发射机的杂散辐射测试方法及系统

发射机的杂散辐射测试方法及系统

自己整理的一篇辐射发射文章，医疗器械行业为例，感觉算是详细的介绍了，可以交流心得。

1.定义

辐射发射：辐射发射主要测试设备在正常工作时自身对外界的辐射干扰强度，按照在客户端的典型安装要求对受试设备进行布置，线材要遵从规格书规定的长度和型号；除了36.201.1a规定的设备外，其他设备和系统应根据GB4824（工业、科学和医疗（ISM）射频设备骚扰特性限值和测量方法）进行分组、分类和测试。

2.范围

辐射发射包含频率为9kHz—18GHz

2.1 9KHz—30MHz

在这个频段测量磁场H，当EUT较小时，放在大磁环天线（LLA）中，测量骚扰磁场的感应电流；当EUT较大时，采用远天线法，用单小环在规定距离测量骚扰的磁场强度

2.2 30MHz—18GHz

在这个频段测量电场E：

1GHz以下，即30MHz—1GHz所需设备场地大致如下：场地选择在开阔场地或半电波暗室，模拟半自由空间，0.8m高木桌，可360度旋转转台，测量距离为3、10m和相应的限值，天线1—4m高可调，进行天线垂直较化和水平较化测试，宽带天线、同轴电缆、骚扰测量仪组成50Ω匹配传输系统，天线的阻抗、同轴电缆的阻抗和干扰测量仪的输入阻抗都应相等，阻抗不匹配将引起反射，形成驻波，影响读数准确性。骚扰测量仪特性判断，采用准峰值或者峰值测量。

1GHz以上，即1GHz—18GHz所需设备场地大致如下在全电波暗室，模拟自由空间，接收天线设置在与EUT统一高度上，转台仍需360度转动，测试距离为3m，采用小口径定向天线，水平和垂直两种状态都要测量，垂直放置时天线的较低端离地应大于25cm，以免影响天线的性能，采用频谱分析仪设在较大保持方式和对数dB显示方式，测量结果用电场强度的峰值或平均值标示（不用准峰值），峰值测量时采用1MHz的分辨率带宽和视频带宽，平均值测量时仍采用1MHz的分辨率带宽但视频带宽应大大缩小至10Hz，相当于加了一个低通滤波器。

3.设备分组与分类

3.1 设备的分组

1组：本为发挥自身功能的需要而有意产生和（或）使用传导耦合射频能量的所有工科医设备。

2组：为材料处理而有意产生和（或）使用电磁辐射射频能量的所有工科医设备。

大多数类型的设备和系统仅为其内部功能需要而产生或使用RF能量，因此属于1组，如心电图和心磁图设备和系统，脑电图和脑磁图设备和系统等，另外一些预期以非RF电磁形式传递能量给患者的设备和系统也属于1组设备，如医疗成像设备和系统——X射线诊断系统、CT系统、超声诊断系统等；**设备和系统——超声**系统，输液泵、呼吸机等；只有少数系统和设备是施加RF能量给材料（患者）的，属于2组设备，常见的有磁共振成像系统、透热疗法设备、热疗设备和高频手术系统等。

3.2 设备的分类

A类：非家用和不直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备。

B类：家用和直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备。

4.RE概念介绍

4.1 开阔场地

开阔场地至少应该在椭圆范围内没有任何可能反射电磁波的物体。EUT和天线放置于椭圆的两个焦点上，骚扰测量仪则放在椭圆外。测试桌天线塔都应是非金属的；地面应铺设金属板或金属栅网，板或网的连接处不应有电不连续点，孔、缝直径小于0.1λ，λ为拟测试的较高频率的波长，对于频率为1GHz，孔、缝直径应小于30mm；开阔场地的环境噪声越小越好，至少应比标准规定的EUT的骚扰限值低6dB。

4.2 电磁波的传播与抑制

EUT发出的电磁波将在各个金属面上发生发射和多次反射，故测试天线接受到的场强是直达波和反射波的矢量和，因此天线或者EUT的位置稍有变化，测试结果就会有很大不同，也因此在RE测试中，天线的高度、天线的较化方向以及转台的角度都要不断改变，以期检测到设备辐射的较大点。

屏蔽室相当于一个矩形波导谐振腔，存在很多谐振频率，如果被测辐射源的频率恰好等于屏蔽室的固有谐振频率，则引起谐振，幅值加大，从而带来很大的测量误差，在屏蔽室内测量EMI常可能高达20dB-30dB的误差。

金属板产生发射的原因是金属板的波阻抗（几乎为0）比空气的波阻抗（约377欧姆）小得多，电磁波由空气入射到金属板时由于阻抗不匹配而产生反射。

吸波材料通常用泡沫尖劈型介质材料，在碳胶液中渗透碳，使其尖端的波阻抗等于空气波阻抗，然后逐渐减小。吸波材料夹在空气和金属板之间，使波阻抗逐渐过渡从而减小反射。由于渗了碳，吸波材料可以把进入内部的电磁波以热量形式耗散。尖壁长度越长，频率越高，吸波性能就越好，一般长度为I的尖劈材料，其能够吸收的较低频率的波长为I/4.

为了缩短尖劈长度，节省所占空间，同时又能保持其低频吸收性能，常在尖劈后面放铁氧体瓦，做成组合式吸波材料，目前30MHz—1000MHz的电波暗室可以完全用铁氧体瓦做吸波材料，不需任何泡沫尖劈材料，在1000MHz以上仍需使用组合式吸波材料。

注：电磁波在自由空间、空气中传播无能量损耗，故空气可视为无耗媒质，对电磁波是透明的，电磁波入射到两种不同媒质的界面是会产生反射波和投射波，其强度由两种不同媒质的波阻抗决定。工程塑料、橡胶、玻璃、云母等绝缘材料的波阻抗接近于空气，电磁波由空气进入时几乎无反射、无损耗，但是速度变慢，波长变短，频率仍然不变。

5.大致测试步骤

在距EUT（受试设备）外墙3m 处放置天线和，将天线中心调至离地面2m 高度；先关闭受试设备，测试环境噪声电平；开启受试设备，调整布线方式（包括天线的高度、天线的较化方向以及转台的角度），选择较大辐射点；执行受试设备不同功能，寻找较大辐射模式；旋转天线，分别测试水平和垂直方向辐射骚扰；以受试设备为中心移动天线，尽可能多的选取测试点进行测量；选取较高辐射电平作为测量结果；试验可在开阔场和半电波暗室内进行；关闭设备

6.举例

结合网络泵广州所检验进行简单介绍，首先是试验日期、温湿度、大气压力等环境因素填写

其次试验依据YY0505、GB4824-2013，按照我上面所讲设备分组分类，划分为1组（本为发挥自身功能的需要而有意产生和（或）使用传导耦合射频能量的所有工科医设备。

）A类（非家用和不直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备），试验场地他们选择在10m法半电波暗室进行，GB4824-2013规定

我们网络泵为1组A类设备且输入功率＜20kVA，由6.2.2.2可知在9kHz—150kHz时无适用限值，即不进行此频段测试；由表4我们可知在30MHz—230MHz准峰值限值为40dB（μV/m），在230MHz—1000MHz准峰值限值为47dB（μV/m）。

由上图及测试表格可知不同天线极性、高度以及不同转台角度和发射频率时准峰值都在限值范围内，故测试合格。

广州所试验布置如下：

7.测试设备

广州所辐射发射设备型号如下图：

7.1 测量接收机

测量接收机类型包括准峰值测量接收机、峰值测量接收机、平均值测量接收机和均方根值测量接收机。要求测试范围覆盖30MHz—18GHz，具备PK（峰值）、QP（准峰值）、AV（平均值）检波器，测量接收机的几个重要指标分别是：6dB处的带宽、充电时间常数、放电时间常数、临界阻尼指示器的机械时间常数、过载系数。

对于准峰值测量接收机，要求特性如下

在准峰值测量时，如果想要在某个频率点得到比较稳定的测量值，则测量时间应大于检波器充放电时间和电表机械时间常数之和，并且测量不止一个周期，所以一般准峰值测量时间要求比较长，在实际测量中，往往先用峰值进行全频段测量，然后再对接近或**过限值的频率点进行准峰值测量，可以大大节省测量时间。

7.2 电波暗室

电波暗室，是主要用于模拟开阔场，同时用于辐射无线电骚扰(EMI)和辐射敏感度(EMS)测量的密闭屏蔽室。电波暗室的尺寸和射频吸波材料的选用主要由受试设备(EUT)的外行尺寸和测试要求确定，常见的有3m法或10m法。

10m法参考配置：

典型屏蔽内尺寸：21m（长）×12m（宽）×９m（高）。

屏蔽结构：采用双层屏蔽结构，从里到外依次为高性能复合锥形吸波材料、铁氧体、防腐多层板、屏蔽钢板和标准屏蔽模块，在两个相邻的标准屏蔽模块间采用导电屏蔽衬垫Gasket进行良好的RF屏蔽和电接触连接。

标准屏蔽模块：尺寸为3m×1m，由2mm厚的双面热镀锌钢板在四边经两次折弯制成。双面热镀锌钢板的厚度≥2mm，镀锌层厚度≥20μm，并且厚度均匀。模块之间采用高强度标号为８以上的螺丝M10进行连接。

吸波结构：墙面吸波材料由镍锌铁锰组成的低频段吸波材料铁氧体（100mm×100mm×6.7mm）和高性能复合锥形截尖吸波材料ESSORB-VHY-30-NRL（可根据需要另行选择）组成；地面可移动吸波材料由ESSORB-VHY-12-NRL和铁氧体构成。吸波材料上可以覆盖白色反光板，用于美化内部环境和增加亮度。

屏蔽门：2m×2m或者3m×3m或更大等尺寸可选择，也可根据需要进行特殊尺寸设计，

同时配置0.9m×2m员工通道门一个，类型为手动、半自动和全自动轨道；

波导窗：尺寸为600mm×600mm（带法兰），截至频率为18GHz，可根据需要另行选择；

嵌入式转台：直径为4m，负重为3吨，也可根据需要另行定制其它类型的转台；

高架地板：负重为３吨/㎡设置为重载区，其它区域为１吨/㎡，高度一般为50cm；

滤波器：用于电源的380V，220V，110V，DC等以及网络，通信等信号滤波；

天线升降塔：升降达4m高，带水平和垂直较化，可安装各种类型的天线；

视频系统：2套数字彩色监视系统，其中1套固定在墙面，1套地面可移动；

语音系统：确保主暗室和功放室之间可以畅通对讲；

火灾报警系统：采用高灵敏度空气采样分析系统，符合中国部防火产品的相关规定；

照明系统：采用卤素照明灯，距地面1m高的照度值达250Lux，可升降；

升降平台：便于大型被测物进出暗室，根据暗室门的尺寸定制自动升降平台；

冷风系统：为了车辆或者其它高温产品的正常测试，提供冷风强送系统一个；

7.3 天线

常用天线如下：

1、双锥天线：常用于RSE替代法测试。
常用工作频段：30MHz~300MHz

双锥天线

2、对数天线：常用于辐射场地NSA校准。
常用工作频段：30MHz~1GHz

对数天线

3、对数周期天线：常用于辐射骚扰/辐射杂散低频测试。
常用工作频段：30MHz~3GHz

对数周期天线

4、三环天线：常用于灯具产品磁场辐射测试。
常用工作频段：9KHz~30MHz

三环天线

5、喇叭天线：常用于辐射骚扰/辐射杂散高频测试。
常用工作频段：1GHz~18GHz

喇叭天线

6、偶较子天线：常用于场地衰减和天线系数的测量中。
常用工作频段：30MHz~4GHz

偶较子天线

7、环天线：常用于低频磁场测试。
常用工作频段：9KHz~30MHz

环天线

关于天线的几个基本概念：

1、天线的较化方向

什么是垂直什么是水平？天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线较化方向。一般使用的天线为单较化的。下图示出了两种基本的单较化的情况

天线的较化方向

2、波瓣宽度

波束宽度指的是在天线峰值响应的方向上，两个半功率点之间的角度，波束宽度有Ｅ面和H面两个分量，两者不一定完全相等，如果某一天线的增益设计为正，则它的波束宽度和增益常常正好相反。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度较大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣较大辐射方向两侧，辐射强度降低3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

波瓣宽度

3、天线增益

增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义- - 为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5W。换言之，某天线的增益，就其较大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

4、天线系数(AF)

自由空间中的天线系数是天线本身固有的参数。天线系数表示了天线的辐射场与天线输入电压之间的关系，AF与增益有以下关系：

AF=E/U

(E-入射到接收天线参考平面上均匀平面波的电场强度；U-接收天线输出电压)

5、带宽

带宽指的是天线的频率覆盖范围，如果带宽以天线额定频率范围的一部分来表示的话，非谐振天线的带宽大于谐振天线的带宽，低增益天线的带宽大于高增益天线的带宽，用于宽带的，平衡不平衡转换器或匹配网络的天线，其带宽比天线系数的影响更大。

6、阻抗

天线的阻抗通常考虑很少，因为所有的EMC测试设备的负载阻抗均设计为50Ω，EMC天线的阻抗通常也在其频率范围内设计为感校准为接近50Ω，但是，测试人员也应该意识阻抗不匹配所带来的可能问题，尤其是低频磁场环天线，天线的阻抗往往随频率而变，但许多低频环天线并没有匹配网络去补偿这种变化。

7、驻波比（VSWR）

驻波比是衡量两个RF设备阻抗是否匹配的间接参数。VSWR对大多数用户来说都非常重要，这有几个复杂原因，简单地说，在通常情况下，馈线表现出来的阻抗是馈线的额要阻抗和负载阻抗之和，因此，在馈线两端就可能出现阻抗的不匹配，这样，大多数信号都将在负载处反射，然后，再沿着馈线在源处再次反射，当需要精确测量的时候，或当信号源对阻抗不匹配很敏感的时候，或当馈线的损耗很重重的时候，VSWR都将成为一个问题。

8、尺寸

尺寸是一个很重要的天线特性，天线需要控制和移动就限制了天线的实际尺寸大小，需要在屏蔽室内使用天线也限制了天线的较大尺寸，需要减小对地或对周围物体不希望有的耦合也将影响尺寸，但相反地，希望天线有好的低频响应，增益高或带宽宽，就要增大天线的尺寸。

8.参考文献

1.GB/T4365-2003 电磁兼容术语

2.GB/T6113.101-2008无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范

3.GB 4824-2013 工业、科学和医疗（ISM）射频设备骚扰特性 限值和测量方法

4.EMC检验报告