電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試能力驗(yàn)證的探討

余洪文，柯　進(jìn)，梁新興，史信榮，熊洋洋

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試能力驗(yàn)證的探討

余洪文，柯進(jìn)，梁新興，史信榮，熊洋洋

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

為減小不同實(shí)驗(yàn)室輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果的差異，保證測(cè)試結(jié)果的量值統(tǒng)一，研究電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試能力驗(yàn)證。從測(cè)試方法、測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試人員等方面系統(tǒng)分析測(cè)試結(jié)果的主要影響因素，提出具體的實(shí)施方法，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性。實(shí)踐證明：該方法有助于主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和參比實(shí)驗(yàn)室對(duì)電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試能力驗(yàn)證活動(dòng)的順利實(shí)施和執(zhí)行；同時(shí)，可提升電磁兼容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力。

電磁兼容；輻射騷擾；場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試；能力驗(yàn)證；比對(duì)

0　引　言

輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試是電磁兼容領(lǐng)域最復(fù)雜的一項(xiàng)測(cè)試，其測(cè)量結(jié)果受測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試方法、測(cè)試人員的影響很大。在產(chǎn)品的測(cè)試過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)在一家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試合格的產(chǎn)品，而在另一家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試不合格的情況。如何避免不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果不同，保證測(cè)試結(jié)果的量值統(tǒng)一，開(kāi)展能力驗(yàn)證比對(duì)活動(dòng)是行之有效的手段之一。所謂比對(duì)，就是在規(guī)定的條件下，按照比對(duì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，對(duì)同一樣品（或經(jīng)確認(rèn)的相似樣品）在不同實(shí)驗(yàn)室之間測(cè)量，并對(duì)所有參比實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較、分析和評(píng)價(jià)的過(guò)程[1]。

近年來(lái)，隨著電子電氣產(chǎn)品檢測(cè)市場(chǎng)需求越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室也越來(lái)越多，各實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)能力水平也參差不齊。據(jù)能力驗(yàn)證報(bào)告[2-4]顯示，每次電磁兼容實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證活動(dòng)，均存在大約1/4實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)結(jié)果偏差較大，超出規(guī)定的閾值而被判“不滿(mǎn)意”。為了避免相同的被測(cè)樣品在不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)出現(xiàn)較大差異，本文從測(cè)試方法、測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試人員等方面系統(tǒng)分析了各影響因素，以期幫助參比實(shí)驗(yàn)室提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。

1　基本測(cè)量原理及測(cè)試方法

1.1基本測(cè)量原理

電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試最理想的測(cè)試場(chǎng)地是開(kāi)闊試驗(yàn)場(chǎng)。開(kāi)闊試驗(yàn)場(chǎng)是在自由空間內(nèi)放置一個(gè)平直的、無(wú)限延伸的金屬導(dǎo)電平面所形成的半自由空間。其模型[5]如圖1所示。

圖1　電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試模型

接收天線(xiàn)處的場(chǎng)強(qiáng)E是空間直射波、地面反射波和地表波的合成?？杀硎緸?/p>

式中：E0——直射波自由空間場(chǎng)強(qiáng)；

E0Γejφ——地面反射波場(chǎng)強(qiáng)；

E0（1-Γ）Aejφ——地表波場(chǎng)強(qiáng)；

?！孛娣瓷湎禂?shù)；

φ——直射波和反射波路徑差產(chǎn)生的相位差；

A——地表反射因子。

當(dāng)h/λ較大時(shí)，地表波隨收、發(fā)天線(xiàn)間距增加衰減很快。因此，在30MHz以上頻段，可忽略地表波的影響。接收天線(xiàn)測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)值為直射波和地面發(fā)射波的矢量疊加。

1.2測(cè)試方法

輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試方法一般采用CISPR 22標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法[6]（見(jiàn)圖2）：即被測(cè)物放置于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，轉(zhuǎn)臺(tái)360°旋轉(zhuǎn)。接收天線(xiàn)相位中心距離被測(cè)物考察點(diǎn)3m/10m，接收天線(xiàn)以水平和垂直兩種極化方式，高度在1~4 m范圍內(nèi)掃描，以測(cè)得被測(cè)物的最大發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)值。

圖2　電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試布置圖

在比對(duì)活動(dòng)中，為保證測(cè)量結(jié)果的可復(fù)現(xiàn)性，被測(cè)物一般選取信號(hào)電平穩(wěn)定的梳狀信號(hào)源（其信號(hào)發(fā)射值最大偏差Δmax=±0.5dB）。同時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)也固定不動(dòng)。通常情況下，比對(duì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)會(huì)詳細(xì)說(shuō)明信號(hào)源的操作方法及測(cè)試布局等信息。

2　測(cè)試結(jié)果影響因素及對(duì)策

影響電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果的因素有很多，概括來(lái)講主要有：信號(hào)源、測(cè)試布局、測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量人員等。

2.1信號(hào)源及測(cè)試布局

比對(duì)信號(hào)源的選取基于兩點(diǎn)原則：1）重復(fù)測(cè)量穩(wěn)定性，測(cè)量穩(wěn)定性包含頻率穩(wěn)定性和發(fā)射值穩(wěn)定性?xún)煞矫妫?）測(cè)試布局的一致性，也就是說(shuō)信號(hào)源在每次測(cè)試需保證其結(jié)構(gòu)和相對(duì)位置一致。如此一來(lái)，通常選擇性能穩(wěn)定的梳狀信號(hào)發(fā)生器作為比對(duì)樣品。

比對(duì)測(cè)試布局也是影響測(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素。信號(hào)源的操作方法、相對(duì)位置、工作模式、發(fā)射天線(xiàn)相位中心及極化方式等稍有變化均會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)較大偏差。一般來(lái)說(shuō)，比對(duì)試驗(yàn)所用信號(hào)源的操作和測(cè)試布局通常在比對(duì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)中會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。因此，在比對(duì)測(cè)試開(kāi)始前務(wù)必仔細(xì)研讀作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，明確信號(hào)源的工作模式和測(cè)試布局，盡可能地減少由于信號(hào)源的操作不當(dāng)及測(cè)試布局差異引入的測(cè)量偏差。

2.2測(cè)試場(chǎng)地

電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試場(chǎng)地主要有開(kāi)闊場(chǎng)、10m法暗室、5m法暗室和3m法暗室。目前國(guó)內(nèi)的測(cè)試場(chǎng)地以10m法暗室和3m法暗室為主。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試場(chǎng)地只要定期由專(zhuān)業(yè)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，保證其屏蔽效能、NSA等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足CISPR 22標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，那么由測(cè)試場(chǎng)地帶來(lái)的測(cè)量不確定度就會(huì)降至最低。然而，據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范規(guī)定暗室的校準(zhǔn)周期，有些暗室場(chǎng)地長(zhǎng)期不校準(zhǔn)或校準(zhǔn)周期很長(zhǎng)，顯然暗室的性能指標(biāo)就很難得到保證，這必然會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)不可預(yù)料的偏差。綜合考慮校準(zhǔn)費(fèi)用和保證暗室性能兩方面，建議暗室每2~3年校準(zhǔn)一次較為合適。此外，在兩次暗室校準(zhǔn)周期之間應(yīng)該對(duì)暗室進(jìn)行定期保養(yǎng)，并制定期間核查方案，通過(guò)期間核查方式來(lái)保證暗室性能。

另外值得注意的是，3 m法數(shù)據(jù)與10 m法數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)較大偏差。如果簡(jiǎn)單套用理論公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，那么這種轉(zhuǎn)換帶來(lái)的偏差較大。表1中的數(shù)據(jù)是在相同的場(chǎng)地、信號(hào)源、測(cè)試方法、測(cè)試系統(tǒng)，僅測(cè)試距離不同的情況下測(cè)得的QP值。由此可見(jiàn)，如果僅通過(guò)理論公式轉(zhuǎn)換，將對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)最大8.4dB的偏差。顯然，這是不合理的。

表1　3m法/10m法測(cè)試結(jié)果比較

關(guān)于3m法測(cè)試數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)換至10m法數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[7]提出了根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地的NSA測(cè)量值或經(jīng)驗(yàn)值在3 m處和10 m處的差值作為修正因子對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然而，文獻(xiàn)[8]通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法得出結(jié)論，對(duì)于3m法和10m法測(cè)試結(jié)果的轉(zhuǎn)換不適宜引入確定性修正因子。文獻(xiàn)[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，20 dB/10倍距離反比因子只是一種近似關(guān)系，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果差別很大。文獻(xiàn)[10]通過(guò)理論分析和實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的方法得出結(jié)論，只有當(dāng)測(cè)試距離r>>λ/2π時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)CISPR 22中的第10.6條才適用。

如何保證3 m法數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到10 m法數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)室之間的比對(duì)是最有效的方法之一。3m法場(chǎng)地應(yīng)多與權(quán)威10 m法場(chǎng)地進(jìn)行比對(duì)或測(cè)量審核，以獲得經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換值，從而保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)是影響輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果的主要因素，包含了測(cè)量接收天線(xiàn)、預(yù)置放大器、連接電纜及測(cè)量接收機(jī)等部分。

2.3.1測(cè)量接收天線(xiàn)

30 MHz~1 GHz頻段范圍內(nèi)的輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試一般采用復(fù)合天線(xiàn)作為接收天線(xiàn)。使用該類(lèi)天線(xiàn)時(shí)，需要注意兩點(diǎn)：1）復(fù)合天線(xiàn)一般尺寸較大，測(cè)試時(shí)需要確定其相位中心的位置，否則測(cè)試距離會(huì)有30cm左右的偏差，這種偏差在3m法測(cè)試中會(huì)對(duì)結(jié)果帶來(lái)約1dB的偏差。2）需要注意接收天線(xiàn)的天線(xiàn)系數(shù)。理論上，在自由場(chǎng)空間中校準(zhǔn)的3m法天線(xiàn)系數(shù)與10m法天線(xiàn)系數(shù)一致。實(shí)際上，在暗室中測(cè)量3m法天線(xiàn)系數(shù)和10m法天線(xiàn)系數(shù)是有差異的，可能給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)1dB以上的偏差。表2是型號(hào)為R&S HL562的復(fù)合天線(xiàn)在中國(guó)計(jì)量院校準(zhǔn)得到的3m法和10m法的天線(xiàn)系數(shù)，二者最大相差1.4dB/m。因此，3m法測(cè)試和10m法測(cè)試需要選用對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)系數(shù)，否則將直接給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定偏差。

表2　10 m法天線(xiàn)系數(shù)/3 m法天線(xiàn)系數(shù)比較 dB/m

2.3.2預(yù)置放大器

預(yù)置放大器的作用能將微小信號(hào)放大，提高信噪比。然而，預(yù)置放大器也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如放大噪聲信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)非線(xiàn)性失真；預(yù)放增益大小隨校準(zhǔn)輸入電平大小而改變。表3是型號(hào)為R&S SCU01的預(yù)置放大器在輸入不同電平時(shí)增益的比較。結(jié)果表明，輸入電平的不同，預(yù)置放大器的增益會(huì)有1.2dB的偏差。

表3　校準(zhǔn)輸入電平對(duì)預(yù)置放大器增益測(cè)量值的影響

在輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試過(guò)程中，如果使用預(yù)置放大器，需要注意以下兩點(diǎn)：1）評(píng)估采用預(yù)置放大器的必要性。在測(cè)試前，先不使用預(yù)置放大器進(jìn)行預(yù)測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果在考察頻點(diǎn)上的信噪比。如果信噪比較小，則使用；如果信噪比很大，則沒(méi)有必要使用預(yù)置放大器。2）考察預(yù)置放大器的增益系數(shù)和飽和失真情況。使用預(yù)置放大器前，需要在測(cè)試環(huán)境條件下，在考察頻點(diǎn)對(duì)預(yù)置放大器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)選取的輸入信號(hào)電平盡量與測(cè)試信號(hào)電平相當(dāng)，這樣不僅可以準(zhǔn)確測(cè)量預(yù)放的增益系數(shù)，還能判定預(yù)置放大器是否會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性失真現(xiàn)象。

2.3.3連接電纜及測(cè)量接收機(jī)

由于一般實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試連接電纜都是布置在高架地板下，當(dāng)連接電纜或端口出現(xiàn)異常時(shí)較難發(fā)現(xiàn)。為了排除接收天線(xiàn)端口到接收機(jī)之間的電纜或接口出現(xiàn)異常，可在測(cè)試前對(duì)該段路徑進(jìn)行校準(zhǔn)。一種簡(jiǎn)單有效的方法是：將檢定合格的信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端口替代接收天線(xiàn)輸出端，利用測(cè)量接收機(jī)在考察頻點(diǎn)測(cè)量信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)，判斷信號(hào)源的輸出信號(hào)電平與接收機(jī)測(cè)量的電平之差是否與該段路徑電纜的衰減值相等，如果相差較大，則需要查找原因。

測(cè)量接收機(jī)在測(cè)試時(shí)需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置測(cè)試頻段、掃描步進(jìn)、帶寬等參數(shù)。需要注意的是，不到萬(wàn)不得已，應(yīng)盡量不讓接收機(jī)工作在射頻“0 dB衰減”狀態(tài)，這樣不但可以借助射頻衰減器保護(hù)接收機(jī)預(yù)選器，而且可以降低接收機(jī)帶寬不匹配造成的測(cè)量誤差。

2.4測(cè)量人員

電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試是一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試，對(duì)測(cè)試人員的要求較高。通常要求測(cè)試人員具備一定的電磁兼容理論基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)及每臺(tái)測(cè)試設(shè)備的操作和性能熟悉，同時(shí)具備一定的測(cè)試技能和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，才能盡量減少由于測(cè)試人員帶來(lái)的影響。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文在多次參加國(guó)內(nèi)外電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試比對(duì)和組織廣東省電磁兼容比對(duì)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一些測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試技能。實(shí)踐證明，將這些測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和技能應(yīng)用于能力驗(yàn)證比對(duì)活動(dòng)中，有助于比對(duì)試驗(yàn)的順利實(shí)施，能減少測(cè)試結(jié)果的影響因素，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性。同時(shí)，電磁兼容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室如果在日常檢測(cè)活動(dòng)中注意文中涉及的相關(guān)內(nèi)容，也可有效提高產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果的可靠性。

[1]合格評(píng)定 能力驗(yàn)證的通用要求：GB/T 27043——2012[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2]中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)，CNAS T0672兩岸電磁兼容輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試能力驗(yàn)證計(jì)劃結(jié)果最終報(bào)告[R].北京:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，2013：7-8.

[3]中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)，CNAS T0663 1～6 GHz輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)能力驗(yàn)證計(jì)劃結(jié)果最終報(bào)告[R].北京：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，2014：8-9.

[4]廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.電磁兼容量值比對(duì)總結(jié)報(bào)告[R].廣州：廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，2014：11.

[5]全國(guó)無(wú)線(xiàn)電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，全國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，中國(guó)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家認(rèn)可委員會(huì).電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施指南[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999：162-165.

[6]Informationtechnologyequipment-Radiodisturbance characteristics-Limitsandmethodsofmeasurement：CISPR 2006-03 Edition 5.2[S].GENEVA:IEC Central Office，2006.

[7]闞潤(rùn)田，淘洪波，王文檢.半電波暗室3/10米法輻射場(chǎng)強(qiáng)換算的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）：579-581.

[8]扈羅全，陸全榮.半電波暗室不同測(cè)試距離輻射場(chǎng)強(qiáng)的換算模型[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2010（3）：582-285.

[9]胡文濤，李金龍.半電波暗室3 m法輻射騷擾測(cè)試的實(shí)驗(yàn)[J].上海計(jì)量測(cè)試，2014，241（3）：40-43.

[10]孔斌，萬(wàn)學(xué)濱.淺議輻射騷擾測(cè)量中距離的影響[J].安全與電磁兼容，2002（1）：31-33.

（編輯：李妮）

Discussions on laboratory proficiency testing of EMC radiated disturbance field strength

YU Hongwen，KE Jin，LIANG Xinxing，SHI Xinrong，XIONG Yangyang
（Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

A proficiency testing of EMC radiated disturbance field strength is introduced to reduce disparities in the testing results of EMC radiated disturbance field strength in different laboratories so as to ensure uniform measuring results.The main influence factors of the measuring results are systematically analyzed from test methods，test sites，test systems to test personnel.Moreover，other effective approaches are proposed to improve measurement accuracy.Practice proves that this approachcanhelppilotlaboratoriesandparticipatinglaboratoriestoimplementandfinish comparison tests，and also，it is conducive to enhancing the testing compatibility of EMC laboratories.

EMC；radiated disturbance；field strength measurement；proficiency testing；comparison

A

1674-5124（2016）03-0028-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.007

2015-05-21；

2015-07-16

余洪文（1982-），男，湖北鄂州市人，工程師，碩士，主要從事電磁兼容檢測(cè)及研究。