混響室條件下的輻射敏感度測試新方法

賈 銳 王慶國 程二威

（軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊050003）

引 言

2011年，國際電工委員會頒布了61000－4－21（第2版）標準，用于完善混響室的使用和測試［1］。歐洲的一些部門和一些汽車公司也相繼制定了本行業的混響室使用標準［2－3］?？臻g電磁環境日趨復雜，隨著電子設備集成度的不斷提高，其系統或分系統的抗電磁干擾能力不斷下降。造成了外部干擾越來越強，內部抵抗力越來越弱的矛盾。認識到這個矛盾后，電磁兼容迅速成為了全世界科學研究的熱點［4－6］。而混響室這一能提供各向同性，隨機極化，統計均勻的電磁測試環境也成為了電磁兼容領域的重點和熱點［7－8］。

世界范圍內關于混響室的測試標準，規范的只是規格性測試。如果對某一給定電子設備，如果需得到其準確的電磁敏感度，各個標準就立刻“失效”。無法得到對給定設備的確切電磁敏感度。為解決這一問題，本文提供了一種混響室條件下新的輻射敏感度測試方法，該方法測試過程簡單，利用此方法可以得到給定設備在任意敏感頻點的輻射敏感度閾值，且具有良好的測試可重復性。

1.混響室兩種工作模式

輻射敏感度測試是混響室的一個重要應用方面［9－10］。測試中，對測試區域內的場強進行監測。按照內置攪拌器的工作模式，混響室可分為連續模式和步進模式兩種工作模式。設備的輻射敏感度的定義是設備維持正常工作時，所能夠承受的最大電磁干擾強度。對于連續模式來說，由于攪拌器的不停轉動，腔體內的電磁場處于連續擾動狀態，工作區域內的場強隨著攪拌器的轉動快速變化，當混響室工作于連續模式時，很難對其周圍環境場進行特征提取，更無法得到受試設備的輻射敏感度。工程實踐中可以有3種方法來解決此問題：1）將接收天線在攪拌器旋轉一周的時間內所接收到的最大場強值作為受試設備的輻射敏感度；2）將受試設備出現干擾現象時的瞬時場強作為其輻射敏感度；3）將一段時間內接收天線所接收到場強值的平均值作為受試設備的電磁輻射敏感度。

當混響室工作于步進模式時，分別在多個步進位置進行相同的測試過程。不同的步進位置，測試區域內的場分布各不相同。但對于某一特定步進位置，混響室腔體內的場是穩定的，接收天線可以測得其所處位置穩定的場強值。這種情況下，對受試設備電磁敏感度的測量有兩種方法：1）將多個步進位置所測得的最大值作為受試設備的輻射敏感度；2）將多個步進位置所測得場強值進行平均，將平均后得到的值作為受試設備的輻射敏感度。

通過以上討論，不難看出混響室條件下的輻射敏感度測試重點在于如何定義受試設備的輻射敏感度。事實上，如何對受試設備的輻射敏感度進行定義，是利用混響室進行敏感度測量的根本問題。當一種新方法被提出后，檢驗其能否得到應用的重要標準就是其可重復性。本文選取了醫學臨床實踐中常用的FX7302型心電圖機進行大量實驗研究，通過對實驗結果的分析來說明哪種途徑更適合實際應用。

2.實驗所用混響室及其校準

國際電工委員會IEC于2003年頒布了61000－4－21標準，并于2011年頒布了此標準的第2版，第1版標準同時作廢。第2版標準相對第1版在測試和校準方面，在不影響測試結果的情況下要求有所降低。本文測試時，仍按照第1版的標準進行校準。圖1為IEC標準中規定混響室場均勻性標準偏差限值與實驗所用混響室的場均勻性標準偏差對比曲線，其中，SigmaX、SigmaY、SigmaZ分別為工作區域的8個頂點處，攪拌器旋轉一周所測得的X、Y、Z三個正交方向上的場強值的標準偏差，Sigma24為三個方向上總的標準偏差。

圖1 實測混響室均勻性標準偏差與IEC標準要求對比

實驗用混響室的體積為10m×8m×4.3m，其最低可用頻率大約為80MHz，測試最低頻率為100 MHz.實驗臺高度為1m，且與混響室墻壁以及攪拌器的距離在2m以上，以保證實驗結果不會受到墻壁附近不均勻電磁場分布的影響。受試設備的信號由信號發生器提供，該信號發生器可抵抗的電磁干擾要遠高于實驗所用電磁干擾強度，受試設備的屏幕輸出由監視器監測，視頻信號由光纖引出。信號的輸入設備和監測設備都可耐高場強干擾，以保證實驗中所觀察到的效應是由受試設備本身受到的干擾而產生。圖2給出受試設備的正常輸出波形以及受到干擾后的輸出波形。選擇Nadar EMR－200天線作為接收天線，用于監測混響室工作區域內環境場。

首先，選擇在80MHz～1GHz范圍內進行掃頻，得到受試設備在此頻段內的敏感頻率。然后，分別在敏感頻率處進行輻射敏感度測試。圖1中可以看到：實驗用混響室完全滿足標準要求，可以進行輻射敏感度測試。

圖2 受試心電圖機的正常波形和受到干擾后波形

3.連續模式下的輻射敏感度測試

當混響室工作于連續模式，隨著攪拌器的轉動，其內部腔體電磁場的邊界條件持續變化，電磁場呈現出時刻變化的復雜狀態，解析法很難對其進行計算?？茖W家嘗試使用統計方法或半解析法對混響室內場線耦合問題進行計算，還有科研工作者利用平面波的疊加來模擬混響室的環境場。這些方法在理論層面的計算研究有很大的優勢，但在實際工程實踐方面缺少實際的指導意義。第1節中介紹了連續模式下輻射敏感度的3種可能的方法，本節中將逐一對這3種方法進行評估。

首先，將接收天線在攪拌器旋轉一周的時間內所接收到的最大場強值作為受試設備的輻射敏感度。這種方法要求計算機篩選出攪拌器攪拌一周的時間內接收天線輸出的最大值，攪拌器攪拌一周的時間取決于攪拌速度。有可能出現測得的最大場強值并非受試設備受到干擾時的場強值，這就使得接收天線輸出的場強值滯后于混響室腔體內的環境場。所以，這種方法在實踐操作中不會推薦使用。

第2種定義方法是將受試設備出現干擾現象時接收天線輸出的瞬時場強作為其輻射敏感度。接收天線Nadar EMR－200的最快輸出速度為0.4s輸出一個場強值。圖3給出了50次使用瞬時場強作為輻射敏感度的測試結果。

圖3 瞬時值作為輻射敏感度的50次測試結果

從圖3中可以看出：測試結果的重復性極差，可見接收天線的瞬時值并不適合作為受試設備的輻射敏感度閾值。連續模式時，攪拌器以一定的速度攪拌，混響室腔體內的電磁場的邊界條件也隨時處于變化狀態。這就造成了其內部環境場的不穩定，提取出的輻射敏感度重復性太差，同樣不適合應用于工程實踐。

考慮到混響室“各向同性、隨機極化、統計均勻”的特點，若是對接收天線一定時間內的輸出結果進行統計平均，即對攪拌器旋轉一定角度內的場進行統計平均，其結果的重復性可能會有所改善，這也是第1節中提出的第3種方法。將這個時間定義為統計平均時間參數，還有一個很重要的參數就是攪拌器的轉動速度。選取統計平均時間參數為1s至10 s10種；攪拌速度為1.5r/m、3r/m、6r/m、8r/m、10r/m（r/m：轉/分）5種進行研究。

為了得到理想的測試可重復性。利用混響室內部電磁環境統計均勻的特點，將接收天線的輸出值進行統計平均處理，這相當于在攪拌器旋轉的一定角度內，對環境場進行統計平均?？煽醋鲾嚢杵髟诙鄠€角度內步進攪拌，每個角度的大小由統計平均時間參數決定。圖4給出多種統計平均時間參數在不同攪拌速度和頻率下的實驗結果標準偏差。

由圖4可以看出：當統計平均時間參數等于或大于4s時，測試結果的標準偏差曲線趨向平穩，有良好的測試可重復性。但統計平均時間參數并非越大越好，當統計平均時間參數大于一定值后，接收天線采集的場強值又會滯后于受試設備受到干擾時的環境場。故下面的實驗，為了避免較大的測試誤差，選擇4s作為統計平均時間參數進行研究。

圖4 不同轉速和頻率下的測得結果的標準偏差

對于標準的測試方法而言，測試結果應具有很高的可重復性，應該保證不同測試人員在同一特定測試中能夠得到相同的結果?；谶@個目的，受試設備分別在不同的攪拌速度下進行輻射敏感度測試。圖5給出了不同攪拌速度的測試結果的變異系數。

圖5 不同攪拌速度測試結果的變異系數

通過圖5可以看出：5種不同攪拌速度的測試結果都具有良好的測試可重復性，這是因為測試結果的提取是基于統計平均時間參數的。對于不同的受試設備，不同的攪拌速度會有不同的影響效果。

4.步進模式下的輻射敏感度測試

當混響室工作于步進模式時，攪拌器有多個步進位置。每個步進位置上，混響室腔體內的環境場都是不均勻的，輻射敏感度測試在多個步進位置分別進行。前文提到步進模式下有兩種方法定義輻射敏感度：一是接收天線在所有步進位置接收到場強的最大值；另一個是在所有步進位置的平均值。

當攪拌器停留在某個步進位置時，腔體內的電磁場是穩定的。也就是說當攪拌器固定在某個位置時，測試區域內某一給定點的場強是不變的。每一個步進位置，都要進行輻射敏感度測試，如攪拌器旋轉一周有N個步進位置，相同的測試過程必須重復N次。對比IEC61000－4－21兩個版本，最大區別就是步進模式時，對攪拌器最少獨立攪拌位置要求的變化。表1給出了兩個版本關于攪拌器最少獨立采樣位置的數量。

表1 IEC61000－4－21新舊兩個版本關于攪拌器最少獨立采樣位置的數量

從表1可以看出：兩個版本的最少獨立攪拌位置的數量都是12個，第2版本將6倍起始頻率以下的最少獨立攪拌位置減少至12個。由于測試過程必須在每個步進位置進行，單次測試過程的所耗時間大約為5min，由此可知第2版標準將會節省大量測試時間。圖6列舉出了幾個敏感頻率處，多個獨立攪拌位置的測試結果。

IEC61000－4－21的兩個版本中規定了不同的攪拌器最少獨立攪拌位置。圖7給出了第1版標準中規定的，采用接收天線最大接收場強值或所有步進位置平均值為輻射敏感度的測試結果，以及第2版標準中規定的采用接收天線最大接收場強值或所有步進位置平均值為輻射敏感度的測試結果。

圖7中可以清楚看到：兩個版本的測試結果有相同的趨勢。除少數頻點，兩個版本的測試結果幾乎相同。也就是說，第2版本完全可以代替第1版本用于工程實踐，而且還會大大減少測試數量，節省測試時間。圖7中可以看出：兩種定義輻射敏感度方法的測試結果有著相同的趨勢，并不能得到哪種定義方法更為合理。將這兩種定義方法的測試結果分別與連續模式的測試結果對比，圖8給出了測試結果。

由圖8可以明顯看出：步進模式時所有步進位置測試結果的最大值明顯大于連續模式時所有攪拌速度的測試結果，而采用所有步進位置測試結果平均值作為受試設備輻射敏感度的方法與連續模式的測試結果較為接近，更能體現混響室兩種工作模式測試結果的同一性。所以對步進模條件下的電磁兼容測試，推薦采用所有步進位置的平均值作為測試結果。采用平均值的另一個優點就是可以最大限度地減少其他隨機測試誤差帶來的影響。

圖8 步進模式兩種測試結果與連續模式測試結果對比曲線

5.結 論

利用混響室的兩種工作模式對相同的受試設備進行輻射敏感度測試，給出幾種定義輻射敏感度的方法，并通過實驗結果分析其可重復性及可行性。并對2011年新出版的IEC61000－4－21第2版和第1版做了簡要對比，并將兩個版本的測試結果進行對比分析。綜合實驗結果，提供了一個混響室條件下的輻射敏感度測試新方法。這個新方法基于對輻射敏感度的定義，連續模式和步進模式分別采用接收天線攪拌一段時間內接收環境場的平均值或所有步進位置測試結果的平均值作為最終測試結果，測試過程簡單，并且有著非常良好的可重復性。

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