專利名稱：一種emi濾波器共模/差模濾波特性及其耦合度特性測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種EMI濾波器共模/差模濾波特性及其耦合度特性測(cè)試方法，屬于傳導(dǎo)電磁兼容噪聲濾波器特性分析與測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
EMI濾波器是抑制電磁干擾的有效措施，由于電磁干擾噪聲分為共模噪聲和差模噪聲兩種，因此EMI濾波器也分為共模濾波器和差模濾波器，共模濾波器和差模濾波器在電路連接方式上有著明顯不同，共模濾波器并接在火線-地線和中線-地線之間，差模濾波器并接在火線-中線之間，而通常所說(shuō)的EMI濾波器是同時(shí)包含共模濾波器和差模濾波器的整體結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的EMI濾波器特性測(cè)量存在以下三點(diǎn)不足第一，傳統(tǒng)的EMI濾波器特性測(cè)量是利用頻譜儀的插入損耗測(cè)量功能，只能分別針對(duì)單獨(dú)設(shè)計(jì)好的共模濾波器或差模濾波器進(jìn)行濾波特性測(cè)量，一旦將共模濾波器和差模濾波器合成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)后，則無(wú)法進(jìn)行模態(tài)噪聲的濾波效果測(cè)量，即傳統(tǒng)的濾波器特性測(cè)量法只對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)者具有可操作性，而對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)很難通過(guò)測(cè)試得到EMI濾波器的濾波特性。第二，傳統(tǒng)方法不能測(cè)量共(差)模濾波器輸出受到差(共)模輸入的影響情況，即無(wú)法衡量共模與差模濾波器之間的相互關(guān)系。第三，使用頻譜儀法只能得到濾波器參數(shù)的幅頻特性，而無(wú)法得到相頻特性，而在實(shí)際情況下，濾波器特性參數(shù)的相頻特性對(duì)濾波效果影響很大。傳統(tǒng)的EMI濾波器特性測(cè)量的上述缺點(diǎn)將給用戶選擇合適的濾波器帶來(lái)很大困難，因此，準(zhǔn)確進(jìn)行整體EMI濾波器特性測(cè)量，并找到衡量共模與差模濾波器之間相互關(guān)系的分析與測(cè)試方法，同時(shí)獲取濾波器特性參數(shù)的相位信息對(duì)于電磁干擾的有效抑制有著重要意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種針對(duì)EMI濾波器共模/差模濾波特性及其耦合度特性的測(cè)試方法，通過(guò)耦合度特性衡量共(差)模濾波器輸出受到差(共)模輸入的影響情況，并實(shí)現(xiàn)了整體EMI濾波器的特性測(cè)量和相位提取。
共模和差模信號(hào)在單相EMI濾波器輸入輸出端的定義如圖1所示，其中
和
分別為濾波器輸入端火線、輸入端中線、輸出端火線、輸出端中線和地線電位，
和
分別為濾波器輸入端共模、輸入端差模、輸出端共模和輸出端差模電壓。共模、差模電壓和濾波器端口電壓的關(guān)系可以表示為 為定量分析EMI濾波器對(duì)共模噪聲和差模噪聲的抑制效果，定義濾波器的共模濾波特性
和差模濾波特性
其定義式為 對(duì)于EMI濾波器來(lái)說(shuō)，除了要考慮共模濾波特性和差模濾波特性，同時(shí)還需考慮EMI濾波器共(差)模輸出與差(共)模輸入之間的關(guān)系，即把EMI濾波器看成是共模濾波器和差模濾波器的合成，考察共(差)模濾波器輸出受到差(共)模輸入的影響情況，為此定義濾波器的共模耦合度
和差模耦合度
如下 本發(fā)明為得到濾波器參數(shù)的相位信息，采用一種基于S參數(shù)測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)EMI濾波器上述四個(gè)特性進(jìn)行分析與測(cè)量，其原理是對(duì)EMI濾波器進(jìn)行S參數(shù)分析，EMI濾波器可以看成一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，設(shè)1號(hào)至4號(hào)端口分別為EMI濾波器火線輸入對(duì)地端口、中線輸入對(duì)地端口、火線輸出對(duì)地端口和中線輸出對(duì)地端口，1號(hào)至4號(hào)端口電壓分別為
和
分別代表火線輸入對(duì)地電壓
中線輸入對(duì)地電壓
火線輸出對(duì)地電壓
和中線輸出對(duì)地電壓
EMI濾波器的信號(hào)流圖如圖3所示，其中
和
分別為1號(hào)端口至4號(hào)端口的入射波和反射波，3號(hào)端口和4號(hào)端口沒(méi)有輸入，故有
是1號(hào)端口的反射系數(shù)，
是1號(hào)端口到2號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是1號(hào)端口到3號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是1號(hào)端口到4號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是2號(hào)端口的反射系數(shù)，
是2號(hào)端口到1號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是2號(hào)端口到3號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是2號(hào)端口到4號(hào)端口的傳輸系數(shù)。其中，而(即
是j號(hào)端口到i號(hào)端口的傳輸系數(shù)；
是i號(hào)端口的反射系數(shù)；
和
統(tǒng)稱為S參數(shù)或散射參數(shù))。由圖3可知，且 第N號(hào)端口電壓與入射波和反射波的關(guān)系為 EMI濾波器的四個(gè)特性參數(shù)可以分別通過(guò)S參數(shù)表示，其分析過(guò)程如下 (1)測(cè)量共模濾波特性時(shí)，由于濾波器輸入噪聲為共模噪聲
即而根據(jù)式(2)，輸出共模噪聲根據(jù)式(3)及圖3，可得 (8) (2)測(cè)量差模濾波特性時(shí)，由于濾波器輸入噪聲為差模噪聲
即而根據(jù)式(1)，輸出差模噪聲根據(jù)式(4)及圖3，可得 (9) (3)測(cè)量共模耦合度時(shí)，由于濾波器輸入噪聲為共模噪聲
即而根據(jù)式(1)，而輸出差模噪聲根據(jù)式(5)及圖3，可得 (10) (4)測(cè)量差模耦合度時(shí)，由于濾波器輸入噪聲為差模噪聲
即而根據(jù)式(2)，輸出共模噪聲根據(jù)式(6)及圖3，可得 (11) 由式(8)至(11)可見(jiàn)，可以通過(guò)測(cè)量濾波器的S參數(shù)，然后計(jì)算得到EMI濾波器的上述四個(gè)特性參數(shù)。需要說(shuō)明的是，上述電壓值，阻抗值、入射波、反射波、S參數(shù)、共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度等在寫法上加了一個(gè)上標(biāo)“·”，表示這些量均為矢量，矢量需要以復(fù)數(shù)形式記錄，即同時(shí)需要以幅值信息和相位信息表示一個(gè)矢量，如S參數(shù)
可以復(fù)數(shù)形式表示為AS11是
的幅值，θS11是
的相位。本專利中通過(guò)適量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量濾波器的S參數(shù)，同時(shí)記錄S參數(shù)的幅頻特性和相頻特性，然后將S參數(shù)以復(fù)數(shù)形式代入式(8)至(11)，得到EMI濾波器的共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度。
本發(fā)明中基于S參數(shù)測(cè)量的EMI濾波器特性測(cè)量新方法的測(cè)量步驟如下 (1)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量選定測(cè)量頻率范圍內(nèi)EMI濾波器的6組S參數(shù)，即
和
同時(shí)記錄幅頻特性和相頻特性。
(2)將測(cè)量結(jié)果以復(fù)數(shù)形式代入式(8)至式(11)，計(jì)算EMI濾波器的特性參數(shù)，即共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅頻特性和相頻特性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，第一，可以直接測(cè)量EMI濾波器的濾波特性和耦合度，通過(guò)共模\差模濾波特性衡量EMI濾波器對(duì)共模噪聲和差模噪聲的抑制效果，通過(guò)耦合度特性衡量共(差)模濾波器輸出受到差(共)模輸入的影響情況，并能過(guò)提取測(cè)量結(jié)果的相位信息，即本發(fā)明可以測(cè)量共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅頻特性和相頻特性；第二，相對(duì)于對(duì)比文獻(xiàn)1(專利“基于散射參數(shù)的EMI濾波器性能測(cè)試方法”，申請(qǐng)?zhí)?00910034869.7，)，對(duì)比文獻(xiàn)1中分別建立了EMI濾波器電路模型和模態(tài)模型，以及電路模型與模態(tài)模型之間的變換關(guān)系，其中，模態(tài)模型[SM]中表示共模輸入端口到共模輸出端口的S參數(shù)
即為濾波器的共模濾波特性，表示差模輸入端口到差模輸出端口的S參數(shù)
即為濾波器的差模濾波特性，表示共模輸入端口到差模輸出端口的S參數(shù)
即為濾波器的共模耦合度，表示差模輸入端口到共模輸出端口的S參數(shù)
即為濾波器的差模耦合度。通過(guò)電路模型計(jì)算得到模態(tài)模型，即可在模態(tài)模型中得到EMI濾波器的性能參數(shù)。為了得到EMI濾波器的性能參數(shù)，對(duì)比文獻(xiàn)1中需要測(cè)量EMI濾波器電路模型的16組S參數(shù)，分別是
和
而本發(fā)明只需要測(cè)量6組S參數(shù)，即
和
考慮到記錄S參數(shù)時(shí)，每組S參數(shù)都需要記錄一系列隨頻率變化的矢量，且需要同時(shí)記錄其幅頻特性和相頻特性，采用新方法后，簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，縮短了測(cè)量時(shí)間，節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，效率提高達(dá)67.5％。
圖1單相EMI濾波器輸入輸出端示意圖；其中
和
分別為濾波器輸入端火線、輸入端中線、輸出端火線、輸出端中線和地線電位，
和
分別為濾波器輸入端共模、輸入端差模、輸出端共模和輸出端差模電壓。
圖2EMI濾波器的四端口網(wǎng)絡(luò)定義示意圖，其中，1號(hào)至4號(hào)端口分別為EMI濾波器火線輸入對(duì)地端口、中線輸入對(duì)地端口、火線輸出對(duì)地端口和中線輸出對(duì)地端口，1號(hào)至4號(hào)端口電壓分別為
和
分別代表火線輸入對(duì)地電壓
中線輸入對(duì)地電壓
火線輸出對(duì)地電壓
和中線輸出對(duì)地電壓
圖3EMI濾波器的信號(hào)流圖，其中
和
分別為1號(hào)端口至4號(hào)端口的入射波和反射波，3號(hào)端口和4號(hào)端口沒(méi)有輸入，故有
是1號(hào)端口的反射系數(shù)，
是1號(hào)端口到2號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是1號(hào)端口到3號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是1號(hào)端口到4號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是2號(hào)端口的反射系數(shù)，
是2號(hào)端口到1號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是2號(hào)端口到3號(hào)端口的傳輸系數(shù)，
是2號(hào)端口到4號(hào)端口的傳輸系數(shù)。其中，而由圖3可知，且 圖4本發(fā)明中對(duì)于商用EMI濾波器共模濾波特性的幅頻特性和相頻特性測(cè)量結(jié)果 圖5本發(fā)明中對(duì)于商用EMI濾波器差模濾波特性的幅頻特性和相頻特性測(cè)量結(jié)果 圖6本發(fā)明中對(duì)于商用EMI濾波器共模耦合度的幅頻特性和相頻特性測(cè)量結(jié)果 圖7本發(fā)明中對(duì)于商用EMI濾波器差模耦合度的幅頻特性和相頻特性測(cè)量結(jié)果
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例利用本發(fā)明測(cè)量商用EMI濾波器的共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅頻特性和相頻特性。
本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置包括商用EMI濾波器一個(gè)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(天津得力公司，型號(hào)DS7631)一臺(tái)，直通校準(zhǔn)件(C5030BNC-P)，短路/開路校準(zhǔn)件(C5010BNC-P)，校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)50歐姆負(fù)載(C5020BNCB/C/D-P)各一枚，匹配用標(biāo)準(zhǔn)50歐姆負(fù)載(BNC)若干，線纜若干，計(jì)算機(jī)電腦一臺(tái)。
測(cè)量步驟如下 (1)規(guī)定1號(hào)至4號(hào)端口分別為商用EMI濾波器火線輸入對(duì)地端口、中線輸入對(duì)地端口、火線輸出對(duì)地端口和中線輸出對(duì)地端口。S參數(shù)測(cè)量使用天津得力公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號(hào)DS7631A，由于濾波頻率范圍為0M-30M，因此將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀DS7631A的測(cè)試頻段設(shè)置在相同頻段范圍，測(cè)量0M-30M頻率范圍內(nèi)，EMI濾波器的6組S參數(shù)，即
和
同時(shí)記錄幅頻特性和相頻特性。其中，
和
利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀DS7631A的傳輸系數(shù)測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)量，
和
利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀DS7631A的反射系數(shù)測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)量。
a.傳輸系數(shù)
和
的測(cè)量 校準(zhǔn)傳輸系數(shù)測(cè)量的校準(zhǔn)需要用到直通校準(zhǔn)件將兩根測(cè)試線纜連接起來(lái)，這兩根線纜分別連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端和輸出端。將除了被測(cè)件以外信號(hào)所經(jīng)過(guò)的路徑所引起的誤差全部進(jìn)行修正，校準(zhǔn)所用的線纜與實(shí)際測(cè)量時(shí)所用的必須為同一線纜。
幅度和相位測(cè)量以測(cè)量傳輸系數(shù)
為例，將網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出接到商用EMI濾波器的1號(hào)輸入端口，將網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端接到商用EMI濾波器的3號(hào)差模輸出端，將商用EMI濾波器2端口和4號(hào)共模輸出端分別用50Ω阻抗匹配。開始進(jìn)行傳輸測(cè)量，在計(jì)算機(jī)中記錄測(cè)量的傳輸系數(shù)
的幅值和相位。
和
的測(cè)量過(guò)程同上。
b.反射系數(shù)
和
的測(cè)量 校準(zhǔn)反射系數(shù)測(cè)量的校準(zhǔn)需要用到開路器、短路器和校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)50歐姆負(fù)載，校準(zhǔn)所用的線纜與實(shí)際測(cè)量時(shí)所用的必須為同一線纜，否則校準(zhǔn)無(wú)效。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出端分別連接開路器、短路器和校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)50歐姆負(fù)載，進(jìn)行開路、短路和標(biāo)準(zhǔn)阻抗的校準(zhǔn)。
幅度和相位測(cè)量以測(cè)量反射系數(shù)
為例，將網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出端用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的線纜接到商用EMI濾波器的1端，商用EMI濾波器2號(hào)端口、3號(hào)差模輸出端、4號(hào)共模輸出端分別用50Ω阻抗匹配。開始進(jìn)行反射測(cè)量，在計(jì)算機(jī)中記錄測(cè)量的反射系數(shù)
的幅值和相位。
的測(cè)量過(guò)程同上。
(2)將EMI濾波器的6組S參數(shù)測(cè)量結(jié)果
和
以矢量形式代入式(8)，即帶入 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到商用EMI濾波器的共模濾波特性的幅頻特性和相頻特性，結(jié)果分別如圖4所示。
(3)將EMI濾波器的6組S參數(shù)測(cè)量結(jié)果
和
以矢量形式代入式(9)，即帶入 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到商用EMI濾波器的差模濾波特性的幅頻特性和相頻特性，結(jié)果分別如圖5所示。
(4)將EMI濾波器的6組S參數(shù)測(cè)量結(jié)果
和
以矢量形式代入式(10)，即帶入 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到商用EMI濾波器的共模耦合度的幅頻特性和相頻特性，結(jié)果分別如圖6所示。
(5)將EMI濾波器的6組S參數(shù)測(cè)量結(jié)果
和
以矢量形式代入式(11)，即帶入 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到商用EMI濾波器的差模耦合度的幅頻特性和相頻特性，結(jié)果分別如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種EMI濾波器共模/差模濾波特性及其耦合度特性測(cè)試方法，其測(cè)量步驟如下
A、使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量選定測(cè)量頻率范圍內(nèi)EMI濾波器的S參數(shù)
和
同時(shí)記錄幅頻特性和相頻特性；
B、用下式計(jì)算EMI濾波器的共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅頻特性和相頻特性
EMI濾波器的共模濾波特性的幅頻特性和相頻特性
EMI濾波器的差模濾波特性的幅頻特性和相頻特性
EMI濾波器的共模耦合度的幅頻特性和相頻特性
EMI濾波器的差模耦合度的幅頻特性和相頻特性
全文摘要
本發(fā)明公開了一種EMI濾波器共模/差模濾波特性及其耦合度特性測(cè)試方法，測(cè)量步驟是A、使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量選定測(cè)量頻率范圍內(nèi)EMI濾波器的S參數(shù)和同時(shí)記錄幅頻特性和相頻特性；B、將測(cè)量結(jié)果以復(fù)數(shù)形式代入計(jì)算公式，計(jì)算EMI濾波器的特性參數(shù)，即共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅頻特性和相頻特性。本發(fā)明方法可以直接測(cè)量EMI濾波器的濾波特性和耦合度，即可以測(cè)量共模濾波特性、差模濾波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅頻特性和相頻特性，同時(shí)簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，縮短了測(cè)量時(shí)間，節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，效率提高。
文檔編號(hào)G01R31/00GK101713804SQ200910264400
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者趙陽(yáng), 王恩榮, 陸婋泉, 褚家美, 顏偉, 董穎華, 李世錦, 聞楓 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)