賈銳， 王慶國， 王樹嶠， 程二威， 劉逸飛

(軍械工程學(xué)院 電磁環(huán)境模擬國家重點實驗室， 河北，石家莊 050003)

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混響室條件下輻射敏感度表征方法研究

賈銳， 王慶國， 王樹嶠， 程二威， 劉逸飛

(軍械工程學(xué)院 電磁環(huán)境模擬國家重點實驗室， 河北，石家莊 050003)

為確定混響室條件下輻射敏感度的表征方法，分別對混響室步進模式和連續(xù)模式下的電磁環(huán)境特征進行分析，得出可能的幾種表征方法. 再將某型電子設(shè)備分別在兩種工作模式下進行電磁輻射敏感度測試，利用幾種可能的表征方法分別得出其測試結(jié)果，并對各個表征方法進行分析. 基于貝塞爾公式對各個可能的表征方法進行重復(fù)性及不確定檢測. 結(jié)果表明，為了獲得良好的測試可重復(fù)性及不同模式的測試結(jié)果相關(guān)性，混響室步進模式時，可采用多個步進位置的平均值作為輻射敏感度的測試結(jié)果；混響室工作于連續(xù)模式時，應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計平均時間參數(shù)對測試結(jié)果進行表征.

混響室；輻射敏感度；表征方法；統(tǒng)計平均時間參數(shù)；不確定度

近年來，混響室以其獨特的電磁環(huán)境特征，被越來越多的國際標(biāo)準(zhǔn)所接受，在電磁兼容測試場地中發(fā)揮著重要作用[1-2]. 典型的機械攪拌混響室是裝備有一個或多個機械攪拌器的高導(dǎo)電率金屬諧振腔，內(nèi)置的攪拌器以步進模式或連續(xù)模式進行轉(zhuǎn)動，從而改變腔體內(nèi)電磁場的邊界條件[3-4]. 混響室的工作原理是通過改變工作區(qū)域電磁場的邊界條件，從而改變電磁模式分布情況. 對于機械攪拌混響室來說，邊界條件改變越明顯，其內(nèi)部電磁模式分布變化越大. 同時，無論混響室工作于步進模式還是連續(xù)模式，正是由于腔體內(nèi)電磁環(huán)境的邊界條件變化過于頻繁，使得測試區(qū)域內(nèi)的電磁環(huán)境呈現(xiàn)出波動狀態(tài).

混響室作為一個基于統(tǒng)計理論的電磁測試環(huán)境，其內(nèi)部電磁環(huán)境在不同邊界條件的擾動情況下會有非常大的不同[5-6]. 利用混響室進行電磁輻射敏感度實驗時，機械攪拌器位于不同攪拌位置時，其受試設(shè)備所面臨的干擾電磁場，無論是幅值大小，還是入射方向、極化方向都有所不同. 不同的電磁環(huán)境的測試結(jié)果肯定也是不同的，這就給混響室條件下輻射敏感度測試的可重復(fù)性造成了非常大的困難. 因此，用什么樣的測試結(jié)果表征電磁敏感度閾值，也是需要通過試驗總結(jié)和確定的一個研究內(nèi)容.

本文正式著眼于此，將受試設(shè)備分別置于混響室兩種工作模式當(dāng)中，進行電磁輻射敏感度測試，并對不同表征方法得出的測試結(jié)果進行分析. 最后得出符合混響室“全向輻射”電磁環(huán)境特征的輻射敏感度表征方法.

1 混響室條件下電磁輻射敏感度表征原則

混響室內(nèi)特有的“全向輻射”電磁環(huán)境決定了輻射敏感度必須有不同與其它傳統(tǒng)測試場地的表征方法. 一方面，攪拌器停留在某一獨立攪拌位置上時，混響室內(nèi)的電磁場空間分布不均勻，有一定強弱分布的規(guī)律，尤其對于系統(tǒng)級裝備，不同分系統(tǒng)由于擺放布局位置不同，所經(jīng)受的場強幅值也不同；另一方面，由于混響室統(tǒng)計特性，受試設(shè)備的電磁敏感度在不同攪拌器位置時會有明顯的差別. 通常，判斷一種測試方法是否可行的原則有兩個：該測試方法的測試可重復(fù)性；混響室不同工作模式測試結(jié)果的一致性.

對于步進攪拌模式，受試設(shè)備輻射敏感度可能的表征方法有3種：① 所有攪拌位置測試結(jié)果的最小值；② 所有測試結(jié)果的最大值；③ 所有攪拌位置測試結(jié)果的平均值. 對于連續(xù)模式，可能的表征方法有：① 攪拌器旋轉(zhuǎn)一周測得的最大值；② 攪拌器旋轉(zhuǎn)一周測得的最小值；③ 取一定時間內(nèi)測試結(jié)果的平均值.

目前，國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定受試設(shè)備的尺寸不得超過混響室容積的8%，加載后不會明顯影響混響室內(nèi)電磁場分布規(guī)律. 在滿足這個要求的基礎(chǔ)上，對多個電子設(shè)備進行混響室電磁輻射敏感度測試，文中選取其中一個電子設(shè)備的測試結(jié)果為例，研究不同工作模式下不同敏感度表征方法的測試結(jié)果.

2 輻射敏感度表征方法研究

2.1 步進模式

當(dāng)混響室工作于步進模式時，有3種可能的表征方法. 將不同表征方法總結(jié)起來就是攪拌器多個步進位置的平均值或極值，其中極值分為最大值和最小值.

將受試設(shè)備置于混響室測試區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過校準(zhǔn)后，測試區(qū)域內(nèi)場均勻性滿足測試要求，方可開始進行測試. 考慮到保密要求，這里只給出測試頻點數(shù)目，而對具體頻點位置和敏感閾值單位進行隱藏. 圖1給出了步進模式下，利用3種可能成為輻射敏感度測試結(jié)果的表征方法5次的測試結(jié)果.

圖1給出了采用多個步進位置的平均值，多個位置的最大值及最小值作為敏感度閾值的5次重復(fù)性測試曲線. 從圖中可以清楚看出，不同表征方法的測試結(jié)果，其敏感度趨勢都是一致的. 同時，采用多個步進位置平均值作為測試結(jié)果，其測試可重復(fù)性要優(yōu)于僅提取某一個攪拌器位置時所測得的的極值作為測試結(jié)果的情況. 對比采用多個攪拌位置極值的兩種情況，采用最小值作為測試結(jié)果，其測試可重復(fù)性要優(yōu)于采用最大值的測試結(jié)果.

考慮到混響室內(nèi)“全向輻射”電磁環(huán)境特征，其敏感度測試結(jié)果必須與其環(huán)境特點相吻合. 當(dāng)攪拌器停留在某一位置時，混響室內(nèi)電磁環(huán)境并不能呈現(xiàn)出各向同性、統(tǒng)計均勻等混響室所獨有的電磁環(huán)境特征. 當(dāng)觀察點在測試區(qū)域空間某點時，各個方向上的電磁輻射并不相等，極化方向也是隨機的，其電磁特征失去了方向特性. 故此時的瞬時測試結(jié)果并不能代表混響室特殊電磁環(huán)境內(nèi)的敏感度閾值. 因此，考慮到測試可重復(fù)性以及“全向輻射”電磁環(huán)境特征，步進模式選用多個步進位置平均值作為敏感度閾值是更有效的選擇.

若是要考察受試設(shè)備的電磁輻射敏感度的極值，步進條件下多個攪拌位置測試結(jié)果的最小值也可作為測試結(jié)果. 但要注意，采用多個攪拌位置最小值作為測試結(jié)果，其反映的電磁場并非是典型混響室內(nèi)電磁環(huán)境特征. 原因在于攪拌器停留在某一攪拌位置時，混響室腔體內(nèi)電磁場強弱分布并不均勻，且失去了方向特性. 此時，與開闊場或暗室等傳統(tǒng)電磁兼容測試場地相比，無論是測試時間還是敏感方向的尋找，混響室都毫無優(yōu)勢.

2.2 連續(xù)模式

與步進攪拌模式不同，當(dāng)混響室工作于連續(xù)模式時，腔體內(nèi)的攪拌器不再步進攪拌，而是連續(xù)轉(zhuǎn)動. 由于攪拌器連續(xù)轉(zhuǎn)動，造成混響室腔體內(nèi)的電磁場也處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即腔體內(nèi)的電磁場分布處于時刻變化的狀態(tài). 此時，對混響室內(nèi)瞬時場強的提取是沒有意義的. 利用場強計的fast-mode模式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會有很大突變，而且可重復(fù)性差.

實際上，混響室的一個重要特點就是統(tǒng)計均勻，即一定時間內(nèi)混響室內(nèi)的電磁場是統(tǒng)計均勻的. 若是對攪拌器轉(zhuǎn)動過程中某一時間內(nèi)的場進行統(tǒng)計平均，場強探頭的測試可行性以及測試的可重復(fù)性是否都會有所改善. 把統(tǒng)計平均的時間定義為統(tǒng)計平均時間參數(shù)(statistic mean time ，SMT)，這是連續(xù)攪拌模式的一個很重要的參數(shù).

圖2給出了某敏感頻率處，直接提取測試區(qū)域場強50次的實驗數(shù)據(jù). 由圖可以看出，數(shù)據(jù)波動非常大，50次測試結(jié)果幾乎沒有任何重復(fù)性. 顯然，直接提取測試區(qū)域場強很難作為連續(xù)模式條件下輻射敏感度的測試結(jié)果.

圖3，圖4分別給出了統(tǒng)計平均時間參數(shù)為1 s和4 s時的測試結(jié)果.

通過對比可以看出其波動性要小于圖2直接提取場強的結(jié)果，且統(tǒng)計平均時間參數(shù)越長其測試結(jié)果的重復(fù)性越好. 但并不是統(tǒng)計平均時間參數(shù)越長越好，在考慮到重復(fù)性的同時還應(yīng)考慮到由于選擇較長統(tǒng)計平均時間參數(shù)帶來的場的滯后性. 選擇較長的統(tǒng)計平均時間參數(shù)盡管可以得到較好的測試可重復(fù)性，但也會使得場強計采集到的場強值會滯后于被測設(shè)備受到干擾時的電場，此時場強計所輸出的場強值并不是受試設(shè)備產(chǎn)生效應(yīng)時所處的電磁場. 這說明選擇合適的統(tǒng)計時間參數(shù)可以得到重復(fù)性良好的測試結(jié)果. 針對不同的受試設(shè)備，需要選擇不同的統(tǒng)計平均時間參數(shù). 對受試設(shè)備進行敏感度測試時，利用自編軟件，對多個統(tǒng)計平均時間參數(shù)的測試結(jié)果進行提取. 再計算多個統(tǒng)計平均時間參數(shù)測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著統(tǒng)計平均時間參數(shù)的增大，其測試標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減小. 選取標(biāo)準(zhǔn)偏差趨于平穩(wěn)的第一個時間參數(shù)作為該設(shè)備的統(tǒng)計平均時間參數(shù). 因此連續(xù)模式的測試結(jié)果可利用統(tǒng)計平均時間參數(shù)來得到重復(fù)性良好的測試結(jié)果.

2.3 兩種工作模式測試結(jié)果對比

為檢驗兩種工作模式選用的表征方法是否合適，除了重復(fù)性因素外，還要考慮兩種模式的測試結(jié)果的相關(guān)性. 圖5給出了混響室兩種工作模式條件下，同一受試設(shè)備在9個不同頻點下的測試結(jié)果. 步進模式選擇IEC61000-4-21中規(guī)定的至少12個獨立攪拌位置. 實線為步進模式采用12個步進位置平均值的測試結(jié)果，虛線為連續(xù)模式采用統(tǒng)計平均時間參數(shù)為4 s的測試結(jié)果. 通過圖5可看出兩種工作模式測試結(jié)果的趨勢是一致的. 這說明，兩種工作模式選用的敏感度表征方法在滿足重復(fù)性的基礎(chǔ)上，也滿足第二個判斷指標(biāo)，即測試相關(guān)性.

圖5中，步進模式的測試結(jié)果要略大于連續(xù)模式的測試結(jié)果. 這是由于當(dāng)混響室工作于步進模式時，選取的是所有的12個步進位置的平均值作為測試結(jié)果，這12個步進位置的測試區(qū)域內(nèi)電場幅值是不同的，這中間包含了一些較弱的場. 而連續(xù)攪拌模式則是忽略了弱場，只在測試區(qū)域內(nèi)電場幅值較強時，提取的測試結(jié)果. 因此，步進模式的測試結(jié)果是強場弱場條件下的綜合測試結(jié)果，而連續(xù)模式的測試結(jié)果主要反映受試設(shè)備在強場條件下的敏感度閾值. 這也解釋了步進模式的測試結(jié)果略大于連續(xù)模式測試結(jié)果的原因.

3 誤差分析

分別從統(tǒng)計學(xué)理論和不確定度理論兩個方面分析不同表征方法的重復(fù)性. 統(tǒng)計學(xué)方面，利用貝塞爾公式計算測試結(jié)果的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差；不確定度理論方面，計算平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差.

式(1)為貝塞爾公式，其物理意義為單次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差；式(2)為基于貝塞爾公式的平均值實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，在測量不確定度領(lǐng)域，式(2)成為測量值重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算公式.

(1)

(2)

式中：x為測試樣本值；N為樣本數(shù)量. 圖6表示了連續(xù)模式條件下5種表征方法的單次測試標(biāo)準(zhǔn)偏差和求取平均值以后的測試標(biāo)準(zhǔn)偏差. 由圖6可以看出，當(dāng)取代表瞬時值的fast-mode模式時，無論其單次測試標(biāo)準(zhǔn)偏差還是求取平均值后的標(biāo)準(zhǔn)偏差都是最大的，這與上一節(jié)的分析相同. 因此，利用混響室進行電磁輻射敏感度測試時，為取得良好的測試可重復(fù)性，應(yīng)利用統(tǒng)計平均時間參數(shù)(tSM)使得測試結(jié)果更具普遍性.

4 結(jié) 論

混響室的兩種工作模式攪拌器轉(zhuǎn)動方式不同，腔體內(nèi)電磁場邊界條件變化方式不同，造成測試區(qū)域電磁場變化規(guī)律不同. 這就決定了利用混響室進行輻射敏感度測試時，不同工作方式需要不同與其他測試場地的表征方法. 通過實驗研究，當(dāng)混響室工作于步進模式時，選擇多個步進位置測試結(jié)果的平均值，可獲得良好的測試可重復(fù)性，多個步進位置測試測試結(jié)果的最小值也可作為一種表征方法，但其物理意義不同. 平均值表示受試設(shè)備對“全向輻照”電磁環(huán)境的敏感度閾值，而最小值表示受試設(shè)備的電磁輻射敏感度的極值，但由于混響室內(nèi)電磁環(huán)境特征，此時失去了方向特性. 當(dāng)混響室工作于連續(xù)模式時，若直接將瞬時場強定義為輻射敏感度，則測試結(jié)果沒有可重復(fù)性. 若要達(dá)到良好的測試重復(fù)性，選用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計平均時間參數(shù)即可獲得. 利用自編軟件，計算多個統(tǒng)計平均時間參數(shù)測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著統(tǒng)計平均時間參數(shù)的增大，其測試標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減小. 選取標(biāo)準(zhǔn)偏差趨于平穩(wěn)的第一個時間參數(shù)作為該設(shè)備的統(tǒng)計平均時間參數(shù).

此外，還對混響室兩種工作模式測試結(jié)果相關(guān)性進行了研究. 最后，利用貝塞爾公式對兩種工作模式的測試不確定度進行了分析. 結(jié)果表明，步進模式取多個攪拌位置測試結(jié)果均值，連續(xù)模式取時間參數(shù)均值作為測試結(jié)果時，兩種工作模式測試結(jié)果的相關(guān)性最高.

[1] International Electrotechnical Commission (IEC). IEC61000-4-21: electromagnetic compability(EMC)-Part 4-21: testing and measurement techniques-reverberation chamber test methods[S]. [S.l.]: EM, 2011.

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Liu Yifei， Chen Yongguang， Wang Qingguo，et al. Analysis of field uniformity and stirring bandwidth in frequency stirring reverberation chamber[J]. High Voltage Engineering， 2012，38(9)：2354-2359.(in Chinese)

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(責(zé)任編輯：劉芳)

Research on the Characterization of Susceptibility Threshold in Reverberation Chamber

JIA Rui， WANG Qing-guo， WANG Shu-qiao， CHENG Er-wei， LIU Yi-fei

(Electrostatic & Electromagnetic Protection Institute， Mechanical Engineering College， Shijiazhuang, Hebei 050003， China)

In order to determine the characterization of susceptibility threshold in reverberation chamber, the electromagnetic fields of two working modes were analyzed, and some possible characterization methods were proposed. A typically electrical device was fixed inside reverberation chamber (RC) to investigate the measurement results of the possible characterization methods, analyzing every characterization method. Furthermore, Bessel functions were used to test the repeatability and uncertainty of the proposed methods. The results show that the mean values in turned-mode and statistic mean time (SMT) in stirred-mode can obtain the good repeatable susceptibility threshold and correlation between different work modes.

reverberation chamber; susceptibility threshold; characterization; statistic mean time (SMT); uncertainty

2013-08-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277180，51107147)；國家重點實驗室基金資助項目(9140C87020211JB34)

賈銳(1986—)，男，博士，E-mail:jiaruii15@163.com.

TN 97； O 441

A

1001-0645(2016)01-0100-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.018