半電波暗室歸一化場地衰減測試探討

王權(quán)，蘇宗文，李澍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

半電波暗室歸一化場地衰減測試探討

王權(quán)，蘇宗文，李澍，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

本文首先闡述了評估電波暗室性能的歸一化場地衰減測試（NSA）的測試原理和方法，計(jì)算了理想狀態(tài)3 m和10 m測試條件下的NSA理論值，并分析了電磁兼容歸一化場地衰減測試的一般性步驟。然后對半電波暗室進(jìn)行了初步測試并得到了實(shí)際測量數(shù)據(jù)。最后討論了影響測試結(jié)果的一般性因素，結(jié)果表明評估暗室系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

半電波暗室；歸一化場地衰減；場地電壓駐波比；電磁兼容；10米法

1 電波暗室和歸一化場地衰減

電波暗室是在電磁屏蔽室的基礎(chǔ)上，在四墻內(nèi)壁及頂壁上安裝吸波材料并保留地面為電磁波理想反射面，從而模擬開闊場的測試條件[1-2]。電波暗室因四壁能夠吸收無線電波，故在無線電騷擾（EMI測試，GB 4824）和輻射敏感度（EMS測試，GB/T 17626.3）的測量中，測量的精度較高，是目前國內(nèi)外流行和比較理想的電磁兼容測試場地。一般來說，電波暗室按照測試距離分類可以分為3 米法、5 米法和10 米法，不同的電波暗室的有效測試區(qū)域不同，一般來說，測試距離越大，電波暗室的有效測試區(qū)域越大。對于較大的受試設(shè)備（Equipment Under Test，EUT），一般優(yōu)先選擇10 米法進(jìn)行測試。同時(shí)，GB 4824標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，若對測試結(jié)果有爭議，一般以10 米法的測試結(jié)果為最終結(jié)果。

但是電波暗室在進(jìn)行EMI和EMS測試時(shí)，場地本身需要滿足一定的要求，包括歸一化場地衰減（Normalized Site Attenuation，NSA）、場地電壓駐波比（SVSWR）、場均勻性（FU）和環(huán)境底噪（AN）[3]。NSA是評價(jià)電波暗室性能的核心指標(biāo),它的結(jié)果直接決定了電波暗室的整體性能以及是否可用于EMI及EMS測試。

2 NSA的理論計(jì)算

NSA綜合考慮電磁場（30～1000 MHz）的空間直射效應(yīng)和金屬平面（地面）反射效應(yīng)，按照空間電磁波疊加理論，計(jì)算在接收點(diǎn)電磁波場強(qiáng)。為了使測試結(jié)果更接近理論值，發(fā)射與接收試驗(yàn)均要求場地足夠大，同時(shí)滿足光潔、平整、電導(dǎo)率一致等要求。

Smith et al[4]在1982年提出了NSA的理論計(jì)算模型。該模型于1987年被ANSI C63.4委員會采用，并作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型：

式（1）中，NSATH為NSA理論值，fm為電磁波頻率頻率（MHz），EDMAX為天線最大接收場強(qiáng)。EDMAX是NSA理論計(jì)算模型中最重要的參數(shù)，它被定義為在給定頻率、發(fā)射天線高度固定條件下，接收天線在規(guī)定高度范圍內(nèi)掃描取得的電場最大值。由于電磁場水平極化特性和垂直極化特性并不一致。因此，EDMAX需要收發(fā)天線在兩個(gè)方向上分別計(jì)算，并相應(yīng)記為EDHMAX和EDVMAX。

水平極化波和垂直極化波的傳播模型，見圖1?？紤]到接收天線在水平方向無位移，垂直方向1.5 m和2 m兩個(gè)高度均需測試，所以接收端的場強(qiáng)為空間直射波與金屬地面反射波的疊加[5]。根據(jù)電磁場傳播的數(shù)學(xué)模型，天線水平方向和天線垂直方向的接收電場強(qiáng)度分別表示為：

其中，d1/ d2為電磁場空間直射/地面反射波傳輸距離，h1/ h2為發(fā)射天線/接受天線的高度，R為天線之間的距離，ρ為反射系數(shù)，σ為地面導(dǎo)電率，?為反射波相角，λ為特定頻率下的波長，K為相對介電常數(shù)，γ為入射角。在不考慮天線及探頭的近場效應(yīng)，假設(shè)發(fā)射平面為理想的全反射平面，并認(rèn)為天線四周為反射很小的吸波材料的條件下，取K=1，σ取銅的導(dǎo)電率，可計(jì)算出3 m和10 m條件下開闊場NSA理論值（頻率范圍30 MHz-1 GHz）[6]，見圖2。

圖1 電場傳播模型

圖2 3 m和10 m條件下開闊場NSA理論值

3 NSA的測量方法

半電波暗室是為了代替開闊試驗(yàn)場面進(jìn)行試驗(yàn)，暗室中的NSA測試值就應(yīng)和開闊試驗(yàn)場保持一致。CISPR 16-1-4 Ed3:2012要求，NSA測試值與理論值差異應(yīng)小于±4 dB。CISPR-16-1-4對半電波暗室模擬開闊場的NSA測量做了如下規(guī)定：① 不使用調(diào)諧偶極子天線進(jìn)行測量，使用用雙錐天線（30～200 MHz）和對數(shù)周期天線（200 MHz～l GHz）等寬帶天線進(jìn)行測量；② 多點(diǎn)測量。EUT具有一定體積，設(shè)備上各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)與四壁吸波材料距離不同，應(yīng)對EUT所在空間進(jìn)行多點(diǎn)NSA測量。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在發(fā)射天線所處中心位置（C）及前（F）、后(B)、左(L)、右(R)距離0.75 m等5個(gè)點(diǎn)，以及不同高度（接收天線垂直極化：1 m、1.5 m，水平極化：1 m、2 m）下進(jìn)行。因此總共要進(jìn)行20種組合情況下的NSA測量，包括5個(gè)位置、2個(gè)高度、2種極化[7]。用于試驗(yàn)場地的垂直（水平）極化NSA測量時(shí)的典型天線位置的示意圖，見圖3。

圖3 試驗(yàn)布置示意圖

NSA一般測試步驟對半電波和全電波暗室均可使用，但需要注意在天線布置上略有差異，見圖4。由于NSA測試方法需要考慮發(fā)射天線和接收天線在自由空間的天線系數(shù)，因此在試驗(yàn)過程中需要考慮天線系數(shù)的校準(zhǔn)不確定度值。

圖4 NSA一般測試步驟流程圖

4 測試結(jié)果與討論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法對新建半電波暗室進(jìn)行場地歸一化測試驗(yàn)證（30 MHz～1 GHz），測試結(jié)果，見圖5和圖6，所測指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

從圖4可以看出，在30～200 MHz范圍內(nèi)，在水平極化條件下，天線在不同測量位置的測量的結(jié)果一致性較高。相比之下，垂直極化條件下不同測試的結(jié)果一致性較差。經(jīng)計(jì)算，水平極化條件下12條測試曲線的標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.25725，垂直極化條件下12條測試曲線的標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.43982。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是水平極化天線主要對水平電磁波敏感。水平電磁波主要受到水平反射面影響（地面、頂面），考慮到頂面距測試位置較遠(yuǎn)，因此主要由地反射面影響。對于半電波暗室來說，地面是光滑的金屬平面，電磁一致性較好，因此不同位置下的測試結(jié)果較為一致；而垂直極化天線主要對垂直電磁波敏感。垂直電磁波主要受到垂直反射面（四周鐵氧體吸波材料）決定，由于鐵氧體材料安裝的差異性和不同測試點(diǎn)和鐵氧體距離不同，造成結(jié)果具有較大差異。

對比30～200 MHz和200 MHz～l GHz測試數(shù)據(jù)同時(shí)可以看出，30～200 MHz條件下測試結(jié)果偏離標(biāo)準(zhǔn)值較大，最大偏離達(dá)到了+2.7 dB；而在200 MHz～l GHz條件下最大偏移為0.9 dB。這是由于雙錐天線(30～200 MHz)和對數(shù)周期天線(200 MHz～l GHz)方向特性的不同，對數(shù)周期天線的峰值旁瓣比絕對值高，輸出功率主要集中在天線正前方，因此暗室四壁吸波材料對測試結(jié)果影響比較小；而雙錐天線峰值旁瓣比絕對值低，天線輸出功率的方向性較為平均，對暗室四壁的吸波性能要求更高。因此對于同一個(gè)半電波暗室，對數(shù)周期天線的NSA特性比雙錐天線的NSA特性好很多。

對于雙天線暗室來說，由于雙天線同時(shí)工作，因此需要針對天線左軸和右軸分別進(jìn)行NSA測試，兩次測試均合格才能保證系統(tǒng)可用，見圖5。分別比較3 m轉(zhuǎn)臺和10 m轉(zhuǎn)臺左右軸的NSA值可以看出，同一轉(zhuǎn)臺條件下天線左軸和右軸NSA差異性很小，說明暗室設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了對稱性要求，具有很高的對稱性。雙轉(zhuǎn)臺和雙天線條件下暗室對稱性能比較，見圖6。

圖5 頻率范圍（30 MHz-200 MHz，200 MHz-1 GHz）NSA測試值

圖6 雙轉(zhuǎn)臺和雙天線條件下暗室對稱性能比較

5 結(jié)論

綜上所述，新建電波暗室NSA值小于±3.5 dB，是一個(gè)比較合適的半電波暗室測試場地。一般來說，一個(gè)好的電波暗室，需要從設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)仿真、工程準(zhǔn)備，選用好的屏蔽、吸波材料，才能得到理想的NSA測量值。對于在測量過程中出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)先尋找由儀器、天線系數(shù)、測量方法引入的誤差。若仍不合格，可用垂直極化測試來確定不規(guī)范點(diǎn)，進(jìn)一步分析暗室的結(jié)構(gòu)布置是否存在問題。

[1] 吳釩,武彤.30～1000MHz天線校準(zhǔn)系統(tǒng)研制報(bào)告[R].北京:中國計(jì)量科學(xué)研究院,2002.

[2] 王培連,陳嘉曄,殷磊,等.10m法半電波暗室是電氣醫(yī)療設(shè)備輻射騷擾測量場地的最優(yōu)選擇[J].中國醫(yī)療器械信息,2010, 16(3):42-43,60.

[3] 電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB 9254—1998信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.

[4] Smith AA Jr,German RF,Pate JB.Calculation of site attenuation from antenna factors[J].IEEE Trans Electromagn Compat,1982,24(3): 301-316.

[5] 李瀟,朱云.電波暗室場地駐波比測試方法及測試系統(tǒng)構(gòu)建.安全與電磁兼容,2007,(5):29-32.

[6] 趙金奎.半電波暗室的技術(shù)要求[J].安全與電磁兼容,2005:25-29.

[7] IEC.CISPR16-1-4 Ed 2:2007 Specif cation for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods Partl-4:Radio disturbance and immunity measuring apparatus-Ancillary equipment-Radiated disturbance[S].Geneva: International Electric Technical Commmission,2007.

Discussion on Calculation and Measurement of Normalized Site Attenuation of Semi-Anechoic Chamber

WANG Quan, SU Zong-wen, LI Shu, REN Hai-ping
Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Basic principles and common methods of NSA (Normalized Site Attenuation) test for the performance of the semi-anechoic chamber were introduced f rst in this paper. The theoretical value of NSA tests under the conditions of 3 m and 10 m range semi-anechoic chamber were calculated and the general test procedures of EMC (Electromagnetic Compatibility) NSA were analyzed. Then, the semianechoic chamber was tested preliminarily and the actual measurement data was achieved. Finally, the general factors affecting the test results were discussed. And the evaluation results showed that the chamber could work normally.

semi-anechoic chamber; normalized site attenuation; site voltage standing wave ratio; electromagnetic compatibility; 10 m range semi-anechoic chamber

R318；TM937

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.10.011

1674-1633(2016)10-0036-04

2016-08-15

中國食品藥品檢定研究院中青年發(fā)展研究基金課題任務(wù)書（2014C6）。

李澍，副研究員，主要研究方向?yàn)橛性瘁t(yī)療器械電磁兼容檢測，有源植入醫(yī)療器械質(zhì)量評價(jià)方法研究。

通訊作者郵箱：guangjidian@nifdc.org.cn