混响室条件下电子设备辐射敏感度测试方法

贾锐,王庆国,程二威,李许东,曲兆明

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003)

混响室条件下电子设备辐射敏感度测试方法

贾锐,王庆国,程二威,李许东,曲兆明

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003)

按照连续搅拌和步进搅拌2种运行模式,构建了混响室条件下电子装备辐射敏感度的测试系统,对典型卫生医疗设备进行了抗扰度测试,研究了混响室的不同工作模式对实验结果的影响.结果表明:搅拌器工作于步进模式时受试设备的敏感度要高于连续搅拌情况,连续搅拌模式下,搅拌器的搅拌速度越快,受试设备的敏感度越低.

电磁兼容;混响室;辐射敏感度测试;敏感度

近年来,混响室由于其独特的性能逐渐成为研究热点[1],在电磁兼容测试领域中扮演着越来越重要的角色,成为众多模拟现实空间中复杂电磁环境方法中优先考虑的技术[2-4].但无论国内还是国外,鲜见关于混响室对电子系统敏感度测试方法的文章.在已有的关于混响室测试标准中,也没有规定混响室2种工作方式的辐射敏感度测试方法,特别是没有对连续搅拌模式进行详细的描述.因此,对混响室测试方法进行研究具有非常重要的意义.本研究是通过在混响室内对军用型号为ECG-6951E的心电图机进行辐射敏感度测试,探究混响室条件下合理的,具有良好重复性的敏感度测试方法.本研究是在军械工程学院国防科技重点实验室中的大型混响室内进行的,所用的混响室尺寸为10.5 m×8.0 m×4.3 m.

1 混响室概述

混响室由于其高反射性的墙壁以及内置的搅拌器,可在屏蔽腔体内形成一个空间均匀、各向同性、随机极化的电磁环境[5-6].在机械搅拌器的作用下,混响室内任意位置的电场(磁场)的能量密度、相位、极化和入射方向均按某一统计分布规律随机变化.混响室内存在很多谐振模式,这些谐振模式在腔体内形成空间驻波,每个谐振模式形成驻波的波峰和波谷位置各不相同.空间内任意一点的场是许多谐振模式的叠加,而且谐振模式越多,场就越均匀[7].

混响室刚建成或内部配置发生重大变化时都要进行校准[8-9],校准的目的在于使得混响室内部工作区域的场强满足均匀性要求.按照校准时混响室内搅拌器的工作方式来分,校准的方法分为步进法和连续法,每种校准方式的具体方法以及混响室内部工作区域场强均匀性要求在文献[9]中都给出了详细说明.

同校准一样,混响室的工作方式也可分为步进搅拌模式和连续搅拌模式2种.步进搅拌模式时,搅拌器以一定的步长步进搅拌.在给定频率下,受试设备的响应为搅拌器旋转1周后所有步进位置响应的平均值.其中当混响室工作于步进搅拌模式时,其采样点数以及频率数应满足相应的要求.当工作于连续搅拌模式时,首先要确定搅拌器的搅拌速度,以保证受试设备有足够的时间用来对外部变化电磁场响应[4].2种工作方式各有特点,使用时应当按照受试设备的不同和测试的目的要求进行合理选择.本研究是对典型受试设备进行辐照效应实验,探究混响室不同的工作方式对测试结果的影响.

2 实验设备

近年来,混响室主要用于辐射抗扰度测试、辐射发射测试和屏蔽效能测试等.本研究正是混响室在辐射抗扰度方面的应用.

受试设备选择军用医疗设备,型号为ECG-9651E的心电图机.辐射装置由信号发生器,功率放大器,天线组成.天线使用对数周期天线.使用NADAR公司生产的EMR-200型场强计记录辐射场的场强值.利用监视仪对EU T的输出波形进行监测.

3 实验方法及结果

测试时,分别在2种工作模式条件下进行80～1 024 M Hz频段的扫频测试.发现无论混响室工作于哪种工作模式,当频率大于400 M Hz时,受试设备的输出波形都会持续发生变化,于是选择400,500,600, 700,800,900和1000 M Hz为测试频点.用这些频率的电磁波依次对受试设备进行辐照,调节功率放大器,改变输入混响室内的功率,从而改变测试区域的电场强度.记录受试设备的干扰阈值,即受试设备输出信号不发生变化时,受试设备所经受的最大电场强度.混响室模拟的是一种统计均匀、各向同性、随机极化的复杂电磁环境.位于腔体内部的受试设备在各个方向上都受到辐照,是一种全向测试.因此利用混响室进行测试时,不需进行设备位置和放置姿态的改变,就可以得到受试设备最敏感部位的干扰阈值.

混响室工作于步进搅拌模式.根据文献[9]规定,混响室内部1号搅拌器每次旋转180°,2号搅拌器每次旋转60°.在2个搅拌器共同作用下,旋转1周的过程中构建了符合文献[9]规定的12个不同的边界条件.每个测试频点的测试结果都是12个不同步进位置的敏感阈值的平均值.保持搅拌器的12个步进位置不变,进行5次测试,图1给出了受试设备敏感阈值的5次测试结果.

从图1可见,当混响室工作于步进模式时,测试结果重复性并不理想.图1中可看到最大值和最小值相差达87 V/m.因此,利用步进模式进行测试,结果存在很强的随机性,不能得到受试设备准确的敏感阈值.步进模式下进行重复性测试时,对于机械搅拌器来说,很难保证每次测试搅拌器的12个步进位置保持一致.很大程度上,这也会影响到步进模式的测量可重复性.

图1 步进模式测试结果Fig.1 Experimen t result of tuned-mode

当混响室工作于连续搅拌模式时,首先需要确定其搅拌速度.本研究选取1.5,3.0,6.0,8.0以及10.0 r/min等5种搅拌速度,分别对受试设备进行辐照.连续搅拌时,混响室内瞬时场强不稳定,无法读取相应的场强值,为了取得更好的实验重复性,场强仪设置为读取一定时间内的平均场强.EM R-200型场强计的fastmode模式为0.4 s输出1个场强值,本实验采用其4 s平均功能,即每间隔4 s,场强仪输出其所处环境4 s之内10个瞬时场强的平均值,重复进行5次相同的测试.图2与图3为受试设备在3,10 r/min的搅拌速度下的敏感阈值变化曲线.

从图2,3中可以看出,不同搅拌速度下,受试设备随频率增加其敏感度变化趋势是一致的.将步进模式的测试结果和连续模式的测试结果在400～1 024 M Hz内进行对比,如图4所示.可见,随着搅拌速度的增大,受试设备的敏感阈值有减小的趋势.连续模式和步进模式的测试结果差别较明显,步进模式的测试结果要比连续模式的高.步进模式的测试结果反映的是受试设备对搅拌器旋转1周内的多个非均匀场的敏感阈值的叠加再平均,从而获得一个统计均匀场的平均敏感阈值,而连续模式反映的是受试设备对搅拌器旋转1周内较强场的敏感阈值。所以,受试设备在连续搅拌模式下的敏感阈值要低于步进搅拌模式下的敏感阈值,与实验结果相一致.

图4 步进模式和连续搅拌测试结果对比Fig.4 Results of tuned-mode and different rotate ratesof stirred mode

4 数据分析

用变异系数来表示测试结果重复性的好坏.变异系数可定义为测试数据的标准偏差与平均值的比值[10],数值越小,表示测试可重复性越好.

变异系数可表示为

表1为400～1 024 M Hz内,步进模式和连续模式的测试结果的变异系数对比.通过表1可以看出连续模式测试结果的变异系数普遍小于步进模式测试结果的变异系数,这也说明连续模式的测试可重复性要优于步进模式.

表1 各频点步进和连续搅拌测试结果的变异系数Tab.1 Value for coeff icient of variation of tuned and stirred mode

5 结论

通过将受试设备分别在混响室的步进搅拌模式和连续搅拌模式进行敏感度阈值的测试,结果表明连续搅拌模式下的测试重复性优于步进搅拌模式.随着搅拌速度的增加,受试设备的敏感度有增加的趋势,受试设备在连续模式下的敏感阈值要低于步进模式.此实验结果对以后利用混响室进行设备敏感度测试时提供一定的参考.

[1]刘小强,魏光辉,潘晓东.材料磁导率对混响室场性能影响的仿真分析[J].高电压技术,2009,35(8):206-209.

[2]袁智勇,何金良,曾嵘,等.电磁兼容实验中的混响室技术[J].高电压技术,2005,31(3):56-57.

[3]YUAN Zhiyong,HE Jinliang,CHENG Shui-ming,et al.Evaluation of transmit antenna position in reverberation chamber [J].IEEE Transactionson Electromagnetic Compatibility,2007,49(1):86-93.

[4]赵雷.混响室技术应用[J].宇航计测技术,2007,27(6):49-52.

[5]张成怀,魏光辉.混响室测试区场均匀性分布规律仿真分析[J].高电压技术,2008,34(8):1537-1541.

[6]张林昌.混响室及其进展[J].安全与电磁兼容,2001(4):2-8.

[7]张成怀,魏光辉,王韶光.电磁兼容测试中的混响室技术[J].军械工程学院学报,2006(18):297-302.

[8]刘小强,魏光辉,田建章.混响室测试技术及其仿真[J].装备环境工程,2007(4):64-66.

[9]IEC 61000-4-21,2003,Testing and measurement techniques Reverberation Chamber Test Methods[S].

[10]程二威,王庆国,杨权,等.混响室环境下小屏蔽体屏蔽效能测量重复性研究[J].北京理工大学学报,2009,29(增刊): 25-27.

Methods of Radiated Immun ity Testing of Electron ic Device Using Reverberation Chamber

JIA Rui,WANGQing-guo,CHENG Er-w ei,LIXu-dong,QU Zhao-ming
(Institute of Static Electricity&Electromagnetic Protection, O rdnance Engineering Co llege,Shijiazhuang 050003,China)

This paper established a radiated immunity testing system of electronic device in Reverberation Chamber.The influence of differentwo rk modes to the experimental resultswas investigated.Rep resentative medical equipment was experimented w hen the RC addressesmode stirred and mode tuned.Repeatability and rep roducibility of these testing methods were investigated by repeating the test w ith different stirred rates.The experimental results demonstrated that the interference thresho lds of mode stirred were lower thanmode tuned;and care should be taken during continuousmode stirring that the tuner rotation speed was important.With the speed of tuner rotation increase,the interference thresholds decrease.

EM C;reverberation chamber;immunity sensibility test;suscep tibility thresho lds

TN 011;O 441

A

1000-1565(2010)05-0585-05

2010-04-10

国家自然科学基金资助项目(60671045)

贾锐(1986—),男,河南焦作人,军械工程学院在读硕士研究生,主要从事电磁环境模拟与防护技术研究.

王庆国(1964—),男,河北安平人,军械工程学院教授,博士生导师,主要从事电磁防护理论与技术研究.

(责任编辑:王兰英)