賈 銳 王慶國(guó) 程二威

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北 石家莊050003）

引 言

2011年，國(guó)際電工委員會(huì)頒布了61000－4－21（第2版）標(biāo)準(zhǔn)，用于完善混響室的使用和測(cè)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(yè)的混響室使用標(biāo)準(zhǔn)［2－3］。空間電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，隨著電子設(shè)備集成度的不斷提高，其系統(tǒng)或分系統(tǒng)的抗電磁干擾能力不斷下降。造成了外部干擾越來(lái)越強(qiáng)，內(nèi)部抵抗力越來(lái)越弱的矛盾。認(rèn)識(shí)到這個(gè)矛盾后，電磁兼容迅速成為了全世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)［4－6］。而混響室這一能提供各向同性，隨機(jī)極化，統(tǒng)計(jì)均勻的電磁測(cè)試環(huán)境也成為了電磁兼容領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)［7－8］。

世界范圍內(nèi)關(guān)于混響室的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范的只是規(guī)格性測(cè)試。如果對(duì)某一給定電子設(shè)備，如果需得到其準(zhǔn)確的電磁敏感度，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就立刻“失效”。無(wú)法得到對(duì)給定設(shè)備的確切電磁敏感度。為解決這一問(wèn)題，本文提供了一種混響室條件下新的輻射敏感度測(cè)試方法，該方法測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，利用此方法可以得到給定設(shè)備在任意敏感頻點(diǎn)的輻射敏感度閾值，且具有良好的測(cè)試可重復(fù)性。

1.混響室兩種工作模式

輻射敏感度測(cè)試是混響室的一個(gè)重要應(yīng)用方面［9－10］。測(cè)試中，對(duì)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。按照內(nèi)置攪拌器的工作模式，混響室可分為連續(xù)模式和步進(jìn)模式兩種工作模式。設(shè)備的輻射敏感度的定義是設(shè)備維持正常工作時(shí)，所能夠承受的最大電磁干擾強(qiáng)度。對(duì)于連續(xù)模式來(lái)說(shuō)，由于攪拌器的不停轉(zhuǎn)動(dòng)，腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)處于連續(xù)擾動(dòng)狀態(tài)，工作區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)隨著攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)快速變化，當(dāng)混響室工作于連續(xù)模式時(shí)，很難對(duì)其周圍環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行特征提取，更無(wú)法得到受試設(shè)備的輻射敏感度。工程實(shí)踐中可以有3種方法來(lái)解決此問(wèn)題：1）將接收天線在攪拌器旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)所接收到的最大場(chǎng)強(qiáng)值作為受試設(shè)備的輻射敏感度；2）將受試設(shè)備出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時(shí)的瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)作為其輻射敏感度；3）將一段時(shí)間內(nèi)接收天線所接收到場(chǎng)強(qiáng)值的平均值作為受試設(shè)備的電磁輻射敏感度。

當(dāng)混響室工作于步進(jìn)模式時(shí)，分別在多個(gè)步進(jìn)位置進(jìn)行相同的測(cè)試過(guò)程。不同的步進(jìn)位置，測(cè)試區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)分布各不相同。但對(duì)于某一特定步進(jìn)位置，混響室腔體內(nèi)的場(chǎng)是穩(wěn)定的，接收天線可以測(cè)得其所處位置穩(wěn)定的場(chǎng)強(qiáng)值。這種情況下，對(duì)受試設(shè)備電磁敏感度的測(cè)量有兩種方法：1）將多個(gè)步進(jìn)位置所測(cè)得的最大值作為受試設(shè)備的輻射敏感度；2）將多個(gè)步進(jìn)位置所測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)值進(jìn)行平均，將平均后得到的值作為受試設(shè)備的輻射敏感度。

通過(guò)以上討論，不難看出混響室條件下的輻射敏感度測(cè)試重點(diǎn)在于如何定義受試設(shè)備的輻射敏感度。事實(shí)上，如何對(duì)受試設(shè)備的輻射敏感度進(jìn)行定義，是利用混響室進(jìn)行敏感度測(cè)量的根本問(wèn)題。當(dāng)一種新方法被提出后，檢驗(yàn)其能否得到應(yīng)用的重要標(biāo)準(zhǔn)就是其可重復(fù)性。本文選取了醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐中常用的FX7302型心電圖機(jī)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析來(lái)說(shuō)明哪種途徑更適合實(shí)際應(yīng)用。

2.實(shí)驗(yàn)所用混響室及其校準(zhǔn)

國(guó)際電工委員會(huì)IEC于2003年頒布了61000－4－21標(biāo)準(zhǔn)，并于2011年頒布了此標(biāo)準(zhǔn)的第2版，第1版標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)作廢。第2版標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)第1版在測(cè)試和校準(zhǔn)方面，在不影響測(cè)試結(jié)果的情況下要求有所降低。本文測(cè)試時(shí)，仍按照第1版的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。圖1為IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定混響室場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差限值與實(shí)驗(yàn)所用混響室的場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比曲線，其中，SigmaX、SigmaY、SigmaZ分別為工作區(qū)域的8個(gè)頂點(diǎn)處，攪拌器旋轉(zhuǎn)一周所測(cè)得的X、Y、Z三個(gè)正交方向上的場(chǎng)強(qiáng)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，Sigma24為三個(gè)方向上總的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖1 實(shí)測(cè)混響室均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差與IEC標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

實(shí)驗(yàn)用混響室的體積為10m×8m×4.3m，其最低可用頻率大約為80MHz，測(cè)試最低頻率為100 MHz.實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)受到墻壁附近不均勻電磁場(chǎng)分布的影響。受試設(shè)備的信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供，該信號(hào)發(fā)生器可抵抗的電磁干擾要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)所用電磁干擾強(qiáng)度，受試設(shè)備的屏幕輸出由監(jiān)視器監(jiān)測(cè)，視頻信號(hào)由光纖引出。信號(hào)的輸入設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備都可耐高場(chǎng)強(qiáng)干擾，以保證實(shí)驗(yàn)中所觀察到的效應(yīng)是由受試設(shè)備本身受到的干擾而產(chǎn)生。圖2給出受試設(shè)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(jiān)測(cè)混響室工作區(qū)域內(nèi)環(huán)境場(chǎng)。

首先，選擇在80MHz～1GHz范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻，得到受試設(shè)備在此頻段內(nèi)的敏感頻率。然后，分別在敏感頻率處進(jìn)行輻射敏感度測(cè)試。圖1中可以看到：實(shí)驗(yàn)用混響室完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以進(jìn)行輻射敏感度測(cè)試。

圖2 受試心電圖機(jī)的正常波形和受到干擾后波形

3.連續(xù)模式下的輻射敏感度測(cè)試

當(dāng)混響室工作于連續(xù)模式，隨著攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)部腔體電磁場(chǎng)的邊界條件持續(xù)變化，電磁場(chǎng)呈現(xiàn)出時(shí)刻變化的復(fù)雜狀態(tài)，解析法很難對(duì)其進(jìn)行計(jì)算?？茖W(xué)家嘗試使用統(tǒng)計(jì)方法或半解析法對(duì)混響室內(nèi)場(chǎng)線耦合問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，還有科研工作者利用平面波的疊加來(lái)模擬混響室的環(huán)境場(chǎng)。這些方法在理論層面的計(jì)算研究有很大的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際工程實(shí)踐方面缺少實(shí)際的指導(dǎo)意義。第1節(jié)中介紹了連續(xù)模式下輻射敏感度的3種可能的方法，本節(jié)中將逐一對(duì)這3種方法進(jìn)行評(píng)估。

首先，將接收天線在攪拌器旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)所接收到的最大場(chǎng)強(qiáng)值作為受試設(shè)備的輻射敏感度。這種方法要求計(jì)算機(jī)篩選出攪拌器攪拌一周的時(shí)間內(nèi)接收天線輸出的最大值，攪拌器攪拌一周的時(shí)間取決于攪拌速度。有可能出現(xiàn)測(cè)得的最大場(chǎng)強(qiáng)值并非受試設(shè)備受到干擾時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)值，這就使得接收天線輸出的場(chǎng)強(qiáng)值滯后于混響室腔體內(nèi)的環(huán)境場(chǎng)。所以，這種方法在實(shí)踐操作中不會(huì)推薦使用。

第2種定義方法是將受試設(shè)備出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時(shí)接收天線輸出的瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)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(gè)場(chǎng)強(qiáng)值。圖3給出了50次使用瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)作為輻射敏感度的測(cè)試結(jié)果。

圖3 瞬時(shí)值作為輻射敏感度的50次測(cè)試結(jié)果

從圖3中可以看出：測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性極差，可見(jiàn)接收天線的瞬時(shí)值并不適合作為受試設(shè)備的輻射敏感度閾值。連續(xù)模式時(shí)，攪拌器以一定的速度攪拌，混響室腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)的邊界條件也隨時(shí)處于變化狀態(tài)。這就造成了其內(nèi)部環(huán)境場(chǎng)的不穩(wěn)定，提取出的輻射敏感度重復(fù)性太差，同樣不適合應(yīng)用于工程實(shí)踐。

考慮到混響室“各向同性、隨機(jī)極化、統(tǒng)計(jì)均勻”的特點(diǎn)，若是對(duì)接收天線一定時(shí)間內(nèi)的輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，即對(duì)攪拌器旋轉(zhuǎn)一定角度內(nèi)的場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，其結(jié)果的重復(fù)性可能會(huì)有所改善，這也是第1節(jié)中提出的第3種方法。將這個(gè)時(shí)間定義為統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)，還有一個(gè)很重要的參數(shù)就是攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。選取統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)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(zhuǎn)/分）5種進(jìn)行研究。

為了得到理想的測(cè)試可重復(fù)性。利用混響室內(nèi)部電磁環(huán)境統(tǒng)計(jì)均勻的特點(diǎn)，將接收天線的輸出值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均處理，這相當(dāng)于在攪拌器旋轉(zhuǎn)的一定角度內(nèi)，對(duì)環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均?？煽醋鲾嚢杵髟诙鄠€(gè)角度內(nèi)步進(jìn)攪拌，每個(gè)角度的大小由統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)決定。圖4給出多種統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)在不同攪拌速度和頻率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差。

由圖4可以看出：當(dāng)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)等于或大于4s時(shí)，測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線趨向平穩(wěn)，有良好的測(cè)試可重復(fù)性。但統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)并非越大越好，當(dāng)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)大于一定值后，接收天線采集的場(chǎng)強(qiáng)值又會(huì)滯后于受試設(shè)備受到干擾時(shí)的環(huán)境場(chǎng)。故下面的實(shí)驗(yàn)，為了避免較大的測(cè)試誤差，選擇4s作為統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)進(jìn)行研究。

圖4 不同轉(zhuǎn)速和頻率下的測(cè)得結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法而言，測(cè)試結(jié)果應(yīng)具有很高的可重復(fù)性，應(yīng)該保證不同測(cè)試人員在同一特定測(cè)試中能夠得到相同的結(jié)果?；谶@個(gè)目的，受試設(shè)備分別在不同的攪拌速度下進(jìn)行輻射敏感度測(cè)試。圖5給出了不同攪拌速度的測(cè)試結(jié)果的變異系數(shù)。

圖5 不同攪拌速度測(cè)試結(jié)果的變異系數(shù)

通過(guò)圖5可以看出：5種不同攪拌速度的測(cè)試結(jié)果都具有良好的測(cè)試可重復(fù)性，這是因?yàn)闇y(cè)試結(jié)果的提取是基于統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)的。對(duì)于不同的受試設(shè)備，不同的攪拌速度會(huì)有不同的影響效果。

4.步進(jìn)模式下的輻射敏感度測(cè)試

當(dāng)混響室工作于步進(jìn)模式時(shí)，攪拌器有多個(gè)步進(jìn)位置。每個(gè)步進(jìn)位置上，混響室腔體內(nèi)的環(huán)境場(chǎng)都是不均勻的，輻射敏感度測(cè)試在多個(gè)步進(jìn)位置分別進(jìn)行。前文提到步進(jìn)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(jìn)位置接收到場(chǎng)強(qiáng)的最大值；另一個(gè)是在所有步進(jìn)位置的平均值。

當(dāng)攪拌器停留在某個(gè)步進(jìn)位置時(shí)，腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)是穩(wěn)定的。也就是說(shuō)當(dāng)攪拌器固定在某個(gè)位置時(shí)，測(cè)試區(qū)域內(nèi)某一給定點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是不變的。每一個(gè)步進(jìn)位置，都要進(jìn)行輻射敏感度測(cè)試，如攪拌器旋轉(zhuǎn)一周有N個(gè)步進(jìn)位置，相同的測(cè)試過(guò)程必須重復(fù)N次。對(duì)比IEC61000－4－21兩個(gè)版本，最大區(qū)別就是步進(jìn)模式時(shí)，對(duì)攪拌器最少獨(dú)立攪拌位置要求的變化。表1給出了兩個(gè)版本關(guān)于攪拌器最少獨(dú)立采樣位置的數(shù)量。

表1 IEC61000－4－21新舊兩個(gè)版本關(guān)于攪拌器最少獨(dú)立采樣位置的數(shù)量

從表1可以看出：兩個(gè)版本的最少獨(dú)立攪拌位置的數(shù)量都是12個(gè)，第2版本將6倍起始頻率以下的最少獨(dú)立攪拌位置減少至12個(gè)。由于測(cè)試過(guò)程必須在每個(gè)步進(jìn)位置進(jìn)行，單次測(cè)試過(guò)程的所耗時(shí)間大約為5min，由此可知第2版標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)節(jié)省大量測(cè)試時(shí)間。圖6列舉出了幾個(gè)敏感頻率處，多個(gè)獨(dú)立攪拌位置的測(cè)試結(jié)果。

IEC61000－4－21的兩個(gè)版本中規(guī)定了不同的攪拌器最少獨(dú)立攪拌位置。圖7給出了第1版標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的，采用接收天線最大接收?qǐng)鰪?qiáng)值或所有步進(jìn)位置平均值為輻射敏感度的測(cè)試結(jié)果，以及第2版標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的采用接收天線最大接收?qǐng)鰪?qiáng)值或所有步進(jìn)位置平均值為輻射敏感度的測(cè)試結(jié)果。

圖7中可以清楚看到：兩個(gè)版本的測(cè)試結(jié)果有相同的趨勢(shì)。除少數(shù)頻點(diǎn)，兩個(gè)版本的測(cè)試結(jié)果幾乎相同。也就是說(shuō)，第2版本完全可以代替第1版本用于工程實(shí)踐，而且還會(huì)大大減少測(cè)試數(shù)量，節(jié)省測(cè)試時(shí)間。圖7中可以看出：兩種定義輻射敏感度方法的測(cè)試結(jié)果有著相同的趨勢(shì)，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(cè)試結(jié)果分別與連續(xù)模式的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，圖8給出了測(cè)試結(jié)果。

由圖8可以明顯看出：步進(jìn)模式時(shí)所有步進(jìn)位置測(cè)試結(jié)果的最大值明顯大于連續(xù)模式時(shí)所有攪拌速度的測(cè)試結(jié)果，而采用所有步進(jìn)位置測(cè)試結(jié)果平均值作為受試設(shè)備輻射敏感度的方法與連續(xù)模式的測(cè)試結(jié)果較為接近，更能體現(xiàn)混響室兩種工作模式測(cè)試結(jié)果的同一性。所以對(duì)步進(jìn)模條件下的電磁兼容測(cè)試，推薦采用所有步進(jìn)位置的平均值作為測(cè)試結(jié)果。采用平均值的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以最大限度地減少其他隨機(jī)測(cè)試誤差帶來(lái)的影響。

圖8 步進(jìn)模式兩種測(cè)試結(jié)果與連續(xù)模式測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線

5.結(jié) 論

利用混響室的兩種工作模式對(duì)相同的受試設(shè)備進(jìn)行輻射敏感度測(cè)試，給出幾種定義輻射敏感度的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析其可重復(fù)性及可行性。并對(duì)2011年新出版的IEC61000－4－21第2版和第1版做了簡(jiǎn)要對(duì)比，并將兩個(gè)版本的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提供了一個(gè)混響室條件下的輻射敏感度測(cè)試新方法。這個(gè)新方法基于對(duì)輻射敏感度的定義，連續(xù)模式和步進(jìn)模式分別采用接收天線攪拌一段時(shí)間內(nèi)接收環(huán)境場(chǎng)的平均值或所有步進(jìn)位置測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終測(cè)試結(jié)果，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，并且有著非常良好的可重復(fù)性。

［1］International Electrotechnique Committee.IEC61000－4－21：Electromagnetic Compatibility （EMC）－Part 4－21：Testing and measurement techniques－Reverberation Chamber Test Methods［S］.Geneva：IEC Publication，2011.

［2］SC－135.RTCA DO－160FEnvironmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment［S］.Washington D C：RTCA，2007.

［3］SAE International Group.Guide to Certification of Aircraft in a High Intensity Radiated Field（HIRF）Environment［S］.Washington D C：SAE Inc，2003.

［4］齊萬(wàn)泉，汪宗福，馬蔚宇，等 .相似原理應(yīng)用于混響室縮比模型的驗(yàn)證分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：180－185.QI Wanquan，WANG Zongfu，MA Weiyu，et al.Verification and analysis on similitude principium used in compact model of reverberation chamber［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（1）：180－185.（in Chinese）

［5］PRIMIANI V M，MOGLIE F，PASTORE A P.Field penetration through a wire mesh screen excited by a reverberation chamber field：FDTD analysis and experiments［J］.IEEE Trans Electromagn Compat，2009，51（4）：883－891.

［6］MADSEN K，HALLBJORNER P，ORLENIUS C.Models for the number of independent samples in reverberation chamber measurements with mechanical，frequency，and combined stirring［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2004，3（1）：48－51.

［7］王慶國(guó)，賈 銳，程二威 .混響室連續(xù)攪拌工作模式下的輻射抗擾度測(cè)試研究［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（12）：2954－2959.WANG Qingguo，JIA Rui，CHENG Erwei.Test methods of radiated immunity in reverberation chamber with continuously moving stirrer［J］.High Voltage Engineering，2010，36（12）：2954－2959.（in Chinese）

［8］丁堅(jiān)進(jìn)，沙 斐 .EMC混響室電磁場(chǎng)模態(tài)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（5）：557－560.DING Jianjin，SHA Fei.Analysis of electromagnetic mode－states in an EMC reverberation chamber［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（5）：557－560.（in Chinese）

［9］CORONA P，LADBURY J，LATMIRAL G.Reverberation－chamber research－then and now a review of early work and comparison with current understanding［J］.IEEE Transactions on EMC，2002，44（1）：87－94.

［10］袁智勇，李 暾，陳水明，等 .混響室設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)測(cè)試［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（4）：571－576.YUAN Zhiyong，LI Tun，CHEN Shuiming，et al.Design and calibration of reverberation chamber［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（4）：571－576.（in Chinese）