TEM小室和GTEM用于辐射发射和辐射抗扰度一致性预测试使用指南

当您正在寻找用于EMC一致性预测试的经济高效的台式工具时，没有什么产品可以接近 TEM小室的实用性。

TEM小室（或 GTEM）可能仅由电流探头辅助，提供了一种测量产品发射的低成本方法，并且有助于使您的产品受到辐射场的影响。

在某些情况下，GTEM甚至被FCC 接受用于被测设备。

在本文中，我们将介绍：

• 什么是TEM小室？

• TEM小室有什么用？

• 使用 TEM 小室进行辐射发射测试

• 使用 TEM 小室进行辐射抗扰度测试

• 使用 TEM 小室进行 EMI 故障排除

• 不同类型的 TEM 小室

• GTEM用途

• GTEM 与 OAT 的相关性

• FCC 的 GTEM 规则

什么是 TEM 小室？

“TEM”代表“横向电磁（模式）”。这意味着什么？那么，电磁辐射的横模是垂直于（即横向）辐射传播方向的平面中辐射的特定场模式。TEM 单元是一种矩形同轴传输线，两端逐渐变细，形成一种专门设计用于在给定频率范围（通常为直流到几百MHz）内创建 TEM 模式的几何形状。

TEM 小室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，可用频率上限越低。在某个截止频率之上，会创建更高阶的模式（如下所示），这使得整个测试体积的任何测量都不太稳定。

[TEM小室因共振而产生的带宽限制] DOUGLAS A. HILL

“也许解释 TEM 的最简单方法是通过它的作用：TEM 允许您测量产品的辐射场强，以及让产品承受给定的场强。”

TEM 小室的主要方面如是上图所示（从技术上讲，这是一条“三板线”或“三板开放式 TEM 小室”，因为它在顶部包含一个额外的接地板），它们包括：

• RF 连接器：用于连接到同轴电缆，同轴电缆又连接到频谱分析仪或信号发生器/功率放大器，具体取决于它是用于发射测试还是抗扰度测试。

• 外屏蔽层：连接到所附同轴电缆的屏蔽层。在所示的这个三板模型上，有两个接地板。从技术上讲，TEM 小室只需要一块接地板。

• DC直流隔直器：用于保护分析仪的敏感输入，以防隔垫意外施加直流电压。

• 隔膜：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（即大的不匹配负载），您将得到信号反射。

TEM 小室构建

下面详细介绍了 TEM 小室的制作方法。为此，我拆开了我的TekBox TBTCx单元并拍了几张照片：

TEKBOX TBTC1

标准50Ω 同轴电缆连接到 TEM 一个端口上的 N 型连接器

及同轴电缆的屏蔽层展开到TEM 小室的外板中

电缆的中心导体也张开到电路板上的浸铜区域，形成 TEM 的“隔膜”

该设计使得电场线在隔膜和外板之间相当均匀。

在外屏蔽和被测产品所在的隔膜之间创建了一个“测试体积”。在此测试体积内，测量结果相当均匀，误差在几个 dB 以内。

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

测试体积内场均匀性的表征

TEM 小室有什么用？

在下面的部分中，我将深入探讨 TEM 单元的所有各种用例。

使用 TEM 小室进行辐射发射预一致性测试

TEM 小室的主要功能之一是测试从 DUT（被测设备）发出的辐射场。工程师们一直在寻找这种虚幻的方法来确定他们的产品是否会在测试实验室通过或失败。近场探头不会这样做，因为没有相位信息就不可能从近场准确地推断到远场。

穿过 TEM 单元的波具有大约 377Ω 的自由空间阻抗（最高频率边界），这恰好是在自由空间中传播的远场平面波的阻抗。在OATS（open area test site）或半电波暗室中，测量天线放置在3m或10m的间距，分别对应放置在100MHz和30MHz对应频率的远场。因此，使用 TEM 小室进行的测量与在完全合规测试实验室进行的测量有密切关系。

顺便说一句，这个377Ω的自由空间阻抗描述了电场 (V/m) 和磁场 (A/m) 之间的关系，其方式类似于 377Ω 的电阻将电压 (V) 与根据欧姆定律的电流 (I)。对于完全合规的辐射发射测试，测量传感器通常是对数周期、双锥形或喇叭天线，它们都对电场敏感。由于这种自由空间阻抗，我们可以同样地测量我们的EUT的磁场，但就天线的尺寸和形状等实用性而言，使用电场天线对我们来说要方便得多。

辐射发射测试设置

辐射发射 TEM 小室测试装置

TEM 小室的优点之一是它的简单性。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，并将您的产品放在隔膜和外导体之间，然后您就可以开始测量了。

将您的频谱分析仪调谐到感兴趣的频率范围，您很快就会看到是否有任何可疑的发射。

环境噪音

如果您使用的是开放式 TEM 小室，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存在此问题。要确定排放是“环境”还是来自 EUT，您可以使用多种技术：

• 关闭 EUT。如果发射消失，则它来自 EUT。

• 移动/旋转 EUT 并查看发射幅度是增加还是减少。

• 降低分析仪的跨度以仅关注一个峰值（eh 跨度 = 1 MHz）并将分辨率带宽 (RBW) 降低至 10 kHz 或更低。这通常会揭示隐藏在较高 RBW 环境后面的发射。

本底噪声

TEM 的一个常见问题是来自 EUT 的发射可能不够强，无法在频谱分析仪屏幕上显示的本底噪声之上检测到。有几个选项可以提高测量灵敏度：

• 如果您的 EUT 尺寸允许，请使用更小（更灵敏）的 TEM。

• 在 TEM 和频谱分析仪之间插入一个前置放大器。常见的前置放大器增益为 20dB 或 40dB。采用更高增益的风险是频谱分析仪输入级饱和或损坏。

• 将频谱分析仪中的内部填充衰减减少到零。

• 降低频谱分析仪的 RBW 设置。

• 使用屏蔽 TEM（有关详细信息，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 用于辐射发射测量的局限性

如果 TEM 能够准确地告诉我们的产品是否符合法规限制（如 FCC 的辐射发射限制），那就太好了。

有一些问题使这有点挑战（但并非不可能！）：

• 导致 RE 故障的辐射元件（尤其是低于几百 MHz 的频率）通常是连接到 EUT 的电缆。在小型甚至较大的 TEM 中，电缆布局对测量幅度起着重要作用。这就是我建议将 TEM 小室与电流探头配对的原因。

• 发射往往是定向的（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这个问题。他们在 X、Y 和 Z 方向上对 EUT 进行测量，并将测量结果组合起来产生一个值，他们声称该值与远场测量具有良好的相关性。有关 GTEM 和相关性的更多详细信息，请参见下文。

使用 TEM 小室进行辐射抗扰度测试

TEM 小室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，50Ω 终端电阻同样放置在第二个端口。

辐射抗扰度 TEM 小室测试装置

在这种配置中，在隔膜和外屏蔽之间建立了一个非常稳定的场。

在 TEM 的隔膜和屏蔽之间以伏特每米 (V/m) 测量的电场由以下简单方程式给出：

E = V/d 其中 V 是所施加信号的 RMS 电压，d 是隔膜与下（或上）导电平面之间的距离。这是基于电场完全均匀（即均匀分布）的简化假设。

一个更实用的公式是：

E = V*Cor/d，其中 Cor 是 EUT 体积内平均场强的校正因子，该校正因子源自对横截面上场分布的分析。

特别是对于TekBox TBTC1， 假设 EUT 放置在小室的中心以及底板和隔膜之间的中间，可以使用以下公式来获得足够的精度。

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