今天的電子設(shè)備通常非常復(fù)雜,您可能需要處理EMI問(wèn)題。
由于嵌入式電子元件的激增,現(xiàn)在更多的商業(yè)產(chǎn)品屬于必須嚴(yán)格要求的設(shè)備類(lèi)別環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。此外,越來(lái)越多的市場(chǎng)要求產(chǎn)品符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。因此,工程師發(fā)現(xiàn)自己在時(shí)域中只有一只腳,在頻域中只有一只腳。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中,你有設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。雖然錯(cuò)過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)并不好,但錯(cuò)過(guò)設(shè)計(jì)要求卻更糟糕。不符合監(jiān)管要求(例如EMC)是不可取的。但是,EMC要求通常與其他設(shè)計(jì)要求不一致,因此您必須進(jìn)行一些設(shè)計(jì)權(quán)衡。
在頻域中使用遠(yuǎn)場(chǎng),近場(chǎng)和共模故障排除技術(shù),您可以確定輻射源的來(lái)源。遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)非常類(lèi)似于正式EMC認(rèn)證測(cè)試期間在遠(yuǎn)距離(米)處采用的技術(shù)。近場(chǎng)和共模技術(shù)是您在更接近(厘米)處執(zhí)行的故障排除技術(shù)。您可以將這兩種技術(shù)都視為近場(chǎng)技術(shù)。然而,每種技術(shù)都有一個(gè)明確的目標(biāo)。
在天線(xiàn)理論中,術(shù)語(yǔ)“近場(chǎng)”和“遠(yuǎn)場(chǎng)”對(duì)相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)表示具有重要意義,但本文提供了簡(jiǎn)化的解釋。隨著您獲得EMC經(jīng)驗(yàn),您將開(kāi)發(fā)個(gè)人故障排除方式。但是,以下方法可以有效地將看似壓倒性的EMI問(wèn)題減少到可管理的一系列問(wèn)題。
從遠(yuǎn)場(chǎng)分析開(kāi)始
通常,您在任何故障排除過(guò)程中的第一步是限制問(wèn)題,讓您深入了解問(wèn)題的嚴(yán)重性和性質(zhì)。由于使用近場(chǎng)或共模測(cè)量技術(shù)很難預(yù)測(cè)產(chǎn)品的遠(yuǎn)場(chǎng)EMI行為,因此限制EMI問(wèn)題的最有效方法是進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)分析。
遠(yuǎn)場(chǎng)分析是對(duì)被測(cè)設(shè)備(EUT)的EMI行為的宏觀(guān)觀(guān)察(圖1)。您可以收集一系列頻率和EUT特定距離的實(shí)際輻射發(fā)射測(cè)量值,并將這些測(cè)量值與預(yù)定限值進(jìn)行比較。如果您使用的測(cè)量方法與適用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)定義的方法相同,并且您在無(wú)環(huán)境能量的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量,則可獲得最大的益處。雖然正確執(zhí)行遠(yuǎn)場(chǎng)分析所需的設(shè)施和設(shè)備成本很高,但即使是粗糙的設(shè)施,老練的用戶(hù)也可以使用這些遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)。
在本次討論中,“遠(yuǎn)場(chǎng)”是指適用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)所定義的接收天線(xiàn)和EUT之間的距離。例如,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN55022:1995,信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)電干擾特性的限制和方法,指出當(dāng)您進(jìn)行測(cè)量時(shí)接收天線(xiàn)距離EUT 10米。特殊規(guī)定允許您在3米處對(duì)B類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量。該標(biāo)準(zhǔn)適用于30 MHz至1 GHz頻率范圍;您可以在開(kāi)放區(qū)域測(cè)試站點(diǎn)或吸收器襯里的屏蔽室中收集數(shù)據(jù)。
您可以通過(guò)將EUT放置在帶有接收天線(xiàn)的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)上來(lái)自動(dòng)收集遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)安裝在電動(dòng)桅桿上。測(cè)試控制軟件改變轉(zhuǎn)臺(tái)方位角,天線(xiàn)高度和天線(xiàn)極性,測(cè)試系統(tǒng)掃描頻譜并記錄整個(gè)頻譜的發(fā)射電平。此過(guò)程類(lèi)似于EUT在正式認(rèn)證期間可能經(jīng)歷的實(shí)際測(cè)試。
您必須對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)執(zhí)行多次遠(yuǎn)場(chǎng)掃描,因?yàn)镋UT排放中通常存在可變性。大多數(shù)經(jīng)過(guò)此類(lèi)測(cè)試的設(shè)備至少有一根系統(tǒng)電纜(交流電源),通常更多。在遠(yuǎn)場(chǎng)掃描運(yùn)行之間操作系統(tǒng)電纜是個(gè)好主意,因?yàn)殡娎|位置會(huì)影響EUT發(fā)射。此外,通過(guò)在操作電纜時(shí)實(shí)時(shí)查看選定的頻率或頻率范圍,您可以獲得即時(shí)反饋,從而更快地隔離問(wèn)題。
設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)的標(biāo)志是可重復(fù)的行為,其中在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中,在給定頻率下,最大輻射發(fā)射僅變化約2至3dB。該結(jié)果假定輻射發(fā)射水平低于要求的限值,并且您已在所有操作模式中觀(guān)察到EUT,這可能導(dǎo)致輻射發(fā)射的顯著變化。有時(shí)很難確定是否出現(xiàn)這種情況。
在給定頻率的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中,邊緣設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生大約10到20 dB的輻射發(fā)射極端變化。具有大變化的系統(tǒng)不如具有小變化的系統(tǒng)穩(wěn)定,并且在鑒定過(guò)程中需要更多的工程時(shí)間。這種極端變化可能是不可接受的,這取決于相對(duì)于極限的最大排放水平。
若干因素可能導(dǎo)致輻射發(fā)射的極端變化,包括幾乎相同頻率的多個(gè)發(fā)射源,EUT工作模式的變化或電纜位置的變化。如果多個(gè)源以幾乎相同的頻率存在,則一個(gè)或多個(gè)源可能在時(shí)間上重疊并因此產(chǎn)生相加的發(fā)射。您可能需要處理每個(gè)源以將排放降低到所需的水平。
此外,系統(tǒng)運(yùn)行模式的改變可能會(huì)導(dǎo)致輻射發(fā)射的顯著變化。例如,突然爆發(fā)的磁盤(pán)活動(dòng)甚至微處理器緩存活動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的排放突然變化。要識(shí)別和處理這些類(lèi)型的排放,您可能需要詳細(xì)了解設(shè)計(jì)。最后,由于電纜位置引起的輻射發(fā)射的大的變化表明系統(tǒng)存在固有的錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)這種情況。
由于電纜位置變化導(dǎo)致輻射發(fā)射的這種大的變化的原因是接地方案不良,I/O端口濾波不良,屏蔽電纜不良,或耦合到外部電纜上的光圈發(fā)射。解決這些排放所需的步驟可能從嚴(yán)重到簡(jiǎn)單,可能需要您進(jìn)行重大的重新設(shè)計(jì)。但是,情況并非總是如此,有時(shí)簡(jiǎn)單的步驟可以解決問(wèn)題。例如,嘗試用屏蔽良好的電纜替換屏蔽不良的電纜,或者策略性地放置EMI墊片,這樣可以通過(guò)減小孔徑(外殼中的開(kāi)口或狹縫)來(lái)消除發(fā)射。在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中,特別難以發(fā)現(xiàn)小孔徑的發(fā)射,因?yàn)檫@些發(fā)射往往是非常有方向性的。只有5厘米的光圈可能無(wú)法在大于約900 MHz的頻率下為您的系統(tǒng)提供足夠的衰減,因此您需要嚴(yán)格的轉(zhuǎn)盤(pán)和天線(xiàn)定位才能在遠(yuǎn)場(chǎng)定位這種類(lèi)型的發(fā)射。
移動(dòng)到附近 - 場(chǎng)分析
近場(chǎng)分析只需要你有一個(gè)頻譜分析儀和一個(gè)近場(chǎng)探頭(一個(gè)小磁環(huán)天線(xiàn))(圖2)。在觀(guān)察頻譜分析儀的同時(shí),將近場(chǎng)探頭靠近EUT(大約厘米)。最好在沒(méi)有環(huán)境射頻能量的條件下進(jìn)行近場(chǎng)分析。但是,通過(guò)使用從全面的遠(yuǎn)場(chǎng)分析中獲得的知識(shí),您可以將近場(chǎng)分析的范圍縮小到有問(wèn)題的頻率。
在環(huán)境存在的情況下工作更實(shí)際頻率較低時(shí)要擔(dān)心的頻率,這種簡(jiǎn)化測(cè)試的機(jī)會(huì)可以釋放主要資源。理想情況下,當(dāng)您在適當(dāng)?shù)脑O(shè)施中將它們應(yīng)用于無(wú)環(huán)境能量時(shí),您的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)技術(shù)相互補(bǔ)充。
近場(chǎng)分析的一個(gè)良好起點(diǎn)是列出在遠(yuǎn)場(chǎng)分析期間測(cè)量的精確頻率。但是,當(dāng)您將信息與基本原理相結(jié)合時(shí),其他相關(guān)信息(例如轉(zhuǎn)盤(pán)方位角,天線(xiàn)桿高度以及測(cè)量最大發(fā)射量的天線(xiàn)極性)也為您提供了寶貴的見(jiàn)解。該原理表明,在遠(yuǎn)場(chǎng)中,接收天線(xiàn)的極化與輻射孔的定向平面正交。
因此,外殼中的垂直孔產(chǎn)生水平偏振發(fā)射,并且外殼中的水平孔產(chǎn)生垂直偏振發(fā)射。通過(guò)在近場(chǎng)探測(cè)時(shí)應(yīng)用這些知識(shí),定位和消除孔徑輻射(這是近場(chǎng)分析的主要目標(biāo))變得更加容易。
槽位排放可以足夠強(qiáng)大到達(dá)在遠(yuǎn)場(chǎng)觀(guān)察它們。但請(qǐng)記住,如果外部系統(tǒng)電纜靠近光圈,您甚至可以觀(guān)察到遠(yuǎn)場(chǎng)中的弱光槽發(fā)射。此外,內(nèi)部系統(tǒng)電纜的布線(xiàn)可以改變來(lái)自外殼孔徑的發(fā)射強(qiáng)度甚至頻率。
您可能希望在外部系統(tǒng)電纜分離的情況下執(zhí)行近場(chǎng)探測(cè),因?yàn)檫B接的電纜對(duì)EUT來(lái)說(shuō),很難區(qū)分電纜發(fā)射和插槽排放。但請(qǐng)記住,在進(jìn)行近場(chǎng)探測(cè)時(shí),可能需要在拆卸系統(tǒng)電纜時(shí)進(jìn)行權(quán)衡,因?yàn)檫@種分離的系統(tǒng)電纜可能會(huì)妨礙EUT的正常運(yùn)行。例如,如果EUT的操作系統(tǒng)位于EUT外部的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上,則需要使用外部電纜來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)。
機(jī)箱孔徑可以作為設(shè)計(jì)的一部分,例如氣流,或者它們可以通過(guò)更微妙的方式進(jìn)入系統(tǒng),例如墊圈疲勞,涂漆表面或非導(dǎo)電金屬涂層。在任何情況下,您必須消除光圈,即使只是暫時(shí)的。要完成這項(xiàng)任務(wù),您可以使用銅帶,鋁箔和各種EMI墊圈,所有這些都是您的耗材庫(kù)中的便利物品。
在此故障排除階段,您可以甚至使用消除孔徑的粗糙方法。一般來(lái)說(shuō),這個(gè)階段不是擔(dān)心您是否可以實(shí)施實(shí)用方法的時(shí)候。例如,如果您可以在源頭處理發(fā)射,則可能會(huì)在以后結(jié)束,例如,您不需要消除光圈。
一旦處理了有問(wèn)題的光圈,您的近場(chǎng)探測(cè)在處理區(qū)域附近應(yīng)驗(yàn)證您已消除了孔徑發(fā)射。您還可以使用遠(yuǎn)場(chǎng)頻譜來(lái)驗(yàn)證這一事實(shí)。如果遠(yuǎn)場(chǎng)中仍存在發(fā)射,則可能需要處理多個(gè)發(fā)射路徑(孔徑或電纜)。如果您認(rèn)為已消除所有違規(guī)孔徑,則應(yīng)在不連接電纜的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)掃描,以確認(rèn)您已消除了孔徑發(fā)射。雖然這種類(lèi)型的遠(yuǎn)場(chǎng)掃描可以為您提供見(jiàn)解,但它并不代表實(shí)際的操作模式。盡管如此,掃描應(yīng)該表明外殼的整體完整性有所改善。
接下來(lái),將電纜恢復(fù)到系統(tǒng)并在正常操作條件下運(yùn)行另一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)掃描。此步驟應(yīng)表明您已取得進(jìn)展并減少或減少排放。如果排放仍然存在,則可能是電纜排放,您需要進(jìn)行共模分析。
過(guò)渡到共模分析
共模分析使用的測(cè)試設(shè)置類(lèi)似于用于近場(chǎng)探測(cè)的測(cè)試設(shè)置。您只需使用共模電流鉗替換近場(chǎng)探頭,即可測(cè)量共模電纜輻射(圖3)。
共模電纜輻射是電纜上雜散電流的直接結(jié)果。這些雜散電流是由于系統(tǒng)中某處的信號(hào)電流和返回電流的不平衡造成的。由于電流僅在閉合電路中流動(dòng),因此返回電流只是返回其電源的電流。
電纜上的某些電流是故意的,而其他電流則是無(wú)意的雜散電流。您應(yīng)始終為有意信號(hào)電流提供低阻抗返回路徑。
如果您正確平衡信號(hào)和返回電流,這些電流方向相反且方向相反,每個(gè)電流產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)抵消相應(yīng)的領(lǐng)域。然而,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)某處的返回路徑不足時(shí),返回電流遵循間接的雜散返回路徑,并且不會(huì)發(fā)生場(chǎng)消除。結(jié)果是輻射發(fā)射。
由于電纜制造的天線(xiàn)很好,因此只需幾微安的不平衡共模電流就會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的輻射。要測(cè)量這些發(fā)射,請(qǐng)?jiān)谟^(guān)察頻譜分析儀上的顯示時(shí),將共模電流鉗放在被測(cè)電纜周?chē)Ec近場(chǎng)分析一樣,最好在沒(méi)有環(huán)境射頻能量的條件下進(jìn)行共模分析。但是,通過(guò)使用從全面的遠(yuǎn)場(chǎng)分析中獲得的知識(shí),您可以將共模分析的范圍縮小到僅有違規(guī)的頻率,這使得在環(huán)境頻率存在下工作更加實(shí)用。理想情況下,當(dāng)您在適當(dāng)?shù)臒o(wú)環(huán)境能源設(shè)施中同時(shí)應(yīng)用遠(yuǎn)場(chǎng)和共模技術(shù)時(shí),遠(yuǎn)場(chǎng)和共模技術(shù)可以相互補(bǔ)充。
共模分析的一個(gè)良好起點(diǎn)是從遠(yuǎn)場(chǎng)分析中列出精確的頻率列表。其他相關(guān)信息,例如轉(zhuǎn)盤(pán)方位角,天線(xiàn)桿高度,以及測(cè)量最大發(fā)射的天線(xiàn)極性,在將信息與基本原理相結(jié)合時(shí),也提供了有價(jià)值的見(jiàn)解:在遠(yuǎn)場(chǎng),極化接收天線(xiàn)與輻射電纜的定向平面在同一平面上。
因此,垂直電纜產(chǎn)生垂直極化發(fā)射,而水平電纜產(chǎn)生水平極化發(fā)射。在垂直和水平平面上都有段的電纜可以同時(shí)具有垂直和水平極化場(chǎng)。
您應(yīng)該一次對(duì)一根電纜進(jìn)行共模分析。如果可能,從系統(tǒng)上拆下測(cè)試電纜以外的所有電纜。使用連接到系統(tǒng)的多根電纜執(zhí)行共模分析可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)電纜與剩余電纜之間的相互作用,從而導(dǎo)致分析無(wú)效。如果存在其他電纜,則應(yīng)將剩余電纜遠(yuǎn)離被測(cè)電纜,以便與被測(cè)電纜的相互作用最小。最后,最好是外殼完好無(wú)損;如果不是,如果發(fā)生耦合,您可能會(huì)無(wú)意中使分析失效。
了解電纜可以幫助您進(jìn)行故障排除。同軸電纜幾乎是理想的,因?yàn)樗鼈兊男盘?hào)電流和返回電流(以及因此產(chǎn)生的場(chǎng))包含在電纜的屏蔽內(nèi)。但是,由于在整個(gè)系統(tǒng)中使用同軸電纜通常是不可行的,因此必須為更實(shí)用的布線(xiàn)選擇提供便利。通過(guò)這種電纜折衷,您可以獲得更高的輻射發(fā)射。
如果電纜的返回路徑中存在斷裂,例如斷路屏蔽或損壞的排擾線(xiàn),電纜會(huì)發(fā)出輻射。最好使用具有通過(guò)排放測(cè)試歷史的可靠電纜。但即使這些可靠的電纜最終也會(huì)疲勞并開(kāi)始輻射。執(zhí)行電纜檢查的最佳方法是將共模電流鉗放置在可疑電纜周?chē)缓笥^(guān)察電纜在分析儀上的輻射。在終端處彎曲電纜,這是最薄弱的部分。如果存在間歇連接,則共模電流鉗測(cè)量的電場(chǎng)跳變至少5至10 dB。
您還可以使用毫歐量程表進(jìn)行電纜檢查,以測(cè)量電阻。每個(gè)連接器后殼之間的電纜屏蔽。再次,在終端處彎曲電纜,同時(shí)觀(guān)察電阻的根本變化。這種技術(shù)可靠性較差,因?yàn)樗捎弥绷鞫巧漕l測(cè)量技術(shù),但在某些情況下更容易使用。
關(guān)閉根本原因
當(dāng)你有消除了所有外殼孔并將可靠的電纜放在適當(dāng)?shù)奈恢茫驗(yàn)槟鸀镋MC設(shè)計(jì)了系統(tǒng),因此您應(yīng)該只有少量有問(wèn)題的排放進(jìn)行故障排除。您的下一步是識(shí)別和處理這些違規(guī)排放的原因。
在任何給定頻率下,排放可以具有來(lái)自多個(gè)來(lái)源的諧波含量。例如,200MHz發(fā)射可以具有與25.00,33.33,40.00,66.66和100MHz的基頻相關(guān)的諧波含量,并且微處理器的核心頻率也可以是200MHz。這些來(lái)源中只有一個(gè)可能是你的主要罪犯;其他原因可能要小得多。
幸運(yùn)的是,在有問(wèn)題的頻率下,與這些源相關(guān)的諧波很少處于相同的頻率。幾十千赫茲可能將諧波分開(kāi)。您可以使用此精確信息來(lái)找到問(wèn)題的根源,但創(chuàng)造性地使用頻譜分析儀至關(guān)重要。分析儀允許您在違規(guī)頻率下仔細(xì)區(qū)分各個(gè)貢獻(xiàn)源。您可以應(yīng)用遠(yuǎn)場(chǎng),近場(chǎng)和共模故障排除技術(shù)的組合來(lái)正確執(zhí)行此分析。
從遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)置開(kāi)始,將頻譜分析儀設(shè)置為在違規(guī)頻率下大約1 MHz并將其置于自耦合模式。在這個(gè)范圍內(nèi),您無(wú)法區(qū)分各個(gè)信號(hào)貢獻(xiàn)者。開(kāi)始逐步降低跨度,直到各個(gè)貢獻(xiàn)頻率變得明顯。在逐步降低范圍的同時(shí),繼續(xù)保持最高的貢獻(xiàn)者或貢獻(xiàn)者集中在頻譜分析儀顯示屏上。請(qǐng)注意,在自耦合模式下,頻譜分析儀的掃描時(shí)間,分辨率帶寬和視頻帶寬會(huì)自動(dòng)更改為適合所選量程的設(shè)置。
一旦頻譜分析儀的跨度足夠窄,各個(gè)貢獻(xiàn)頻率變得截然不同。您現(xiàn)在可以非常精確地確定主要犯罪者或貢獻(xiàn)者的頻率。記錄此頻率并轉(zhuǎn)到共模測(cè)試設(shè)置以進(jìn)行相關(guān)。使用與共模測(cè)試設(shè)置相同的分析儀技術(shù),以確定哪個(gè)電纜(或多個(gè)電纜)是所討論的確切頻率的發(fā)射路徑。在這里,您正在查看精確的違規(guī)頻率下的相對(duì)排放水平。這種方法可以引導(dǎo)您進(jìn)入有問(wèn)題的端口。
獲得對(duì)機(jī)箱的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限后,在電路級(jí)使用相同的分析儀技術(shù),但使用近場(chǎng)探頭。再次,在精確的違規(guī)頻率下查看相對(duì)排放水平。將近場(chǎng)探頭靠近EUT的電路元件。
電路級(jí)的近場(chǎng)探測(cè)可以指向電路板布局問(wèn)題,例如地平面故障或嘈雜由于串?dāng)_導(dǎo)致的痕跡。這種探測(cè)還可以突出顯示具有不充分的去耦或過(guò)度封裝輻射的元件,或者引起子系統(tǒng)之間耦合的元件放置問(wèn)題。然后,您可以使用謹(jǐn)慎的因果故障排除技術(shù)來(lái)確定性地找到問(wèn)題的根源。例如,通過(guò)移除I/O端口上的濾波器組件,您可能會(huì)看到遠(yuǎn)場(chǎng),近場(chǎng)以及共模設(shè)置中所討論的精確頻率的發(fā)射減少。
確定違規(guī)來(lái)源后,您可以確定在設(shè)計(jì)過(guò)程中違反了哪些設(shè)計(jì)規(guī)則并更正設(shè)計(jì),從而對(duì)待來(lái)源。經(jīng)過(guò)深思熟慮的設(shè)計(jì)包括一定程度的靈活性,以便您可以進(jìn)行此類(lèi)更正。例如,如果電路拓?fù)湟呀?jīng)到位,您可以調(diào)整時(shí)鐘終端或I/O端口濾波器。
重復(fù)完成
解決排放問(wèn)題不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程,您可能需要重復(fù)該過(guò)程或部分過(guò)程 - 直到您處理所有違規(guī)來(lái)源。另一項(xiàng)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試和分析將最終驗(yàn)證您的結(jié)果。如果遠(yuǎn)場(chǎng)分析產(chǎn)生有利結(jié)果,您可以系統(tǒng)地開(kāi)始刪除在故障排除期間可能已實(shí)施的任何臨時(shí)修訂。一旦控制了排放源,部分或全部這些變化可能就沒(méi)有必要了。如果您在故障排除過(guò)程的早期實(shí)施了臨時(shí)修復(fù),您現(xiàn)在認(rèn)為是必要的,那么您必須設(shè)計(jì)一種合理,可重復(fù)的方法。
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