半電波暗室歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試探討

半電波暗室歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試探討

王權(quán)，蘇宗文，李澍，任海萍中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京100050半電波暗室歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試探討王權(quán)，蘇宗文，李澍，任海萍中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京100050本文首先闡述了評(píng)估電波暗室性能的歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試（NSA）的測(cè)試原理和方法，計(jì)算了理想狀態(tài)3m和10m測(cè)試條件下的NSA理論值，并分析了電磁兼容歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試的一般性步驟。然后對(duì)半電波暗室進(jìn)行了初步測(cè)試并得到了實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。最后討論了影響測(cè)試結(jié)果的一般性因素，結(jié)果表明評(píng)估暗室系統(tǒng)可正常運(yùn)行。半電波暗室；歸一化場(chǎng)地衰減；場(chǎng)地電壓駐波比；電磁兼容；10米法1電波暗室和歸一化場(chǎng)地衰減電波暗室是在電磁屏蔽室的基礎(chǔ)上，在四墻內(nèi)壁及頂壁上安裝吸波材料并保留地面為電磁波理想反射面，從而模擬開闊場(chǎng)的測(cè)試條件[1-2]。電波暗室因四壁能夠吸收無線電波，故在無線電騷擾（EMI測(cè)試，GB4824）和輻射敏感度（EMS測(cè)試，GB/T17626.3）的測(cè)量中，測(cè)量的精度較高，是目前國內(nèi)外流行和比較理想的電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地。一般來說，電波暗室按照測(cè)試距離分類可以分為3米法、5米法和10米法，不同的電波暗室的有效測(cè)試區(qū)域不同，一般來說，測(cè)試距離越大，電波暗室的有效測(cè)試區(qū)域越大。對(duì)于較大的受試設(shè)備（EquipmentUnderTest，EUT），一般優(yōu)先選擇10米法進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，GB4824標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，若對(duì)測(cè)試結(jié)果有爭(zhēng)議，一般以10米法的測(cè)試結(jié)果為最終結(jié)果。但是電波暗室在進(jìn)行EMI和EMS測(cè)試時(shí)，場(chǎng)地本身需要滿足一定的要求，包括歸一化場(chǎng)地衰減（NormalizedSiteAttenuation，NSA）、場(chǎng)地電壓駐波比（SVSWR）、場(chǎng)均勻性（FU）和環(huán)境底噪（AN）[3]。NSA是評(píng)價(jià)電波暗室性能的核心指標(biāo),它的結(jié)果直接決定了電波暗室的整體性能以及是否可用于EMI及EMS測(cè)試。2NSA的理論計(jì)算NSA綜合考慮電磁場(chǎng)（30～1000MHz）的空間直射效應(yīng)和金屬平面（地面）反射效應(yīng)，按照空間電磁波疊加理論，計(jì)算在接收點(diǎn)電磁波場(chǎng)強(qiáng)。為了使測(cè)試結(jié)果更接近理論值，發(fā)射與接收試驗(yàn)均要求場(chǎng)地足夠大，同時(shí)滿足光潔、平整、電導(dǎo)率一致等要求。Smithetal[4]在1982年提出了NSA的理論計(jì)算模型。該模型于1987年被ANSIC63.4委員會(huì)采用，并作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型：式（1）中，NSATH為NSA理論值，fm為電磁波頻率頻率（MHz），EDMAX為天線最大接收?qǐng)鰪?qiáng)。EDMAX是NSA理論計(jì)算模型中最重要的參數(shù)，它被定義為在給定頻率、發(fā)射天線高度固定條件下，接收天線在規(guī)定高度范圍內(nèi)掃描取得的電場(chǎng)最大值。由于電磁場(chǎng)水平極化特性和垂直極化特性并不一致。因此，EDMAX需要收發(fā)天線在兩個(gè)方向上分別計(jì)算，并相應(yīng)記為EDHMAX和EDVMAX。水平極化波和垂直極化波的傳播模型，見圖1?？紤]到接收天線在水平方向無位移，垂直方向1.5m和2m兩個(gè)高度均需測(cè)試，所以接收端的場(chǎng)強(qiáng)為空間直射波與金屬地面反射波的疊加[5]。根據(jù)電磁場(chǎng)傳播的數(shù)學(xué)模型，天線水平方向和天線垂直方向的接收電場(chǎng)強(qiáng)度分別表示為：其中，d1/d2為電磁場(chǎng)空間直射/地面反射波傳輸距離，h1/h2為發(fā)射天線/接受天線的高度，R為天線之間的距離，ρ為反射系數(shù)，σ為地面導(dǎo)電率，?為反射波相角，λ為特定頻率下的波長(zhǎng)，K為相對(duì)介電常數(shù)，γ為入射角。在不考慮天線及探頭的近場(chǎng)效應(yīng)，假設(shè)發(fā)射平面為理想的全反射平面，并認(rèn)為天線四周為反射很小的吸波材料的條件下，取K=1，σ取銅的導(dǎo)電率，可計(jì)算出3m和10m條件下開闊場(chǎng)NSA理論值（頻率范圍30MHz-1GHz）[6]，見圖2。圖1電場(chǎng)傳播模型圖23m和10m條件下開闊場(chǎng)NSA理論值3NSA的測(cè)量方法半電波暗室是為了代替開闊試驗(yàn)場(chǎng)面進(jìn)行試驗(yàn)，暗室中的NSA測(cè)試值就應(yīng)和開闊試驗(yàn)場(chǎng)保持一致。CISPR16-1-4Ed3:2012要求，NSA測(cè)試值與理論值差異應(yīng)小于±4dB。CISPR-16-1-4對(duì)半電波暗室模擬開闊場(chǎng)的NSA測(cè)量做了如下規(guī)定：①不使用調(diào)諧偶極子天線進(jìn)行測(cè)量，使用用雙錐天線（30～200MHz）和對(duì)數(shù)周期天線（200MHz～lGHz）等寬帶天線進(jìn)行測(cè)量；②多點(diǎn)測(cè)量。EUT具有一定體積，設(shè)備上各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)與四壁吸波材料距離不同，應(yīng)對(duì)EUT所在空間進(jìn)行多點(diǎn)NSA測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在發(fā)射天線所處中心位置（C）及前（F）、后(B)、左(L)、右(R)距離0.75m等5個(gè)點(diǎn)，以及不同高度（接收天線垂直極化：1m、1.5m，水平極化：1m、2m）下進(jìn)行。因此總共要進(jìn)行20種組合情況下的NSA測(cè)量，包括5個(gè)位置、2個(gè)高度、2種極化[7]。用于試驗(yàn)場(chǎng)地的垂直（水平）極化NSA測(cè)量時(shí)的典型天線位置的示意圖，見圖3。圖3試驗(yàn)布置示意圖NSA一般測(cè)試步驟對(duì)半電波和全電波暗室均可使用，但需要注意在天線布置上略有差異，見圖4。由于NSA測(cè)試方法需要考慮發(fā)射天線和接收天線在自由空間的天線系數(shù)，因此在試驗(yàn)過程中需要考慮天線系數(shù)的校準(zhǔn)不確定度值。圖4NSA一般測(cè)試步驟流程圖4測(cè)試結(jié)果與討論根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法對(duì)新建半電波暗室進(jìn)行場(chǎng)地歸一化測(cè)試驗(yàn)證（30MHz～1GHz），測(cè)試結(jié)果，見圖5和圖6，所測(cè)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從圖4可以看出，在30～200MHz范圍內(nèi)，在水平極化條件下，天線在不同測(cè)量位置的測(cè)量的結(jié)果一致性較高。相比之下，垂直極化條件下不同測(cè)試的結(jié)果一致性較差。經(jīng)計(jì)算，水平極化條件下12條測(cè)試曲線的標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.25725，垂直極化條件下12條測(cè)試曲線的標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.43982。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是水平極化天線主要對(duì)水平電磁波敏感。水平電磁波主要受到水平反射面影響（地面、頂面），考慮到頂面距測(cè)試位置較遠(yuǎn)，因此主要由地反射面影響。對(duì)于半電波暗室來說，地面是光滑的金屬平面，電磁一致性較好，因此不同位置下的測(cè)試結(jié)果較為一致；而垂直極化天線主要對(duì)垂直電磁波敏感。垂直電磁波主要受到垂直反射面（四周鐵氧體吸波材料）決定，由于鐵氧體材料安裝的差異性和不同測(cè)試點(diǎn)和鐵氧體距離不同，造成結(jié)果具有較大差異。對(duì)比30～200MHz和200MHz～lGHz測(cè)試數(shù)據(jù)同時(shí)可以看出，30～200MHz條件下測(cè)試結(jié)果偏離標(biāo)準(zhǔn)值較大，最大偏離達(dá)到了+2.7dB；而在200MHz～lGHz條件下最大偏移為0.9dB。這是由于雙錐天線(30～200MHz)和對(duì)數(shù)周期天線(200MHz～lGHz)方向特性的不同，對(duì)數(shù)周期天線的峰值旁瓣比絕對(duì)值高，輸出功率主要集中在天線正前方，因此暗室四壁吸波材料對(duì)測(cè)試結(jié)果影響比較?。欢p錐天線峰值旁瓣比絕對(duì)值低，天線輸出功率的方向性較為平均，對(duì)暗室四壁的吸波性能要求更高。因此對(duì)于同一個(gè)半電波暗室，對(duì)數(shù)周期天線的NSA特性比雙錐天線的NSA特性好很多。對(duì)于雙天線暗室來說，由于雙天線同時(shí)工作，因此需要針對(duì)天線左軸和右軸分別進(jìn)行NSA測(cè)試，兩次測(cè)試均合格才能保證系統(tǒng)可用，見圖5。分別比較3m轉(zhuǎn)臺(tái)和10m轉(zhuǎn)臺(tái)左右軸的NSA值可以看出，同一轉(zhuǎn)臺(tái)條件下天線左軸和右軸NSA差異性很小，說明暗室設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了對(duì)稱性要求，具有很高的對(duì)稱性。雙轉(zhuǎn)臺(tái)和雙天線條件下暗室對(duì)稱性能比較，見圖6。圖5頻率范圍（30MHz-200MHz，200MHz-1GHz）NSA測(cè)試值圖6雙轉(zhuǎn)臺(tái)和雙天線條件下暗室對(duì)稱性能比較5結(jié)論綜上所述，新建電波暗室NSA值小于±3.5dB，是一個(gè)比較合適的半電波暗室測(cè)試場(chǎng)地。一般來說，一個(gè)好的電波暗室，需要從設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)仿真、工程準(zhǔn)備，選用好的屏蔽、吸波材料，才能得到理想的NSA測(cè)量值。對(duì)于在測(cè)量過程中出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)先尋找由儀器、天線系數(shù)、測(cè)量方法引入的誤差。若仍不合格，可用垂直極化測(cè)試來確定不規(guī)范點(diǎn)，進(jìn)一步分析暗室的結(jié)構(gòu)布置是否存在問題。[1]吳釩,武彤.30～1000MHz天線校準(zhǔn)系統(tǒng)研制報(bào)告[R].北京:中國計(jì)量科學(xué)研究院,2002.[2]王培連,陳嘉曄,殷磊,等.10m法半電波暗室是電氣醫(yī)療設(shè)備輻射騷擾測(cè)量場(chǎng)地的最優(yōu)選擇[J].中國醫(yī)療器械信息,2010,16(3):42-43,60.[3]電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB9254—1998信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.[4]SmithAAJr,GermanRF,PateJB.Calculationofsiteattenuationfromantennafactors[J].IEEETransElectromagnCompat,1982,24(3):301-316.[5]李瀟,朱云.電波暗室場(chǎng)地駐波比測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建.安全與電磁兼容,2007,(5):29-32.[6]趙金奎.半電波暗室的技術(shù)要求[J].安全與電磁兼容,2005:25-29.[7]IEC.CISPR16-1-4Ed2:2007SpecifcationforradiodisturbanceandimmunitymeasuringapparatusandmethodsPartl-4:Radiodisturbanceandimmunitymeasuringapparatus-Ancillaryequipment-Radiateddisturbance[S].Geneva:InternationalElectricTechnicalCommmission,2007.DiscussiononCalculationandMeasurementofNormalizedSiteAttenuationofSemi-AnechoicChamberWANGQuan,SUZong-wen,LIShu,RENHai-ping

InstituteforMedicalDevicesControl,NationalInstitutesforFoodandDrugControl,Beijing100050,ChinaBasicprinciplesandcommonmethodsofNSA(NormalizedSiteAttenuation)testfortheperformanceofthesemi-anechoicchamberwereintroducedfrstinthispaper.ThetheoreticalvalueofNSAtestsundertheconditionsof3mand10mrangesemi-anechoicchamberwerecalculatedandthegeneraltestproceduresofEMC(ElectromagneticCompatibility)NSAwereanalyzed.Then,thesemianechoicchamberwastestedpreliminarilyandtheactualmeasurementdatawasachieved.Finally,thegeneralfactorsaffectingthetestresultswerediscussed.Andtheevaluationresultsshowedthatthechambercouldworknormally.semi-anechoicchamber;normalizedsiteattenuation;sitevoltagestandingwav