摘要：  本文对新型电磁干扰高速扫描系统与热扫描系统的电磁兼容诊断设备特征及应用作分析说明。

关键字：  高速扫描，精确定位，探测，抗干扰高速扫描，精确定位，探测，抗干扰

把EMI/EMC/EMS问题的考虑和抑制引入到设计阶段，让设计工程师及早发现问题，及时采取有效措施，消除或抑制电磁干扰，从而加快产品的设计进程，提高设计质量，节省开发费用，确保产品及早通过EMC测试。这是关系现代电子产品是否能用还是不好用的重要设计步骤。为此本文对电磁干扰高速扫描系统与热扫描系统的电磁兼容诊断设备特征及应用作分析说明。
首先应对现代电子产品中有哪些组件需要解决EMC/EMI/EMS的问题作介绍。即看清电磁场与精确定位EMC问题，它包括：定位器件、单板、机箱式／机架式设备，接插件及电缆的EMI问题；评估PCB设计质量；评估屏蔽、滤波、接地等对EMI/EMS的影响；找出定位EMC测试及敏感度(EMS)测试（发射及传导）失败的原因，以帮助工程师迅速正确解决EMC/EMI/EMS问题并积累经验，这就是电磁兼容诊断设备应用的首要与关键。
1 电磁干扰高速扫描系统
1.1 系统结构与特征
1.1.1 结构
采用新型阵列天线来测量放在扫描器上的工作着的被测设备的近场幅射。这个天线阵列由1280(40×32)个小型H一场探头组成。即EMSCAN IV组，见图1(a)所示。
它包括：控制器，控制器采用了实时QNX操作系统，通过以太网接口连接到终端计算机；扫描器，具有低频段、高频段、射频段等三类扫描器，频率范围从10kHz到3GHz；软件，安装于计算机上，所有的操作都在终端计算机的中文界面中完成；频谱分析仪及计算机用户自己购置，一般常用的频谱分析仪及计算机均适用。
1.1.2 特征- EMI的瞬间突显
从以下图形可以充分反映出该电磁干扰高速扫描系统的特征，即能将EMI的瞬间暴露出来。
*频谱扫描。测量和画出选定频率范围内频率的幅度峰值，从中可以看出电路板上有问题的频率，见图1(b)所示。
*空间扫描。用来确定选定频率点的辐射源的具体位置及强度，给出EMI位置和强度的图形。不同的幅度以不同的颜色表示，形成一张地形图，可以实时看到电磁场。空间扫描的结果可以与PCB设计图或者机箱的结构图叠在一起显示。这样可以让我们更容易看清是什么部件产生的辐射，见图1( c)所示。  
*频谱／空间扫描
对选定区域进行一个频率范围的扫描，测量被测物每个空间位置上整个频率段的辐射情况，测量一次后，可以在自己的计算机上对测量结果进行细致的全面的分析，如合成频谱功能（几个空间点的频谱图）和合成空间功能（几个频率点的空间分布）。不需要再次测量，可以任意组合空间位置查看合成频谱图，或者任意组合频率点查看空间分布图，见图1(d)所示。频谱／空间扫描能迅速定位干扰源的具体位置，功能非常强大。
1.2 先进的电磁干扰扫描系统
之所以称其为先进的电磁干扰扫描系统有如下原因。
*高速扫描，快速精确定位：阵列探头技术及专用控制器的应用，让我们实时看清活动的电磁场。
*捕捉瞬态电磁干扰的能力：所特有的连续扫描方式以及峰值保持功能，能捕捉到一般手段所无法捕捉到的瞬态电磁干扰。
*频谱／空间扫描：能一次测量获取被测物完整电磁场信息，能迅速准确定位电磁干扰源。
*全方位测量任意体积的被测物，能扫描测量任意尺寸的PCB、机箱、机架、连接电缆，还能排除系统互连中的电磁干扰问题。一次可扫描304×244mm。由于扫描器是一个厚度仅1.2cm的全绝缘的平板扫描器，重量轻，速度快，可以进行分次分区域的多次扫描。也能非常方便地插到被测物的内部进行扫描。
*精心设计的探头阵列：探头以间距7.6mm排列，呈人字形交叉排列，能测量各个方向的电磁场。
*功能强大的后台分析和处理能力，空间叠加显示功能：可以接收光绘文件、DXF文件、HPGL文件，与扫描结果叠加在一起显示。频谱叠加显示功能：可以把两次频谱测量结果叠加在一起显示。还有测量结果的三维显示、频谱比较、空间比较、合成频谱、合成空间等非常实用的功能。
*极其简单和快速的安装、维护和操作程序。操作者无须了解频谱分析仪和控制器的操作，所有操作都在终端计算机的中文界面中完成。系统的所有装置均为电子装置，安装简易方便。EMSCAN系统中的控制器和扫描器都是独立的，均可以任意移动，可以使用便携式计算机作为终端计算机，可以到现场解决电磁干扰问题。
1.3 电磁干扰扫描系统应用
*应用1-数字电路中的感性串扰：其现象为设备工作很不稳定，示波器观察电源线上纹波很大；测量结果为接插件附近455MHz的干扰特别严重（达40dB），见图2(a)红黄色所示。
而且几乎整个PCB上辐射强度都很大（25dB以上的区域）；分析出原因是接插件过孔在地层的安全距离设置过大，破坏地平面的完整性，产生很大的感性串扰及共模电磁发射，并由地平面把干扰传导到整块PCB。
*应用2-抗传导干扰设计；现象为EMC抗干扰测试（传导）在频率点430MHz附近未通过。加入430MHz的干扰时，系统工作失常；测量结果为不加干扰时测一次频谱，加430MHz干扰时测一次频谱，利用频谱比较功能把两次结果相减发现差别在860MHz，对860MHz进行空间扫描，发现该信号分布非常广泛，进入了系统的控制电路部分，见图2(b)红黄色所示。
分析出原因是滤波器设计考虑不全，仅考虑了500MHz以下的干扰信号的滤除，未考虑430MHz对系统的影响。
2 电磁兼容及热扫描系统应用特征
电子产品中的电场、磁场和热分布的设计、诊断及调试是极其重要的几个环节，它们将直接影响电子产品的质量和可靠性。而这些性能的调试一直以来由于无法“可视观察”而很困难进行。工程师往往只能够凭工作经验进行反复试验。《三维电磁兼容扫描仪》积聚了现代电子产品的工程调试经验，运用了最先进的高灵敏度高精度近场传感器技术，结合计算机和频谱分析仪的成熟手段，给工程师带来了最方便实用的工具。
*独特的电场，磁场和热场三功能扫描仪
众所周知，电子产品的辐射源将呈现电场和磁场两种特性，这主要是由于不同的电路和布局引起的。如数字和模拟、大功率和小功率、高频和低频、以及电缆、散热片等等都可能引起不同的辐射特性，而工程师往往无法判断自己的产品是电场辐射还是磁场辐射。另外发热问题也经常困扰工程调试，而所有这些都将由本设备轻松解决，见图3(a)所示。
*唯一的XYZ三维全向扫描仪
由于电子系统的复杂性，平板扫描已经无法满足实际需要了，如PCB板上器件高度不同，机箱的不规则外形，复杂的电缆，尤其是机箱内多个PCB板之间的互相干扰问题，只有三维的扫描系统才可以完全的反应出真实的系统内部电磁兼容问题。
*最精确的扫描定位系统
购买扫描仪目的就是为了定位出辐射源的位置（电场或者磁场），毫无疑问，定位精度是扫描仪的最主要关键指标之一。采用了多种定位手段和技术，小于1毫米（最高达0.2毫米）的定位精度是其它平板式扫描仪永远无法比拟和超越的指标。
 *速度最快的动态跟踪扫描仪
电子产品中的辐射源往往只有一个或者几个，而如何对这些辐射源快速实时跟踪和记录是工程调试的关键，因为它们很可能随着产品功能的变化而出现辐射的波动。快速扫描仪将以毫秒量级进行快速扫描跟踪，并绘制实时跟踪曲线图，让用户一目了然看到动态过程。
*独特的温度分布扫描功能
电子产品的温度设计是否合理也是至关重要的。如器件布局、风扇大小、通风口、散热片等等。扫描仪另一个重要功能就是以红外热成像原理清晰扫描出电子产品的热分布情况。分辨率达10.3度，尤其是它还可以跟踪记录您的产品通电工作后的温升过程，见图3(b)所示。
3 高分辨率近场探头组
在电路设计和调试时，充分了解系统或者电路板上各个部位、部件的频谱成分和辐射情况是极其重要的。一般情况下，传统的近场探头都只是比较注重灵敏度，而在当前的高密度产品设计中，分辨率在测试中尤为重要。从测试分辨率角度来说：一方面，测试时，必须要分辨出每一根布线、每一个器件、每一个引脚等的辐射情况才有意义，（而现在的布线密度基本都已经在10mm以下了）；另一方面，由于磁场磁力线的复杂性，在PCB板或者系统工作时，各种辐射是融合交织在一起的，即使是近场探测，如果没有调试手段，也是很难将各种辐射区别开的。
为此，从分辨率的角度看，必须在测试时能分辨出是电场还是磁场，被测到的频谱和强度是布线引起还是旁边的器件引起等等。为此需要十分精密和特殊的近场探头组，见图4(a)所示，频率范围可以覆盖100kHz到3GHz。
它和传统近场探头相比包含如下几大显著特点：
*物理分辨率高：最小可以分辨出小于0.2毫米的物理空间，见图4(b)所示。这样每一根布线，每一个焊接点，每一个器件或者引脚等等都可以轻松分辨出来；
*功能分辨率特殊：在测试时，我们采用了极其特殊的结构来控制被测目标。如在探测某一根布线时就可以用其中的布线探测探头，它可以做到只接收被测布线的磁场，而不接收附近其它部件产生的磁场；在探测引脚时，就可以用专门的器件引脚探头，探测到的场强和频谱一定只是该引脚产生的。
*探测特殊空间位置：
一些平常不容易被探测的区域也可以用它来测试，如器件之间，板与板之间等。
*可选配PA系列前置放大器：
为了探测非常微弱的信号，用户可以选配PA系列前置放大器(100kHz-3GHz)，它十分适合与这些近场探头配合使用，它使利用非常小的探头进行测量成为可能，而且可以保持高的灵敏度。对于非常弱的场，例如在汽车领域，也可以完成高空间分辨率的测量。
4 抗干扰开发系统
利用抗干扰开发系统，不但可以精确定位系统中的敏感（薄弱）点及其敏感特性，而且可以得知被干扰的强度是多少。
在标准的EMS或抗干扰测试时，一个干扰电压或干扰电流将通过输入系统、导线等把干扰施加到系统中，进而去判断系统是否被干扰或受到影响。就算整个系统置于磁场环境中，也只能看看系统是否能在这样的环境下工作。实际上一个系统被干扰，往往是由很少一些部件、部位引起的，但在标准的EMS测试中无法进行定点测量，也无法确定是对电场还是对磁场敏感。作为工程师，要解决这样的问题，需要更加详细的资料，如：需要知道是哪个部件、哪个引脚、哪个布线、哪个连接器有问题，而抗干扰开发系统是可供工程师使用的最直接的测试工具，利用这些组件可以很容易地对系统或电路中的敏感点进行定位，从而找到问题点。
4.1 功能简介
抗干扰开发系统可以产生干扰电流、脉冲式磁场和脉冲式电场，并加载于针对的点或系统中，从而可以精确的定位系统的敏感（薄弱）点及其敏感特性。另外，通过各种选配件，还可以得知系统被干扰的强度。
4.2 抗干扰开发系统主要由以下组件组成：
*脉冲发生器：产生类似于Burst/ESD的干扰脉冲(2/10ns)；一旦打开开关，一个连续的脉冲序列将产生；脉冲峰值均匀分布于0伏特到1000伏特之间；脉冲的能量很小（BURST或ESD）；由于很短的上升沿时间及很小的峰值，对电路模块起保护作用，这和BURST类似（按照IECl000-4-4）。
其测量原理为：发生器释放出连续的不同峰值的脉冲，脉冲峰值将从最小到最大值均匀分布发出（见图5所示）。如果脉冲是从小到大发出，那么这些脉冲的外包线将是直线。用来测量干扰源的测量传感器（磁场探头、EMC传感器、BURST检测器）有门槛值作为参考，由于干扰源脉冲是线性上升的，峰值超过干扰源的门槛值时，将产生一个光脉冲，通过光缆反馈到计数器中，计数器记录1秒钟内的光脉冲个数。计数结果和干扰源的强度成正比，和被测单元的抗干扰成反比，当参考门槛值高时，计数器结果就小，反之当门槛值低时，将产生高的计数结果。图5所示为干扰振幅序列，频率分布图。
*系列场源探测器：系列场源组可以将脉冲发生器（符合EN 67000-4-4标准）产生的干扰脉冲，以特定的脉冲式电场和磁场B的方式（通过使用不同形状、类型的场源）加入被测系统中，从而可以精确的定位系统中的敏感（薄弱）点，而且还可以得知其敏感特性是电场敏感还是磁场敏感。
该系列场源探测器产品特点：其一是实际应用中的敏感点（薄弱点）将被定位和排除；其二是产生脉冲式电场和脉冲式磁场作为干扰源；其三是应用于电路模块、元件、导体和集成电路的抗干扰测试；其四是根据EN61000-4-4标准，适合于和脉冲发生器相连接，相连接为笔式外形，方便手持操作。
*选配件磁场探测器：
探头的使用目的是为了确定由Burst和ESD引起的抗干扰问题性质。运用S2中磁场探头，对电路中的瞬间产生的脉冲磁场或脉冲电流进行测量（此时，电路处于EMS的强烈干扰状态中）。
脉冲发生器产生脉冲(Burst)对被测电路发送干扰脉冲，进而形成脉冲磁场和脉冲电流。探头与脉冲发生器通过光波导(Opticalwave-guide)相连。
*选配件小型“场源敏感点”诊断器：
小型（手持式）“场源敏感点”诊断器的应用是为了诊断电子系统（包括电路模块、PCB的布线、元器件以及它们的引脚）中磁场和电场的敏感点，并且精确地定位这些敏感点的位置。有三种不同的场源发生器适合于不同类型的敏感点。包括电场敏感、磁场敏感以及敏感点的物理外形，如SMT器件、引脚、布线、焊点等对外界场源的敏感方式是不同的。
其特点为：笔式外形，方便手持操作；场源发生器和定位探测一体化，无须任何其它设备；单脉冲和连续脉冲场双功能工作；可调极与改变场源方向；场源脉冲宽度可调节；精确定位场源，便于确定“敏感点”；电场和磁场的选择，便于探测不同类型的敏感点；电池供电，便携式工作；具有Burst/ESD信号功能。
5 结束语
新型电磁干扰高速扫描系统与电磁兼容及热扫描系统己在实际中应用，已成当今复杂电子品设计最有力的工具。而本文上述介绍的电磁兼容诊断与测试设备仅是通用共性的应用特征，并侧重以EMS CAN型电磁干扰高速扫描系统与(EMC—Scanner)型电磁兼容及热扫描系统为例作分析说明。