统在不干扰其他设备或不受外部干扰的情况下正常运行的能力。由于对每个潜在用例进行测试是不切实际的，EMC标准包括一套评估产品性能的规则和条件。

EMC测试分为两大类：

排放测试：确保电力线、通信线和系统本身排放的能量保持在可接受的范围内。设备经常无法通过排放测试，因为它的某些部分会产生过多的辐射能量。

抗扰度测试：验证被测设备（EUT）即使在受到外部干扰时也能保持功能。最常见的故障原因是EUT的一个或多个组件对施加的电场或磁场过于敏感。

从产品开发的早期阶段就解决EMC合规性问题非常重要，同时还有时间解决出现的任何问题。一旦系统被设计和构建，就很难进行必要的修改。

不幸的是，当在正式的EMC测试活动中出现问题时，很难甚至不可能知道问题的确切位置。例如，假设我们正在EMC室中测试一个系统。每个EMC问题都有三个部分：

来源：产生过量排放的部件或结构。

受害者：受排放物影响的部件。

耦合路径：从源头到受害者的路径。

EMC室测量远场中的发射，因此这里的受害者将是测量天线，路径将是室内的自由空气。然而，我们仍然不知道排放的来源。

或者，假设计算机的屏幕在辐射抗扰度测试期间开始闪烁。问题的影响在屏幕上是可见的，但问题的根源可能是屏蔽有缺陷的屏幕电缆、主处理器对测试频率的敏感性，或者完全是其他原因。

识别电磁干扰（EMI）的原因通常需要特殊的工具。事实上，只要一个工具是近场探头，就有可能消除数小时的故障排除。在EMC测试期间，我们可以使用近场探头来识别源和受害者。正如我们将在本文稍后讨论的那样，它们也可用于验证EMI屏蔽的有效性。

什么是近场探测器？

近场探头（图1）是用于测量其源附近电磁场的诊断工具。它们对电场（E）或磁场（H）都很敏感。相比之下，远场测量无法将E场与H场分开，因此很难确定干扰来自哪里。

近场探头套件。

图1 近场探头套件。图片由Tekbox提供

近场探测器的物理工作原理基于麦克斯韦方程组。当置于时变电场中时，电场探头会产生可测量的电压。类似地，H场探头在存在时变磁场的情况下产生可测量的电流。

近场探头，无论是E场还是H场，通常与频谱分析仪一起使用，以观察频率分布。然而，如果你想观察时间变化，也可以使用带示波器的近场探头。

为什么在EMC测试中使用近场探头？

正如我们上面提到的，近场探头可以帮助我们在EMC故障排除期间执行以下操作：

识别排放源。

查找敏感组件。

验证屏蔽的有效性。

识别排放源

让我们回到我们的第一个例子，我们在EMC室中测试了一个系统，遇到了过量排放。为了排除故障，我们需要知道哪个组件或结构是问题的根源。近场探测器如何帮助我们找到它？

在近场中，我们将有一个主导的电场或磁场。因此，我们需要E场和H场探测器来找到排放源。为了测量发射水平，我们将探头放置在电路附近。知道高水平发射的频率，我们可以测量EUT周围的磁场或电场。

查找敏感组件

在抗扰度测试中，我们施加强电场或磁场，观察系统是否按预期工作。当一个系统测试失败时，这是因为一个组件或一组组件对施加的场及其频率很敏感。假设我们知道可能干扰EUT的频带，我们可以将信号发生器连接到探头，并产生一个复制EMC实验室观察到的行为的场。

验证屏蔽效果

EMI屏蔽用于吸收或反射电磁能。图2显示了EMC胶带的一个示例，这是一种EMI屏蔽形式。

用于屏蔽电子设备的EMC胶带。

图2 用于屏蔽电子设备的EMC胶带。图片由Holland Shielding提供

在设计屏蔽时，有两个主要参数需要考虑：

频率范围。

衰减。

为了测量屏蔽的有效性，我们将一个近场探头连接到信号发生器，将第二个近场探针连接到频谱分析仪。Kenneth Wyatt的文章“用两个近场探头测量屏蔽效率”详细描述了这一过程。为避免错误测量，请务必考虑探头的频率限制。

近场探头的有效使用

现在我们已经清楚地了解了为什么近场探头在EMC故障排除中很有用，让我们简要回顾一下如何充分利用探头的一些技巧。最常见的设置是通过同轴电缆将探头连接到频谱分析仪。为了减少直接耦合到电缆中的高频噪声，您可能需要在同轴电缆中添加铁氧体。

探头尺寸将决定其灵敏度。大型探测器可以捕获高水平，但空间分辨率低。从大探头开始，然后在确定产生排放的区域后使用较小的探头。系统化并遵循迭代方法。

拥有可访问的工具来解决EMC问题对于控制风险至关重要。近场探头是一种易于使用的工具，从第一个原型到整个系统的认证，都可以在经过认证的实验室中使用。正如我们现在所看到的，它们可以用来定位有问题的组件或测量屏蔽结构的有效性。通过这样做，近场探头可以帮助硬件设计人员和EMC测试人员以实惠的价格缩短上市时间。