利用吉赫茲橫電磁波室實現(xiàn)電能表輻射騷擾測量

鐘國林，李建明，馬軻瀛，鄭東冬

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

對電子式電能表的輻射騷擾規(guī)定限值并進行測量，在國家標準和IEC等相關(guān)標準中早有明確的規(guī)定[1]。但鑒于該測量所使用的場地（電波暗室、半電波暗室及開闊場）和設(shè)備造價高（高于2000萬元），因而長期以來在許多發(fā)展中國家或其大多數(shù)實驗室都不具備這樣的測量能力，我國也不例外。我國絕大多數(shù)省級實驗室都不能進行這樣的測量。

20世紀90年代以來，一種新型測量替代場地和接收裝置——GTEM小室的研究和開發(fā)使用獲得長足進展，許多國家和國內(nèi)的實驗室都采用它來進行射頻電磁場輻射抗擾度測試，并獲得良好的使用效果[2-3]。但利用它來進行輻射騷擾測量見于文獻報道的尚不多見。中國測試技術(shù)研究院電子所電磁兼容實驗室在2001年成功利用GTEM小室進行抗擾度測試的基礎(chǔ)上，通過詳細的理論探討和大量的實驗研究，成功地利用該小室進行了電能表的輻射騷擾測量[4]。該文介紹測量裝置的組成、原理和方法，并介紹測量的特點和存在的問題，望與同行交流與討論。

1 檢測項目及技術(shù)要求

1.1 引用標準及檢測項目

GB 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》（idt CISPR 22：2006）。

GB/T 17215.211-2006《交流電測量設(shè)備 通用要求、試驗和試驗條件 第11部分：測量設(shè)備》（idt IEC 62052-11：2003）。

檢測項目是電能表發(fā)出的輻射電磁騷擾，統(tǒng)稱電磁干擾（EMI）。

1.2 技術(shù)要求

判斷被試電能表（EUT）的電磁發(fā)射是否合格，強調(diào)下述兩點：

（1）按規(guī)定使用物理量及其測量限值。標準要求測量結(jié)果需用dBmV/m或dBmA/m表示電場強度或磁場強度值。

（2）距離修正。根據(jù)測量的實驗距離的不同，需對騷擾限值增加或降低相應(yīng)的dB數(shù)，以構(gòu)成新的限值。

2 裝置組成、原理和方法

2.1 測量原理

裝置組成框圖如圖1所示。利用GTEM小室對電磁波能量的收集與接收功能（等效為接收天線），將置于小室內(nèi)的EUT發(fā)出的輻射對電磁能量收集并轉(zhuǎn)換為電路的電壓或功率電平（U2或P2），經(jīng)連接到電路中的接收機或頻譜分析儀進行檢測或測量。按要求，測量結(jié)果需用dBmV/m或dBmA/m表示。

為了收到用規(guī)定單位表示的測量結(jié)果，需事先給出或測出GTEM小室對電磁場強度的接收系數(shù)AF（或稱轉(zhuǎn)換系數(shù)）。該術(shù)語類似接收天線的接收系數(shù)或天線系數(shù)?？杀硎緸?/p>

通常采用式（2）作為接收系數(shù)AF的測量表達式。式（1）～式（4）中，E1、H1、P1、U1、I1分別表示測量 GTEM小室接收系數(shù)時所用到的物理量數(shù)值。眾所周知，AF 是頻率 f的函數(shù)，表示為 AF（f）。

須知，AF的測量是事先或事后進行的。EUT發(fā)出的輻射電磁能經(jīng)小室接收生成U2或P2后，被接收機或頻譜儀測量，利用式（2）的逆運算即可求及所要求的輻射電場強度E2如下

2.2 裝置組成描述

（1）GTEM小室——既作為測量場地使用，又作為騷擾能量的收集轉(zhuǎn)換裝置。該文稱為接收裝置，相應(yīng)規(guī)定了它的接收系數(shù)AF。

（2）同軸接收器——50Ω同軸轉(zhuǎn)換接頭。

（3）干擾接收機——符合要求的干擾接收機或頻譜分析儀。

（4）校準天線組——為測量或校準GTEM小室的接收系數(shù)而使用的成套天線，如雙脊喇叭天線、對數(shù)周期天線等。

（5）場強儀——測量電場強度。

（6）信號源（含功放）——配合測量使用。

（7）彩色打印機——打印測量結(jié)果（數(shù)據(jù)或頻譜分析圖）。

（8）輔助設(shè)備——為被測電能表提供規(guī)定工作條件的設(shè)備，如電能表校驗臺。

圖1 裝置組成框圖

2.3 測量方法

該方法與干擾測量中電壓或功率的測量基本相同，其特點如下：

（1）屬小儀器或微儀器測量。只能采用測量接收機或頻譜分析儀進行。

（2）屬干擾測量。需采用符合要求的干擾測量接收機或頻譜分析儀進行。

（3）GTEM小室接收系數(shù)的測量與校準。該步驟可事先或事后進行。為了降低測量不確定度，可在較大場強信號下進行。為使測量結(jié)果可比對與可重復(fù)，可能需要在測量現(xiàn)場校準小室的接收系數(shù)AF，特別是在關(guān)鍵的或關(guān)心的頻率點上。

（4）本底干擾的識別與扣除。對于測量系統(tǒng)的本底干擾，采用文本推薦的頻譜分析方法，很容易識別與扣除。

2.4 裝置特點

（1）造價低。國產(chǎn)GTEM小室的造價約10～20萬元，比其他測量場地的造價低很多。項目使用的GTEM小室系中國計量科學(xué)研究院無線電處于20世紀90年代研制的，性能優(yōu)越。

（2）占地少。國產(chǎn)長度不超過10m的小室，占地面積約為40～60m2，不需再考慮房間的屏蔽問題。

（3）適于測量便攜式儀表。如大量使用的單、三相電子式電能表，其尺寸不超過300×200×100mm3。

（4）利于連線抗干擾處理與鋪設(shè)。以電能表為例，其輔助設(shè)備均置于小室外，對連線的抗干擾處理與鋪設(shè)易于實施。

3 測量步驟

（1）校準GTEM小室的接收系數(shù)AF。可事先進行，亦可事后進行。

（2）連接EUT。按要求布置并連接好EUT。

（3）按要求連接好接收機或頻譜儀。

（4）背景干擾處理。測量中需采取一切有效措施識別并排除、降低背景干擾影響。如確定不能降低的背景電平，需按規(guī)定進行修正或扣除（須謹慎處理）。

（5）測量并記錄電壓或功率讀數(shù)。

（6）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為用dBmV/m或dBmA/m表示的值。

（7）距離修正。將實際的測量距離化為對應(yīng)的dB數(shù)與標準規(guī)定的限值L1相加、減，其結(jié)果作為新的限值L2。

（8）顯著值的登記。比較測量結(jié)果與新限值L2，把大于（L2-20dB）的至少6個結(jié)果及有關(guān)參數(shù)逐一登記，必要時給在證書中。

4 試驗結(jié)果[5-9]

試驗對象——單相電子式電能表。電能表型號為 DDS2010-1 型，規(guī)格為 220 V 10（40）A，供電頻率為50 Hz，脈沖常數(shù)為1 200 imp/kWh，誤差等級為1級。

試驗條件——試驗應(yīng)按GB 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》（idt CISPR 22：2006），在下列條件下進行：

（1）作為B級設(shè)備；

（2）作為臺式設(shè)備試驗；

（3）電壓線路和每個連接器的連接，應(yīng)使用長度為1m的無屏蔽電纜；

（4）儀表在工作狀態(tài)：

1）電壓線路和輔助線路通以參比電壓；

2）電流在0.1Ib（In）與0.2Ib（In）之間（由線性負荷引出并以1m長的無屏蔽電纜連接）。

試驗結(jié)果滿足以下技術(shù)指標：

當頻率在30～1000MHz范圍內(nèi)，測量距離為10m的輻射騷擾限值見表1。

表1 10m測量距離處的輻射騷擾限值（B級）1-3）

試驗數(shù)據(jù)——該單相電子式電能表在給定條件下的輻射騷擾試驗數(shù)據(jù)在圖2中給出。

圖2 單相電子式電能表的輻射騷擾試驗數(shù)據(jù)圖

GTEM小室接收系數(shù)的測量——根據(jù)單相電子式電能表的輻射騷擾試驗數(shù)據(jù)，用標準信號發(fā)生器及其輔助設(shè)備在輻射騷擾試驗數(shù)據(jù)的敏感頻率段上對GTEM小室的接收系數(shù)進行了測量（定標），其結(jié)果如圖3所示。

圖3 GTEM小室接收系數(shù)圖

從試驗數(shù)據(jù)綜合分析能夠得出，該電能表在規(guī)定試驗頻率范圍的輻射騷擾已經(jīng)超過了國家及國際標準規(guī)定的限值，為不合格產(chǎn)品。

5 問題與討論

（1）低頻段問題。實驗發(fā)現(xiàn)在低頻段特別是在30～100 MHz內(nèi)，由于存在感應(yīng)場帶來的影響，使小室接收系數(shù)AF的測量與校準存在較大的不確定因素。這些因素為：①天線的形式，如選用哪種天線更好；②天線的尺寸，由于有用空間較小，天線的尺寸受到限制；③天線的布置，包括天線的相對位置、極化方向以及指向等。

（2）小室對電磁波的接收機理問題。該問題應(yīng)表述為：小室對電磁場能量的收集、傳輸與轉(zhuǎn)換機理。這不僅是一個理論分析問題，更是一個實踐或?qū)嶒炐詥栴}，主要表現(xiàn)為反射影響、天線的指向影響與極化方向影響等。該測量方法采取現(xiàn)場測量或校準小室接收系數(shù)AF的步驟，充分利用替代測量技術(shù)以降低上述影響，這顯然相當有效但也相對有限。

6 結(jié)束語

該裝置經(jīng)過一年多的反復(fù)試用，證明其使用靈活、操作方便、測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、對本底干擾易發(fā)現(xiàn)并易處理，且采用彩色打印機可為用戶打印出分布曲線，便于存檔與調(diào)用，對于不合格產(chǎn)品，容易針對頻譜分析曲線進行有效整改。

[1]GB 9254-2008，信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法（idt CISPR 22：2006）[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]GB/T 17626.3-2006，電磁兼容試驗和測量技術(shù)射頻電磁場輻射抗擾度試驗（idt IEC 61000-4-3:2002）[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] 全國無線電干擾標準化委員會.電磁兼容標準實施指南[M].北京：中國標準出版社，1999.

[4]GB/T 4365-2003，電磁兼容術(shù)語[S].北京：中國標準出版社，2003.

[5]GB/T 17215.211-2006，《交流電測量設(shè)備 通用要求、試驗和試驗條件 第11部分：測量設(shè)備》（idt IEC 62052-11：2003）[S].北京：中國標準出版社，2006.

[6]GB/T 17215.321-2008，交流電測量設(shè)備特殊要求第21部分：靜止式有功電能表[S].北京：中國標準出版社，2008.

[7]GB/T 17215.301-2007，多功能電能表[S].北京：中國標準出版社，2007.

[8]GB/T 15284-2002，多費率電能表特殊要求[S].北京：中國標準出版社，2002.

[9]GB/T 18460.3-2002，IC卡預(yù)付費售電系統(tǒng)第3部分：預(yù)付費電度表[S].北京：中國標準出版社，2002.