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TEM和GTEM 辐射发射和辐射抗扰性预测试指南

TEM及GTEM原理及区别和运用指南

本文主要介绍TEM cell和GTEM的原理、区别、运用指南。

当您寻找用于EMC预一致性测试的经济高效的台式工具时,没有什么可以与TEM单元的效用相提并论的。

TEM cell(或GTEM)也许仅由电流探头提供支持,它提供了一种测量产品发射的低成本方法,并且有助于使产品受到辐射场的影响。

在某些情况下,FCM甚至会接受GTEM结果以进行设备授权。继续阅读下面的内容以了解操作方法。

目录:

  • 1、什么是TEM-cell?
  • 2、TEM-cell有什么用?
  • 3、使用TEM-cell进行辐射发射测试
  • 4、使用TEM-cell进行辐射抗扰度测试
  • 5、使用TEM-cell进行EMI故障排除
  • 6、不同类型的TEM-cell
  • 7、GTEM用途
  • 8、GTEM与OAT的关联
  • 9、FCC对GTEM-cell的规定
  • 10、TEM cell产品推荐

1、什么是TEM-cell?

“ TEM”代表“横向电磁(模式)”。那是什么意思?!好吧,电磁辐射的横向模式是在垂直于(即横向于)辐射传播方向的平面内辐射的特定场模式。TEM单元是在每一端逐渐变细以形成几何形状的矩形同轴传输线,该几何形状专门设计用于在给定的频率范围(通常为DC至几百MHz)上创建TEM模式。

TEM单元的有用频率范围由其几何形状决定,但通常遵循以下规则:TEM越大,可用的上限频率范围越低。在某个截止频率之上,会创建更高阶的模式(如下所示),这会使所有测试量在整个测试体积中都不稳定。

TEM-CELL原理
TEM-CELL原理

“也许解释TEM的最简单方法是通过它的作用:TEM可以让您测量产品的辐射场强,并使产品经受给定的场强。”

TekBox TEM单元说明
TekBox TEM单元说明

 

TEM单元的主要方面如右图所示(技术上是“三板线”或“三板开放式TEM单元”,因为它在顶部包括一个额外的接地板),它们包括:

射频连接器:用于连接至同轴电缆,该同轴电缆又连接至频谱分析仪或信号发生器/功率放大器,具体取决于它是否用于发射或抗扰度测试。

外部屏蔽层:连接到附带的同轴电缆的屏蔽层。在所示的三板式模型上,有两个接地板。从技术上讲,TEM-cell仅需要一个接地板。

直流模块:用于保护分析仪的敏感输入,以防万一意外将直流电压施加到隔垫上。

隔垫:中心导体。

50欧姆负载:这是传输线的终端。与任何传输线一样,如果没有适当的端接(例如,较大的不匹配负载),则会收到信号反射。

TEM单元构造

下面是TEM单元的制作方法的详细信息。为此,我拆开了ESDEMC EM601-6和TEKBOX TBTC1单元并拍摄了几张照片:

TekBox TEM结构图
TekBox TEM结构图

这样设计,使得隔膜和外板之间的电场线相当均匀。

在外屏蔽层和放置被测产品的隔垫之间会创建一个“测试体积”。在此测试体积内,测量值相当均匀,只有几dB。

TekBox的数据显示,在12cm x 12cm x 9cm的体积内,500 MHz测试信号的测量值变化约-4dB至+ 5dB。在EMC领域,这是相当稳定的。

2、TEM-cell有什么用?

在下面的部分中,我将深入介绍TEM单元的所有各种用例。

3、使用TEM-cell进行辐射发射预一致性测试

TEM单元的主要功能之一是测试从DUT(被测设备)发出的辐射场。工程师一直在寻找一种虚幻的方法,以确定他们的产品在测试实验室中是合格还是失败。近场探头无法做到这一点,因为在没有相位信息的情况下无法从近场到外场精确推断。

穿过TEM单元的波具有大约377Ω的自由空间阻抗(直至上限频率),这恰好是在自由空间中传播的远场平面波的阻抗。在OATS(开放区域测试站点)或半消声室中,测量天线放置在3m或10m的间隔处,这对应于分别以100 MHz和30 MHz的相应频率位于远场中。因此,使用TEM-cell进行的测量与在全能测试实验室进行的测量有着密切的关系。

顺便说一句,这个377Ω的自由空间阻抗描述了电振幅(V / m)与磁场(A / m)之间的关系,类似于377Ω的电阻将电压(V)关联到电流(I)根据欧姆定律。对于全兼容辐射发射测试,测量换能器通常是对电场,双圆锥或喇叭形天线,它们对电场都敏感。由于这种自由空间阻抗,我们可以平等地测量EUT的磁场,但是就天线尺寸和形状等实用性而言,使用电场天线更加方便。

辐射发射测试装置

辐射发射TEM-cell测试设置
辐射发射TEM-cell测试设置

 

TEM-cell的优点之一是其简单性。通过可选的DC模块将一个端口连接到频谱分析仪,将另一个端口连接到终端电阻,然后将产品放置在隔垫和外部导体之间,即可开始测量。

将频谱分析仪调到感兴趣的频率范围,您很快就会发现是否有可疑的发射。

环境噪声

如果您使用的是开放式TEM单元,那么您可能还会看到环境噪声信号,例如FM,Wi-Fi和手机无线电传输。开放区域测试站点也有此问题。要确定发射是“环境”发射还是来自EUT,可以使用多种技术:

  • 关闭EUT。如果发射消失,则来自被测设备。
  • 移动/旋转EUT,查看发射的幅度是否增加或减少。
  • 减小分析仪的跨度,使其仅关注一个峰(eh跨度= 1 MHz),并将分辨率带宽(RBW)减小至10 kHz或更低。这通常会显示出在较高RBW时隐藏在环境后面的发射。

本底噪声

TEM单元的一个常见问题是EUT的发射强度可能不足以在频谱分析仪屏幕上所示的本底噪声以上被检测到。有一些选项可以提高测量灵敏度:

  • 如果您的EUT尺寸允许,请使用较小的(更敏感的)TEM。
  • 在TEM和频谱分析仪之间插入前置放大器。常见的前置放大器增益为20dB或40dB。增益较高的风险是饱和或频谱分析仪输入级损坏。
  • 将频谱分析仪中的内部填充衰减降至零。
  • 减少频谱分析仪的RBW设置。
  • 使用屏蔽的TEM(有关更多信息,请参阅下面的部分)。

在所有这些方法之间,您应该能够看到所有感兴趣的窄带和宽带发射。

TEM对辐射测量的局限性

如果TEM-cell能够准确地告诉我们我们的产品是否符合监管规定的限制(例如FCC的辐射发射限制),那将是非常奇妙的。

有一些问题使这成为一个挑战(但并非不可能!):

  • 通常,导致RE故障(尤其是在几百MHz以下)的辐射元件是连接到EUT的电缆。在小型TEM甚至更大的TEM中,电缆布局在测量幅度中起着很大的作用。这就是为什么我建议将TEM单元与电流探头配对的原因。
  • 发射趋向于定向(与各向同性相反),这意味着EUT在TEM中的方向可以极大地影响测量。在某些GTEM中,制造商试图通过自动化测量过程来解决此问题。他们在X,Y和Z方向上执行EUT的测量,并将测量结果组合起来以产生一个值,他们声称该值与远场测量值具有良好的相关性。有关GTEM和相关性的更多详细信息,请参见下文。

4、使用TEM-cell进行辐射抗扰度测试

TEM-cell的另一个常见用例是辐射抗扰度测试。

信号发生器和功率放大器连接到一个端口,并且50Ω终端电阻再次放置在第二个端口。

辐射抗扰度 TEM-cell测试设置
辐射抗扰度 TEM-cell测试设置

 

在这种配置下,在隔垫和外罩之间会建立一个非常稳定的磁场。

TEM的间隔和屏蔽层之间的电场(以伏/米(V / m)为单位)由以下简单公式给出:

E = V / d其中V是施加的信号的RMS电压,d是隔垫与下部(或上部)导电层之间的距离。这是基于简化的假设,即电场是完全均匀的(即均匀分布)。

一个更实用的公式是:

E = V * Cor / d其中,Cor是对EUT体积上的平均场强的校正因子,该场强是通过对单元横截面的场分布分析得出的。

特别是对于TekBox TBTC1,假设将EUT放置在样品池 的中心以及底板和隔垫之间的中间位置,则可以以足够的精度使用以下公式。

d = 5厘米E =(√(P *50Ω))* 20
d = 10厘米E =(√(P *50Ω))* 10
d = 15厘米E =(√(P *50Ω))* 6.66

这产生了以下场强:

TEM-CELL输入功率与场强
TEM-CELL输入功率与场强

您将在这里注意到的是,使用相对较小的放大器可以产生相对较高的场强。

仅用0.1W即可在TBTC1中产生44 V / m。

在完全合规性测试实验室中,等效的测试设置如下所示(根据IEC 61000-4-3):

 

IEC61000-4-3 辐射抗扰度测试设置
IEC61000-4-3 辐射抗扰度测试设置

 

要在测试实验室中产生44 V / m,您需要:

  • 消声室($ 500k – $ 1m)
  • 2或3个大功率天线
  • 大功率射频放大器(> $ 50k)

相比之下,TEM单元看起来相当不错!这就是为什么许多制造商投资于TEM单元或GTEM进行辐射免疫预一致性测试和故障排除的原因。

有些甚至使用TEM单元进行全面的一致性测试。下面的更多内容。

5、使用TEM-cell进行EMI故障排除

TEM单元对于比较配置特别有用。如果您的产品在EMC测试实验室中失败,并且您想要进行修改并测试修改的效果,则TEM将使您能够在办公室进行此操作,而不必使用昂贵的测试实验室。

尽管TEM不允许您精确地隔离电路板上产生辐射的位置,但可以使用一组低成本的近场探头来解决这一问题。当您要量化PCB更改的影响时,TEM就会发挥作用

由于大小,它主要用于调试PCB级别的问题。

下图中的红色扫描板EMSCanner用于扫描PCB近场发射EMI整改,单次测试时间小于5分钟,可在普通实验室进行测试和整改。测试频率可达150kHz-8GHz,详情点击以下链接查看:

EMSCanner 电磁干扰扫描装置 150kHz-8GHz

PCB整改装置
PCB整改装置

6、使用TEM单元进行组件评估

众所周知,来自不同供应商的相同组件可能具有截然不同的EMI性能。这就是我真的建议采购一些模型,然后在TEM单元中评估其EMI性能的原因之一。您将很快就能看到它们之间的比较。

此技术对于评估以下组件很有用:

  • 液晶显示器
  • IC模组
  • 电源模块

……仅举几例。我已经看到纸上具有相同规格的组件会在+/- 40dB的EMI水平上变化。这是关键的一步。

另一个需要注意的“陷阱”是,一些不道德的供应商在评估了最初提供给您的黄金设备后,将删除“昂贵”的过滤组件。在这种情况下,您的第一批产品运行的EMI性能可能与您进行的预一致性测试完全不同。

使用TEM单元对生产单元组件和先前评估的组件进行基准测试将有助于解决这些问题。

更换组件后使用TEM单元监控持续的合规性

在去年的EMC研讨会上,我有机会向EMC讲师Keith Armstrong询问了最近他注意到的EMC的最大趋势是什么。他的反应不是你想像的。

他看到的最大挑战之一是IC制造商正在为缩小成本而缩小芯片尺寸。在缩小芯片的过程中,压摆率会降低,峰值RF电流需求会增加,因此发射会增加。很少或根本没有提及这些换模,但这可能会使产品从合规性变为不合规,而制造商却不知道。

测试新生产批次中的单元样本并与基准结果进行比较将再次帮助解决此类问题。

使用(G)TEM单元进行RF发射机测量

TESCOM TEM-cell
TESCOM TEM-cell

 

TEM单元的另一个有用功能是允许对故意发射机进行基本和谐波发射测试。

在诺基亚工程师在战es中的这份出色的应用笔记中,斯蒂芬·克莱(Stephen Clay)描述了他在诺基亚所做的努力,以将GTEM中的测量结果与在手机的室内和OATS中进行的测量结果进行关联。

他发现,考虑到正确设置测试设置并通过4个方向进行测量,他可以获得很好的相关性。

使用TEM池进行各向同性磁场探头校准

TEM的主要好处之一是在隔垫和外板之间产生非常稳定且在数学上可预测的场强。

此属性可用于在广泛的频率范围内准确校准各向同性场探头。K. Matloubi 在论文“ 各向同性电场探头的校准方法 ”中描述了一种实现此目的的方法。

校准后,可以在某种程度上具有讽刺意味的是,可以使用场探针来校准场,以便在半消声室中进行辐射抗扰度测试。

使用TEM-cell进行屏蔽效能测试

使用两个TEM单元测量材料的屏蔽效果
使用两个TEM单元测量材料的屏蔽效果

 

使用稀有的双TEM单元,可以在一个TEM中产生一个已知场,而在另一个TEM中精确地测量衰减场。

通过将被测材料放在两个TEM之间的孔中,可以精确表征材料的屏蔽效果。

6、不同类型的TEM-cell

正如您现在可能已经注意到的那样,有许多不同类型的TEM单元。阅读以下内容,了解每种用途的优缺点。

开放式TEM单元

TEKBOX TEM-cell
TEKBOX TEM-cell

 

像左图所示的那样,一个开放的TEM单元是一个不错的低成本选择。

优点:

  • 低成本
  • 轻巧且易于存放
  • 大型EUT可以从侧面滑入
  • 如果被测设备很长,则可以在其长度上的多个点进行测试
  • 电缆进入/退出TEM不需要过滤器

缺点:

  • 打开以接收环境噪声
  • 除非在屏蔽室或帐篷中使用,否则辐射抗扰度测试可能是非法的
  • 取决于TEM大小,上限频率限制为几百MHz

封闭(屏蔽)TEM单元

封闭(屏蔽)TEM单元
封闭(屏蔽)TEM单元

 

优点:

  • 减少/消除了窄带环境噪声的测量
  • 无需担心法律问题即可完成辐射抗扰度测试
  • 降低本底噪声

缺点:

  • EUT尺寸受限于门尺寸
  • 将电缆从TEM中取出是一个挑战。未经过滤的电缆会在腔室内外传递噪音,因此通常需要定制过滤器面板
TEKBOX屏蔽帐篷
TEKBOX屏蔽帐篷

 

也可以在屏蔽罩中使用开放式TEM。不必是屏蔽室,它可以是一个较小的屏蔽帐篷结构,如下图所示。

下图是使用(粉红色)而未使用(黄色)屏蔽帐篷的情况。如您所见,环境消失了,总本底噪声降低了10-13 dB。这样可以更轻松地分辨出您正在测试的产品发出了什么,以及潜在地暴露了本来可以掩盖在测试设置本底噪声中的辐射。

非屏蔽(黄色)与屏蔽(粉红色)测量图
非屏蔽(黄色)与屏蔽(粉红色)测量图

 

顺便说一句,对于汽车模块测试可能需要的电流探针测量,像这样的屏蔽帐篷对本底噪声具有类似的影响。对于某些标准中指定的低极限线,要在本底噪声和极限线之间获得足够的余量可能是一个真正的挑战。一个屏蔽室或热门可以帮助这一点。

7、GTEM用途

如果您买不起半消声室,但仍然希望在内部进行发射和抗扰度测试,那么GTEM可能是下一个最好的选择。

我过去曾写过有关GTEM的文章,例如《EMC预一致性测试指南》和《 EMC测试入门指南》中的排放预合规性章节。它们是非常有用的工具,但也有其局限性。在下面阅读一些优点和缺点。

GTEM cell
GTEM cell

 

优点:

  • 可以容纳相当大的EUT
  • 在某些情况下可以用于“完全合规”发射和抗扰度测试(请参阅以下部分)
  • 如果安装了“老板操纵器”,则可以与腔室/ OAT测量获得良好的相关性
  • 根据型号的不同,测量范围可以扩展到20 GHz左右

缺点:

  • EUT尺寸受限于门尺寸
  • 电缆管理可能是一个现实问题
  • 将所有电缆进出GTEM所需的过滤器面板
  • 低频响应较差会降低与OATS测量值的相关性,低于数百MHz

美国AR Cell

GTEM的一种变化是Amplifier Research的ARCell。它们不再制造,但您可能会在野外看到它们。

美国AR Cell
美国AR Cell

 

这些是半消声室和TEM单元之间的混合体。ARcell外壳的内部衬有RF吸收材料,可形成独立的半消声外壳。它包括两个现场发射和接收设备。内部对数周期天线在较高频率下充当发射/接收设备,而可选的领结天线可以在较低频率下使用。它允许垂直和水平极化。

优点:

  • 进化设计–在单元内部创建局部FAC
  • 通过使用吸收器限制反射来实现场均匀性
  • 非常适合辐射抗扰度测试

缺点:

  • 一般限制的排放精度
  • 吸收器降低了RF输入效率,产生了所需的场强(在80%调制时通常高达10 V / m)需要更多的功率

其他

多年来,TEM单元/ GTEM还有其他变化。这些包括LaplaCell,Eurotem和WTEM。每个人都有其自身的优点和缺点。

8、TEM cell与OATS /腔室的相关性

我得到的最常见问题之一是,是否可以使用近场探头或TEM单元来确定您的产品在EMC测试实验室中是合格还是不合格。在上文所述的用例中,这一用例称为“辐射符合性测试”。

幸运的是,在GTEM cell与OAT和室测量之间的相关性方面有一些很好的数据。

我在该主题上找到的最广泛的论文是英国国家物理实验室的Angela Nothofer和Martin Alexander以及York EMC Services的Didier Bozec,Andy Marvin和Les McCormack撰写的“ 使用GTEM单元进行EMC测量 ”。有限公司

在本文下面的图表中,您可以看到,在使用yorkemc CNE参考源的GTEM中,从32 MHz到6 GHz测得的相关性相当不错。请注意,要获得这些结果,他们必须格外注意测量方法。

使用yorkemc CNE参考源的GTEM
使用yorkemc CNE参考源的GTEM
GTEM和OTA测试结果比对
GTEM和OTA测试结果比对

 

使用TEM-cell进行辐射预一致性测试时的主要挑战之一是,主要的辐射源通常不是电路板,而是连接到电路板的电缆。这在较低的频率(低于几百兆赫兹)时是一个问题,随着频率的增加,这个问题变得越来越少。随着频率的增加,主要发射模式从共模信号转换为源自电路板本身的差模信号。

9、FCC对GTEM-cell的规定

GTEM结果与OATS /腔室结果之间的相关性非常好,以至于在某些情况下,FCC将接受GTEM单元数据。

在  1993年12月2日发布的GTEM PN 40830公告中,FCC同意接受有限条件下的辐射排放测试数据,以用于第15部分设备授权的目的。这些条件是:

” 1.可接受的比较测量数据必须向采样和测量部门存档,并进行适当的分析,以证明与被证明符合C63.4-1992要求的开放区域测试场所相当。必须为被测设备的每种通用类型(具有类似功能和物理配置的设备,例如手持式发射机,膝上型计算机等)提供比较数据,以供将来接受GTEM数据。统计分析必须支持所计算的相关系数的有效性。

2.接受GTEM数据以证明其符合辐射限值的要求将仅限于先前已证明与空域测试相当的被测设备的一般类型。任何布线,无论是外部布线还是互连布线,都必须与先前提交者进行的等效演示相同地排列和端接。

3.在有分歧的情况下,应在满足ANSI C63.4-1992第5.4.1和5.4.6节要求的开放区域测试场所进行的最终辐射发射测试优先。”

然后,在1995年7月12日发布的GTEM PN 54796公告中,他们再次在有限的条件下扩大了对GTEM结果的接受,使其包括第15部分以外的规则部分。

根据有关您需要使用的测试程序和数据报告的指南,FCC指定了“ ANSI C63.4-2014附件F – TEM波导(30 MHz至1 GHz)中的发射测试的测试程序”和“附件G –将OATS样本转换为TEM波导验证电子表格”。如果您想探索此授权途径,建议购买此标准。

10、TEM-cell出售

美国ESDEMC 的TEM-cell 产品EM601-6横电磁波小室

美国FCC TEM-cell DC-3GHz

结论

如您所见,TEM单元对于任何公司而言都是容纳其EMC设备库的多功能工具。对于发射预一致性测试,抗扰性预一致性测试,EMC / EMI故障排除,组件评估甚至FCC测试,TEM单元是一款出色的传感器,能够解决许多问题。

作者:安迪·埃迪

安迪·埃迪(Andy Eadie)是前高级硬件设计工程师,还是前EMC测试实验室的所有者。自从4岁起,他就对磁铁产生了奇异的迷恋,他一直在发表文章,电子书和在线课程。