吳瑞豪 陳婉如 田禾箐 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院；上海市在線檢測與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

在電磁兼容測試中，輻射發(fā)射測試是考量電子設(shè)備對(duì)外電磁輻射量大小的重要項(xiàng)目，以保證電子設(shè)備在投入實(shí)際應(yīng)用后對(duì)外界環(huán)境的電磁輻射干擾達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值以內(nèi)。通常情況下，為了提高測試準(zhǔn)確性，避免外界電磁噪聲的影響，輻射發(fā)射測試一般在半電波暗室中進(jìn)行，如圖1所示。暗室內(nèi)五個(gè)面上都敷設(shè)了吸波材料，另外暗室內(nèi)還配置了很多自動(dòng)化設(shè)施，如轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)、天線系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)，提高了測試效率。人員在暗室外可以實(shí)時(shí)了解內(nèi)部情況，從而為樣品測試結(jié)果的分析、樣品輻射發(fā)射整改方案提供可靠的依據(jù)。

圖1 半電波暗室

目前，電磁兼容檢測行業(yè)中，半電波暗室按照樣品的測試距離分為兩種，即3 m半電波暗室以及10 m半電波暗室。前者對(duì)場地空間要求低，很多大型的設(shè)備研發(fā)廠商都建有專門的3 m半電波暗室，可以用于對(duì)新研發(fā)產(chǎn)品的輻射發(fā)射進(jìn)行評(píng)估；而10 m半電波暗室對(duì)場地要求高，占地空間大，僅大型正規(guī)電磁兼容檢測機(jī)構(gòu)有建造與維護(hù)10 m半電波暗室的條件。因此，對(duì)于大部分研發(fā)企業(yè)而言，首選3 m半電波暗室作為產(chǎn)品電磁兼容性能評(píng)估與預(yù)判的場地。當(dāng)然，其缺點(diǎn)也很明顯，即測試準(zhǔn)確性會(huì)受到一定的近場效應(yīng)影響，相比在10 m半電波暗室的測試結(jié)果準(zhǔn)確性要低一些，導(dǎo)致很多電磁兼容問題的評(píng)估存在誤差。另外，一些尺寸較大的樣品不適合在3 m半電波暗室開展輻射發(fā)射試驗(yàn)，這也成為很多研發(fā)企業(yè)在電磁兼容性能評(píng)估上的一大難題。

由于開展專業(yè)的輻射發(fā)射測試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且不便于定位樣品的發(fā)射源位置，很多研發(fā)人員設(shè)計(jì)了一些簡單的方法，有針對(duì)性地對(duì)樣品輻射發(fā)射情況作出分析，為樣品整改提供了更好的方向。

近場探頭是一種可以靠近樣品測量電磁輻射情況的儀器，配合頻譜分析儀或者接收機(jī)可以形成近場測試系統(tǒng)，在電磁兼容性能評(píng)估中有著重要的作用。相比于直接在3 m半電波暗室進(jìn)行專業(yè)輻射發(fā)射測試，近場探頭雖然測量準(zhǔn)確度較低，但可以快速、準(zhǔn)確地定位輻射騷擾源的位置，并且對(duì)于場地的要求不高，一般在屏蔽室內(nèi)即可使用。為大部分中小型研發(fā)企業(yè)提供了一種低成本、高效的輻射發(fā)射預(yù)判方法，也是目前主流的輻射發(fā)射整改參考手段之一。近場天線結(jié)構(gòu)簡單，通常包括電場探頭和磁場探頭，如圖2、圖3所示。通常根據(jù)實(shí)際情況可以合理地選用其中一種探頭進(jìn)行測量，從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖2 電場探頭

圖3 磁場探頭

1 輻射發(fā)射測試中近場與遠(yuǎn)場的理論轉(zhuǎn)換

輻射騷擾源發(fā)出的電磁波包括電場和磁場，由于分布參數(shù)的影響，在騷擾源附近的電磁場情況比較復(fù)雜，通常由束縛場和輻射場疊加而成，即近場區(qū)； 當(dāng)離開騷擾源一定距離后，束縛場的影響已經(jīng)微乎其微，空間傳播的電磁波主要以輻射場形式存在，即遠(yuǎn)場區(qū)。對(duì)于波長為λ的電磁波，近場與遠(yuǎn)場的分界線一般為

可見，對(duì)于頻率越低的電磁波，波長越長，其近場區(qū)范圍也越大。在專業(yè)的輻射發(fā)射測試中應(yīng)避免在近場區(qū)進(jìn)行測試，目的為避開束縛場造成的不確定性影響，減小測量誤差。例如，輻射發(fā)射測試的最低頻率為30 MHz，其對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)、近場分界線為1.59 m。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須在3 m或者10 m的距離進(jìn)行輻射發(fā)射測試，方可得到較準(zhǔn)確的測試結(jié)果。在遠(yuǎn)場區(qū)，由輻射騷擾源發(fā)出的波可以看作是平面波，電場強(qiáng)度E與測量距離r的一次方成反比；而在近場區(qū)，受到波阻抗以及分布參數(shù)的影響，電場強(qiáng)度E與測量距離r的兩次方、三次方分別成反比。故對(duì)于整個(gè)無限大空間，輻射騷擾源的電場強(qiáng)度E可以表示為的線性疊加，即：

式中：A、B、C—— 系數(shù)

由式（2）可以看出，在測量距離r較小的近場區(qū)域，主導(dǎo)電場E變化的為后兩項(xiàng)而測量距離r較大的遠(yuǎn)場區(qū)域，主導(dǎo)電場E變化的為第一項(xiàng)對(duì)于相同的輻射騷擾源以及樣品，系數(shù)A、B、C均為一個(gè)恒定值，如可以在近場條件下進(jìn)行多次測量，反推出系數(shù)A、B、C的值，則可以近似模擬輻射源在10 m遠(yuǎn)場處的電場場強(qiáng)大小，將近場測試結(jié)果理論轉(zhuǎn)換至遠(yuǎn)場，進(jìn)而達(dá)到預(yù)判輻射發(fā)射測試結(jié)果的目的。

若要得到A、B、C3個(gè)系數(shù)以及場強(qiáng)E(r)的表達(dá)式，需要至少測量3次，每次測量盡可能在大于遠(yuǎn)、近場分界線的位置進(jìn)行，以減小近場區(qū)的不確定因素帶來的影響，降低測量誤差。根據(jù)式（1），可以計(jì)算出不同頻率段的遠(yuǎn)、近場分界線距離，從而確定近場探頭的測量距離，如表1所示。

從表1可以看出，這種預(yù)判測試方法對(duì)于較高頻率段的信號(hào)源比較適用，可以保證在接收足夠電場強(qiáng)度的條件下，近場探頭放置于遠(yuǎn)、近場分界線以外開展測試，提高了測試的準(zhǔn)確性。根據(jù)3次不同距離下測出的場強(qiáng)E以及相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)，可以得到關(guān)于A、B、C的三元一次方程組，求解并確定E(r)的表達(dá)式后，將r= 10 m代入其中，得出輻射發(fā)射測試的預(yù)判結(jié)果，將預(yù)判結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值進(jìn)行比較，可以確定特定輻射騷擾源的發(fā)射情況。

表1 不同頻率段的輻射騷擾源遠(yuǎn)近場分界線

實(shí)際操作過程中，研發(fā)人員或檢測人員在屏蔽室中先使用近場探頭配合頻譜分析儀或示波器對(duì)整個(gè)樣品周圍進(jìn)行掃描，必要時(shí)可以添加前置放大器，增強(qiáng)信噪比，得到更穩(wěn)定、可靠的測試結(jié)果。經(jīng)過預(yù)掃描后確定最高發(fā)射頻率以及發(fā)射方向，分析產(chǎn)生干擾的源頭，便于后期整改。隨后通過該方向與頻率點(diǎn)在3次不同距離的測量采集數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算并大致預(yù)判10 m法半電波暗室的輻射發(fā)射測試結(jié)果。由于近場探頭易于操作，測量時(shí)間短，可以在不斷整改中結(jié)合實(shí)時(shí)測量，便于研發(fā)企業(yè)在短時(shí)間內(nèi)找到最合理的整改方案，不必通過第三方檢測機(jī)構(gòu)開展測試，節(jié)省了大量的時(shí)間成本和測試費(fèi)用，大大縮短了研發(fā)周期，提高了研發(fā)效率。

2 近場探頭預(yù)判輻射發(fā)射測試結(jié)果應(yīng)用實(shí)例

某新研發(fā)的醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人手產(chǎn)品未開展過專業(yè)的輻射發(fā)射測試，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由氣泵、電動(dòng)機(jī)、開關(guān)門控制電路、觸摸屏控制電路以及時(shí)鐘電路組成，可能存在低頻段的寬帶騷擾信號(hào)以及高頻段的窄帶騷擾信號(hào)。根據(jù)上述分析，使用近場探頭配合頻譜分析儀對(duì)正常工作中樣品的周圍進(jìn)行掃描，如圖4所示。在其相應(yīng)的輻射發(fā)射測試頻率范圍內(nèi)（30 MHz ～ 1 GHz）得到了頻率-最大場強(qiáng)值的初步圖像，如圖5所示。

圖4 對(duì)樣品進(jìn)行全頻段掃描

圖5 樣品在全頻段下頻率-最大場強(qiáng)值圖像

通過圖5可以看出，該康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人手的輻射發(fā)射源主要為中心頻率100 MHz的寬頻干擾信號(hào)以及一些高頻干擾信號(hào)，前者為整個(gè)輻射發(fā)射源中的最強(qiáng)信號(hào)。因此，對(duì)樣品進(jìn)行輻射發(fā)射預(yù)判時(shí)需要優(yōu)先考察100 MHz頻率點(diǎn)的輻射強(qiáng)度，作進(jìn)一步的測試。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，100 MHz的干擾源遠(yuǎn)、近場分界線約為0.48 m，因此，測試中選用0.5 m、0.7 m和0.9 m作為本次預(yù)判中的測量距離，在遠(yuǎn)場區(qū)對(duì)樣品進(jìn)行測試。將近場探頭置于樣品發(fā)射最強(qiáng)的角度，使用接收機(jī)以及內(nèi)置預(yù)放，讀取3個(gè)測量距離下的準(zhǔn)峰值，得到3組數(shù)據(jù)。根據(jù)式（2）中E(r)的表達(dá)式可以列出三元一次方程組，求解后得到E(r)的表達(dá)式為

將r= 10 m代入式（3）中，得到10 m處的場強(qiáng)E10m= 60.00 μV/m，通過轉(zhuǎn)換可以得出測量準(zhǔn)峰值E= 35.56 dBμV/m，即為近場探頭預(yù)判100 MHz干擾源的輻射發(fā)射測試結(jié)果。

為了驗(yàn)證上述預(yù)判方法的準(zhǔn)確性，對(duì)該康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人手進(jìn)行了專業(yè)的輻射發(fā)射測試，采集了100 MHz頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如圖6所示。根據(jù)圖6中的測試結(jié)果，可以看出在100 MHz附近該康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人手的輻射發(fā)射量最大。對(duì)100 MHz頻率點(diǎn)進(jìn)行了準(zhǔn)峰值檢波器的讀點(diǎn)，得到最終結(jié)果為E= 36.7 dBμV/m。相比于近場探頭測量計(jì)算的理論值高出1.14 dBμV/m，誤差為3.11%，在合理范圍內(nèi)。因此，采用近場探頭對(duì)樣品在較近距離進(jìn)行測量，并結(jié)合一定的理論計(jì)算與分析，可以大致預(yù)判樣品的輻射發(fā)射情況，相當(dāng)于對(duì)樣品展開了摸底測試。得到預(yù)判結(jié)果后，設(shè)計(jì)師與研發(fā)人員可以有針對(duì)性地改進(jìn)樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或添加濾波、磁環(huán)、接地等，使整改的過程更加順暢、清晰。

圖6 樣品的輻射發(fā)射測試結(jié)果

3 結(jié)語

近場探頭相對(duì)于專業(yè)的輻射發(fā)射天線，雖然測量準(zhǔn)確度不高，但具有成本低、測試方法簡單的優(yōu)勢，適用于大多數(shù)的輻射發(fā)射整改項(xiàng)目。若能提高近場探頭測量的準(zhǔn)確度，使用更科學(xué)合理的預(yù)判方法，可以通過近場探頭預(yù)知整改中樣品的實(shí)際輻射發(fā)射測試結(jié)果，節(jié)省了大量的時(shí)間和成本，也為輻射發(fā)射整改提供了明確的方向，加快了樣品的研發(fā)進(jìn)程?？傊媒鼒鎏筋^低成本、測量時(shí)間短、針對(duì)性強(qiáng)的優(yōu)勢，可以迅速地找到輻射發(fā)射問題的根源。

目前，近場探頭的測量還存在很多問題。例如，測量的隨機(jī)誤差較大，容易受到近場束縛場的干擾，導(dǎo)致測試結(jié)果偏離，并且在屏蔽室中也存在一定的反射，相對(duì)于半電波暗室，測量到的場強(qiáng)存在更多成分的反射波疊加。此外，由于分布參數(shù)的影響，周圍的一些導(dǎo)體（如人體）也會(huì)間接影響測量準(zhǔn)確度，因此，近場探頭測試結(jié)果僅供參考，并不能代表最終的測試結(jié)果。樣品在整改完成后還需至有資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行專業(yè)的輻射發(fā)射測試，確保投入使用的產(chǎn)品可以達(dá)到電磁兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。