摘要 文章通过对EMI电源干扰滤波器加载测试系统的关键组成部分：屏蔽电缆引线，缓冲网络及其组成的完整回路的阻抗特性进行深入分析，设计出一种适合于EMI电源干扰滤波器插入损耗测量加载额定工作电流的缓冲网络，该网络为被测设备提供额定电流的同时有效阻止被测干扰信号的分流。测试结果表明该设计收到了预期效果。
关键词  缓冲网络  插入损耗 特性阻抗  EMI滤波器；
Abstract  This article profoundly analyses the impedance characteristic of buffer network
which is used in the test of Insertion Loss of EMI power line filters in the case of load,
especially, pivotal components of the buffer network, such as shield cable, resisted-
circuit inductance are paid more attention to. Finally we deigned the network and
developed the testing device. By using the device we measured Insertion Loss
parametersof a series of EMI power line filters. The measured results agreed well with
the expected ones.
Key words   buffer network, EMI filter, insertion loss, characteristic impedance ,EMI filter  1. 电源滤波器基本原理及插入损耗
      电源滤波器是一种由LC网络组成的低通滤波器，其作用原理是使得滤波器的阻抗与干扰源的阻抗不匹配，从而使干扰信号沿干扰源入射的方向反射回去，以降低干扰源的影响。图1所示为典型电源滤波器的原理图，图中虚线表示滤波器的金属屏蔽外壳。差模干扰信号的抑制是由差模电容C₁和L₁ 、L₂ 完成的，它们组成交流进线独立端口间的一个低通滤波器，从而实现对供电系统差模信号的抑制；共模干扰信号的抑制是由L₃、L₄和C₂、C₃完成。L₃、L₄是在闭合磁路的铁氧体磁芯上对称绕制的共模轭流圈（如图1），接入电路后在L₃、L₄两个线圈内交流电流产生的磁通相互抵消，不致使磁芯引起磁通饱和，又使这两个线圈的电感值对共模干扰信号呈现很大的感抗，有效抑制了电源线上的共模干扰。      在信号源输出阻抗等于接收机输入阻抗的情况下电源滤波器插入损耗由下式表示：IL=20lg（u₁/u₂）IL — 插入损耗，dB ；
u₁ — 无滤波器时干扰信号在负载上建立的信号电压；
u₂ — 加滤波器时干扰信号在负载上建立的信号电压。
      插入损耗通常是工作频率的函数。根据插入损耗定义，输入输出阻抗须相等，且等于50Ω。但是，在实际电源线环境中，电源与负载阻抗没有限定，为了提供统一的评价标准，工业上便通过50Ω测试系统来检验滤波器的插入损耗。
      由于构成滤波器的各种集总参数元件，常常伴有寄生参数，如电感的寄生电容，特别是共模扼流圈的绕制不可能保证完全对称，这种寄生差模电感在加载情况下很可能产生磁饱和现象，使得滤波器的实际表现与厂家提供的参数指标相去甚远，因此必须对其进行加载测试。2. 基本测试电路及缓冲网络设计
      根据电源滤波器作用原理和加载测试要求，设计出的基本测试电路原理图，如图2所示。      按照图中的布置通过矢量网络分析仪的扫频传输测试即可直接得到被测滤波器的插入损耗。在所考虑的频率范围内，缓冲网络的分流作用对测量结果的影响应该尽量小，例如GB7343-87规定其影响不得大于2dB。为此，要求缓冲网络的输入阻抗Z_in尽量高。按照传输线理论^[2]，输入阻抗不仅取决于缓冲网络中电感线圈的电感量,还与连接缓冲网络和被测滤波器的屏蔽电缆管的特性阻抗及其长度有关。式中:Z_c——屏蔽电缆管特性阻抗；
l ——屏蔽电缆管长度；
β——相移常数；
Z_L——电感线圈的感抗。      图3、图4分别为按照式(1)计算出的屏蔽电缆管长度及其特性阻抗对缓冲网络输入阻抗的影响，其中电感线圈的感抗值Z_L=jωL。当Z_c给定时随着频率的升高，式(1)的分母会趋向于零，此时Z_in最大值，随着频率的进一步升高线圈电感量起主导作用，Z_in将会逐渐减小。为了便于比较，图中给出的曲线当Z_in大于2000Ω时以直线表示。
高频阻流线圈设计
      这里用到的电感线圈实际上就是阻流圈，其特点是承载电流较大，要选用较粗的导线，但对品质因数Q的要求不高。
      根据以上计算分析对测试装置进行改进，一方面应该提高缓冲网络的电感值,另一方面要尽量缩短连接用屏蔽电缆的长度并提高其特性阻抗，应选用较粗的同轴屏蔽电缆管。实际上，当电感量达到一定值时，单纯通过增大电感量已经没有太大意义，而改进屏蔽电缆管的参数值却可以取得良好效果。图5给出了缓冲网络的输入阻抗特性实测曲线，图中给出的是从屏蔽电缆端口向缓冲网络方向看的输入阻抗幅值，由于屏蔽电缆的特性阻抗不是纯实数，输入阻抗会有多个谐振点，测试曲线中出现多个峰值也说明了这一点。本例中改进后的输入阻抗值在测试频率范围内为400Ω左右。整个测试装置的外形如图6所示。      其他元器件的选用：
      隔直电容: 在整个测量频率范围内，C的阻抗应不大于5Ω。
      穿心电容: 电感线圈屏蔽外壳处穿心电容阻抗应足够小，以使其满足不对电感线圈的阻抗产生影响。
      缓冲网络的性能评定，要在测量带负载滤波器之前，先通过一个不加额定电流（滤波器处于空载状态）的预备性测量来确定。在所测量的频段内，测量结果不会因加载缓冲网络的存在而受到较大影响，图7所示曲线即为缓冲网络的存在对实际测试的影响。      由图7可见,接入缓冲网络后，会产生信号分流作用，导致测试曲线与空载不加缓冲网络时不完全重合，如果设计得当这种误差就会控制在试验允许的范围内。在本例中，测试频率范围内,最大偏差出现在21MHz附近，为2dB左右，低频段曲线吻合较好，这是因为低频时屏蔽电缆管的传输线效应不明显，而当频段较高时情况会有变化。3．测试及结果分析
      利用以上系统对某型号额定电流为6A的电源滤波器插入损耗进行测量，图8为滤波器单边加载电流时的测试布置简图。      图9为按图8布置测得的插入损耗曲线，图中低频段的插入损耗，迅速降低甚至接近于零，显然与滤波器的实际工作情况不符。我们知道在电源滤波器内部，L、N两支线路缠绕在同一磁芯上构成共模扼流圈，当滤波器正常工作时，两支路电流方向相反，产生的磁场相互抵消，避免了磁性芯材料的磁饱和现象，当采用单边加载电流的方式测量时，由于只在一边绕组中通过大电流，磁芯很容易饱和，扼流圈的滤波能力迅速下降，此时测量的已经不是滤波器的实际抑制能力，图9的曲线与这一分析吻合。      为了解决单边加载测试时的磁饱和问题，在滤波器的负载端通过一个负载相连，将电流串入另一支路，滤波器的两支路中同时有相反方向的电流通过，在共模扼流圈中产生的磁场相互抵消，测量信号仍然选择L或N支路作为测量对象，这样就有效地避免了磁芯的磁饱和现象，同时又为滤波器加载了额定电流，按图10所示的简图布置并进行测试,测试曲线见图11。      在图11中低频段没有出现图9中的那种插入损耗迅速降低的不合理情况。
      测试结果表明，在加载电流的作用下滤波器的插入损耗出现了一定起伏，可见电流加载与否对滤波器的性能会产生一定的影响，这也是电源滤波器插入损耗测试必须采用加载测试的原因。参考文献1  MIL-STD-220B, Method of Insertion Loss Measurement. 24 January 2000.17-26
2  邱成悌，蒋全兴 编著， 电子设备结构设计原理， 东南大学出版社,2001.12. 267-273
3  陈振国编著，微波技术基础应用，北京邮电大学出版社,2002.12. 68-135

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