一种EMI滤波器共模/差模滤波特性及其耦合度特性测试方法.pdf

本发明公开了一种EMI滤波器共模/差模滤波特性及其耦合度特性测试方法，测量步骤是：A、使用矢量网络分析仪测量选定测量频率范围内EMI滤波器的S参数和同时记录幅频特性和相频特性；B、将测量结果以复数形式代入计算公式，计算EMI滤波器的特性参数，即共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅频特性和相频特性。本发明方法可以直接测量EMI滤波器的滤波特性和耦合度，即可以测量共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅频特性和相频特性，同时简化了测量步骤，缩短了测量时间，节省了数据存储的空间，提高了数据处理的速度，效率提高。

权利要求书
1.  一种EMI滤波器共模/差模滤波特性及其耦合度特性测试方法，其测量步骤如下：
A、使用矢量网络分析仪测量选定测量频率范围内EMI滤波器的S参数和同时记录幅频特性和相频特性；
B、用下式计算EMI滤波器的共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅频特性和相频特性：
EMI滤波器的共模滤波特性的幅频特性和相频特性
F·CM=V·OCMV·ICM=12V·3+V·4V·ICM]]>
=12Z·0(b·3+b·4)V·ICM]]>
=12(a·1(S·31+S·41)a·1+b·1+a·2(S·32+S·42)a·2+b·2)]]>
=12(S·31+S·411+S·11+S·32+S·421+S·22);]]>
EMI滤波器的差模滤波特性的幅频特性和相频特性
F·DM=V·ODMV·IDM=12V·3-V·4V·IDM]]>
=Z·0(b·3-b·4)V·IDM]]>
=12(a·1(S·31-S·41)a·1+b·1-a·2(S·32-S·42)a·2+b·2)]]>
=12(S·31-S·411+S·11-S·32-S·421+S·22);]]>
EMI滤波器的共模耦合度的幅频特性和相频特性
C·CM=V·ODMV·ICM=V·3-V·4V·ICM]]>
=Z·0(b·3-b·4)V·ICM]]>
=a·1(S·31-S·41)a·1+b·1+a·2(S·32-S·42)a·2+b·2]]>
=S·31-S·411+S·11+S·32-S·421+S·22;]]>
EMI滤波器的差模耦合度的幅频特性和相频特性
C·DM=V·OCMC·IDM=12V·3+V·4V·IDM]]>
=12Z·0(b·3+b·4)V·IDM]]>
=14(a·1(S·31+S·41)a·1+b·1-a·2(S·32+S·42)a·2+b·2)]]>
=14(S·31+S·411+S·11-S·32+S·421+S·22).]]>

说明书一种EMI滤波器共模/差模滤波特性及其耦合度特性测试方法
技术领域
本发明涉及的是一种EMI滤波器共模/差模滤波特性及其耦合度特性测试方法，属于传导电磁兼容噪声滤波器特性分析与测量的技术领域。
背景技术
EMI滤波器是抑制电磁干扰的有效措施，由于电磁干扰噪声分为共模噪声和差模噪声两种，因此EMI滤波器也分为共模滤波器和差模滤波器，共模滤波器和差模滤波器在电路连接方式上有着明显不同，共模滤波器并接在火线-地线和中线-地线之间，差模滤波器并接在火线-中线之间，而通常所说的EMI滤波器是同时包含共模滤波器和差模滤波器的整体结构。传统的EMI滤波器特性测量存在以下三点不足：第一，传统的EMI滤波器特性测量是利用频谱仪的插入损耗测量功能，只能分别针对单独设计好的共模滤波器或差模滤波器进行滤波特性测量，一旦将共模滤波器和差模滤波器合成为一个整体结构后，则无法进行模态噪声的滤波效果测量，即传统的滤波器特性测量法只对滤波器的设计者具有可操作性，而对于用户来说很难通过测试得到EMI滤波器的滤波特性。第二，传统方法不能测量共(差)模滤波器输出受到差(共)模输入的影响情况，即无法衡量共模与差模滤波器之间的相互关系。第三，使用频谱仪法只能得到滤波器参数的幅频特性，而无法得到相频特性，而在实际情况下，滤波器特性参数的相频特性对滤波效果影响很大。传统的EMI滤波器特性测量的上述缺点将给用户选择合适的滤波器带来很大困难，因此，准确进行整体EMI滤波器特性测量，并找到衡量共模与差模滤波器之间相互关系的分析与测试方法，同时获取滤波器特性参数的相位信息对于电磁干扰的有效抑制有着重要意义。
发明内容
本发明提出一种针对EMI滤波器共模/差模滤波特性及其耦合度特性的测试方法，通过耦合度特性衡量共(差)模滤波器输出受到差(共)模输入的影响情况，并实现了整体EMI滤波器的特性测量和相位提取。
共模和差模信号在单相EMI滤波器输入输出端的定义如图1所示，其中和分别为滤波器输入端火线、输入端中线、输出端火线、输出端中线和地线电位，和分别为滤波器输入端共模、输入端差模、输出端共模和输出端差模电压。共模、差模电压和滤波器端口电压的关系可以表示为：
V·CM=(V·L-G+V·N-G)/2---(1)]]>
V·CM=V·L-G-V·N-G---(2)]]>
为定量分析EMI滤波器对共模噪声和差模噪声的抑制效果，定义滤波器的共模滤波特性和差模滤波特性其定义式为：
F·CM=V·OCMV·ICM---(3)]]>
F·DM=V·ODMV·IDM---(4)]]>
对于EMI滤波器来说，除了要考虑共模滤波特性和差模滤波特性，同时还需考虑EMI滤波器共(差)模输出与差(共)模输入之间的关系，即把EMI滤波器看成是共模滤波器和差模滤波器的合成，考察共(差)模滤波器输出受到差(共)模输入的影响情况，为此定义滤波器的共模耦合度和差模耦合度如下：
C·CM=V·ODMV·ICM---(5)]]>
C·DM=V·OCMV·IDM---(6)]]>
本发明为得到滤波器参数的相位信息，采用一种基于S参数测量的方法实现对EMI滤波器上述四个特性进行分析与测量，其原理是：对EMI滤波器进行S参数分析，EMI滤波器可以看成一个四端口网络，如图2所示，设1号至4号端口分别为EMI滤波器火线输入对地端口、中线输入对地端口、火线输出对地端口和中线输出对地端口，1号至4号端口电压分别为和分别代表火线输入对地电压中线输入对地电压火线输出对地电压和中线输出对地电压
EMI滤波器的信号流图如图3所示，其中和分别为1号端口至4号端口的入射波和反射波，3号端口和4号端口没有输入，故有a·3=a·4=0.]]>是1号端口的反射系数，是1号端口到2号端口的传输系数，是1号端口到3号端口的传输系数，是1号端口到4号端口的传输系数，是2号端口的反射系数，是2号端口到1号端口的传输系数，是2号端口到3号端口的传输系数，是2号端口到4号端口的传输系数。其中，S·ii=b·i/a·i,]]>而S·ij=b·i/a·j,]]>(即：是j号端口到i号端口的传输系数；是i号端口的反射系数；和统称为S参数或散射参数)。由图3可知，b·3=S·31a·1+S·32a·2]]>且b·4=S·41a·1+S·42a·2.]]>
第N号端口电压与入射波和反射波的关系为：
V·N=Z·0(a·N+b·N)---(7)]]>
EMI滤波器的四个特性参数可以分别通过S参数表示，其分析过程如下：
(1)测量共模滤波特性时，由于滤波器输入噪声为共模噪声即V·1=V·2=V·ICM,]]>而根据式(2)，输出共模噪声V·OCM=(V·3+V·4)/2,]]>根据式(3)及图3，可得：
F·CM=V·OCMV·ICM=12V·3+V·4V·ICM]]>
=12Z·0(b·3+b·4)V·ICM]]>(8)
=12(a·1(S·31+S·41)a·1+b·1+a·2(S·32+S·42)a·2+b·2)]]>
=12(S·31+S·411+S·11+S·32+S·421+S·22)]]>
(2)测量差模滤波特性时，由于滤波器输入噪声为差模噪声即V·1=-V·2=V·IDM/2,]]>而根据式(1)，输出差模噪声V·ODM=V·3-V·4,]]>根据式(4)及图3，可得：
F·DM=V·ODMV·IDM=V·3-V·4V·IDM]]>
=Z·0(b·3-b·4)V·IDM]]>(9)
=12(a·1(S·31-S·41)a·1+b·1-a·2(S·32-S·42)a·2+b·2)]]>
=12(S·31-S·411+S·11-S·32-S·421+S·22)]]>
(3)测量共模耦合度时，由于滤波器输入噪声为共模噪声即V·1=V·2=V·ICM,]]>而根据式(1)，而输出差模噪声V·ODM=V·3-V·4,]]>根据式(5)及图3，可得：
C·CM=V·ODMV·ICM=V·3-V·4V·ICM]]>
=Z·0(b·3-b·4)V·ICM]]>(10)
=a·1(S·31-S·41)a·1+b·1+a·2(S·32-S·42)a·2+b·2]]>
=S·31-S·411+S·11+S·32-S·421+S·22]]>
(4)测量差模耦合度时，由于滤波器输入噪声为差模噪声即V·1=-V·2=V·IDM/2,]]>而根据式(2)，输出共模噪声V·OCM=(V·3+V·4)/2,]]>根据式(6)及图3，可得：
C·DM=V·OCMV·IDM=12V·3+V·4V·IDM]]>
=12Z·0(b·3+b·4)V·IDM]]>(11)
=14(a·1(S·31+S·41)a·1+b·1-a·2(S·32+S·42)a·2+b·2)]]>
=14(S·31+S·411+S·11-S·32+S·421+S·22)]]>
由式(8)至(11)可见，可以通过测量滤波器的S参数，然后计算得到EMI滤波器的上述四个特性参数。需要说明的是，上述电压值，阻抗值、入射波、反射波、S参数、共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度等在写法上加了一个上标“·”，表示这些量均为矢量，矢量需要以复数形式记录，即同时需要以幅值信息和相位信息表示一个矢量，如S参数可以复数形式表示为S·11=|AS11|×(cosθS11+i×sinθS11),]]>AS11是的幅值，θS11是的相位。本专利中通过适量网络分析仪测量滤波器的S参数，同时记录S参数的幅频特性和相频特性，然后将S参数以复数形式代入式(8)至(11)，得到EMI滤波器的共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度。
本发明中基于S参数测量的EMI滤波器特性测量新方法的测量步骤如下：
(1)使用矢量网络分析仪测量选定测量频率范围内EMI滤波器的6组S参数，即和同时记录幅频特性和相频特性。
(2)将测量结果以复数形式代入式(8)至式(11)，计算EMI滤波器的特性参数，即共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅频特性和相频特性。
本发明的优点在于，第一，可以直接测量EMI滤波器的滤波特性和耦合度，通过共模\差模滤波特性衡量EMI滤波器对共模噪声和差模噪声的抑制效果，通过耦合度特性衡量共(差)模滤波器输出受到差(共)模输入的影响情况，并能过提取测量结果的相位信息，即本发明可以测量共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅频特性和相频特性；第二，相对于对比文献1(专利“基于散射参数的EMI滤波器性能测试方法”，申请号200910034869.7，)，对比文献1中分别建立了EMI滤波器电路模型和模态模型，以及电路模型与模态模型之间的变换关系，其中，模态模型[SM]中表示共模输入端口到共模输出端口的S参数即为滤波器的共模滤波特性，表示差模输入端口到差模输出端口的S参数即为滤波器的差模滤波特性，表示共模输入端口到差模输出端口的S参数即为滤波器的共模耦合度，表示差模输入端口到共模输出端口的S参数即为滤波器的差模耦合度。通过电路模型计算得到模态模型，即可在模态模型中得到EMI滤波器的性能参数。为了得到EMI滤波器的性能参数，对比文献1中需要测量EMI滤波器电路模型的16组S参数，分别是和而本发明只需要测量6组S参数，即和考虑到记录S参数时，每组S参数都需要记录一系列随频率变化的矢量，且需要同时记录其幅频特性和相频特性，采用新方法后，简化了测量步骤，缩短了测量时间，节省了数据存储的空间，提高了数据处理的速度，效率提高达67.5％。
附图说明
图1单相EMI滤波器输入输出端示意图；其中和分别为滤波器输入端火线、输入端中线、输出端火线、输出端中线和地线电位，和分别为滤波器输入端共模、输入端差模、输出端共模和输出端差模电压。
图2EMI滤波器的四端口网络定义示意图，其中，1号至4号端口分别为EMI滤波器火线输入对地端口、中线输入对地端口、火线输出对地端口和中线输出对地端口，1号至4号端口电压分别为和分别代表火线输入对地电压中线输入对地电压火线输出对地电压和中线输出对地电压
图3EMI滤波器的信号流图，其中和分别为1号端口至4号端口的入射波和反射波，3号端口和4号端口没有输入，故有a·3=a·4=0.]]>是1号端口的反射系数，是1号端口到2号端口的传输系数，是1号端口到3号端口的传输系数，是1号端口到4号端口的传输系数，是2号端口的反射系数，是2号端口到1号端口的传输系数，是2号端口到3号端口的传输系数，是2号端口到4号端口的传输系数。其中，S·ii=b·i/a·i,]]>而S·ij=b·i/a·j,]]>由图3可知，b·3=S·31a·1+S·32a·2]]>且b·4=S·41a·1+S·42a·2.]]>
图4本发明中对于商用EMI滤波器共模滤波特性的幅频特性和相频特性测量结果
图5本发明中对于商用EMI滤波器差模滤波特性的幅频特性和相频特性测量结果
图6本发明中对于商用EMI滤波器共模耦合度的幅频特性和相频特性测量结果
图7本发明中对于商用EMI滤波器差模耦合度的幅频特性和相频特性测量结果
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
实施例：利用本发明测量商用EMI滤波器的共模滤波特性、差模滤波特性、共模耦合度和差模耦合度的幅频特性和相频特性。
本实施例的实验装置包括：商用EMI滤波器一个，矢量网络分析仪(天津得力公司，型号DS7631)一台，直通校准件(C5030BNC-P)，短路/开路校准件(C5010BNC-P)，校准用标准50欧姆负载(C5020BNCB/C/D-P)各一枚，匹配用标准50欧姆负载(BNC)若干，线缆若干，计算机电脑一台。
测量步骤如下：
(1)规定1号至4号端口分别为商用EMI滤波器火线输入对地端口、中线输入对地端口、火线输出对地端口和中线输出对地端口。S参数测量使用天津得力公司的矢量网络分析仪，型号DS7631A，由于滤波频率范围为0M-30M，因此将矢量网络分析仪DS7631A的测试频段设置在相同频段范围，测量0M-30M频率范围内，EMI滤波器的6组S参数，即和同时记录幅频特性和相频特性。其中，和利用矢量网络分析仪DS7631A的传输系数测量功能进行测量，和利用矢量网络分析仪DS7631A的反射系数测量功能进行测量。
a.传输系数和的测量
校准：传输系数测量的校准需要用到直通校准件将两根测试线缆连接起来，这两根线缆分别连接矢量网络分析仪输入端和输出端。将除了被测件以外信号所经过的路径所引起的误差全部进行修正，校准所用的线缆与实际测量时所用的必须为同一线缆。
幅度和相位测量：以测量传输系数为例，将网络分析仪输出接到商用EMI滤波器的1号输入端口，将网络分析仪输入端接到商用EMI滤波器的3号差模输出端，将商用EMI滤波器2端口和4号共模输出端分别用50Ω阻抗匹配。开始进行传输测量，在计算机中记录测量的传输系数的幅值和相位。和的测量过程同上。
b.反射系数和的测量
校准：反射系数测量的校准需要用到开路器、短路器和校准用标准50欧姆负载，校准所用的线缆与实际测量时所用的必须为同一线缆，否则校准无效。将矢量网络分析仪输出端分别连接开路器、短路器和校准用标准50欧姆负载，进行开路、短路和标准阻抗的校准。
幅度和相位测量：以测量反射系数为例，将网络分析仪输出端用经过校准的线缆接到商用EMI滤波器的1端，商用EMI滤波器2号端口、3号差模输出端、4号共模输出端分别用50Ω阻抗匹配。开始进行反射测量，在计算机中记录测量的反射系数的幅值和相位。的测量过程同上。
(2)将EMI滤波器的6组S参数测量结果和以矢量形式代入式(8)，即带入
F·CM=12(S·31+S·411+S·11+S·32+S·421+S·22)]]>
经过计算，得到商用EMI滤波器的共模滤波特性的幅频特性和相频特性，结果分别如图4所示。
(3)将EMI滤波器的6组S参数测量结果和以矢量形式代入式(9)，即带入
F·DM=12(S·31-S·411+S·11-S·32-S·421+S·22)]]>
经过计算，得到商用EMI滤波器的差模滤波特性的幅频特性和相频特性，结果分别如图5所示。
(4)将EMI滤波器的6组S参数测量结果和以矢量形式代入式(10)，即带入
C·CM=S·31-S·411+S·11+S·32-S·421+S·22]]>
经过计算，得到商用EMI滤波器的共模耦合度的幅频特性和相频特性，结果分别如图6所示。
(5)将EMI滤波器的6组S参数测量结果和以矢量形式代入式(11)，即带入
C·DM=14(S·31+S·411+S·11-S·32+S·421+S·22)]]>
经过计算，得到商用EMI滤波器的差模耦合度的幅频特性和相频特性，结果分别如图7所示。