射频电磁场抗扰度测试方法的研究

辽宁广播电视大学自控系 吕明珠

中认（沈阳）北方实验室 刘世勋

射频电磁场抗扰度测试方法的研究

辽宁广播电视大学自控系 吕明珠

中认（沈阳）北方实验室 刘世勋

本文讨论了射频电磁场抗扰度的测试方法。此外，通过模拟单极子天线的空间发射原理证明了在其发射状态下具有很强的空间辐射场强，也为实际检测工作提供了理论依据。

射频电磁场；抗扰度；单极天线

一、研究目的

随着科学技术的日益发展，越来越多的带有电磁辐射的设施进入了人们生活和科技生产的各个领域，可以说我们所处环境的任何地方都存在着人为的电磁辐射。在这些电磁设备提供给人们现代化生活所必须的电能、通信、广播等重要需求的同时，也使人们担心“电磁污染”对人体健康的损害以及不同电磁波之间的相互干扰。

射频电磁场辐射抗扰度是电磁兼容抗扰度的一项重要测试项目，其目的是验证电磁场由空间耦合到被测设备后，被测设备对此方面的抗干扰能力。图1为辐射抗扰度测试简图。

实际测试除上述信号源、功率放大器、天线、铁氧体、尖劈，还有功率计、定向耦合器、GPIB、计算机等辅助设备，是一个复杂的测试系统。进行现场测试时非常不便，如果进行跨省测试几乎是不可能的。为此，需要一套小型化检测装备在没有测试系统的情况下对被测物进行定性分析。

二、实现方法

国际辐射抗扰度标准（IEC60601-1-2）中描述了手机、步话机和无绳电话等通讯设备产生的电磁场可以部分模拟辐射抗扰度骚扰源。就在在今年，课题组协同上海TUV电磁兼容检测人员在现场检测的过程中也探讨了这方面的问题，使用手机和步话机在大型设备现场是国际上的通用方法。而步话机的通讯范围一般在18公里，一个如此小巧的手台具有这样的传输能力说明其发射功率是相当惊人的。其内部结构包括频率调谐、微型功放、发射天线等装置，极其类似辐射抗扰度系统的基本配置，通过单极天线的空间发射原理可以推断步话机单极天线在发射状态下具有很强的空间辐射场强。

如图2所示，步话机在单极天线垂直方向平行与被测设备。辐射抗扰度标准中，工业类设备抗扰度等级为10V/m。这样，如何控制空间辐射场强量级成为另一关键点。

如图3所示，把步话机至于全电波暗室中，可以将需要测试或设置的频率调整为发射状态，调整步话机功率发射电平，调整步话机天线与场强探头之间的距离，当场强探头转换器输出达到10V/m要求时，记录此时标尺的距离刻度、频率点等信息。

三、理论模型验证

竖直的具有四分之一波长的天线称为单极子天线。单极子天线是由直接垂直安装在地面或导电平面上的直导体组成的天线。如图4所示，在三维空间中模拟单极子天线模型。

图5为单极子天线的激励源（即发射源），这些激励源的参数可以通过一个控制器进行智能控制，从而可以动态调整单极子天线的有效长度、辐射功率、辐射方向图等参数以适应各种情况的高频通信系统。图6为单极子天线和一根加载传输线的互耦，红色点及红色直线为发射点，蓝色点为线缆耦合端口。使用地面来模拟一个无限大导体地板。

在现代天线设计中，利用电磁场仿真软件对天线进行仿真成为天线设计的主要方式。本文使用的电磁场仿真软件采用时域有限差分法，在时域进行计算。由于激励信号可以是具有很宽频谱分量的窄脉冲，与傅里叶变换相结合，可以通过一次计算得到计算对象所需频带宽度内的特性，因此特别适合宽带问题的研究。

瞬变问题或时域问题：线天线的瞬变问题或线天线的时域问题有三种求解方法。经典法或傅里叶变换法：先求出线天线的频域解，然后再利用傅里叶变换将频域解化为时域解；直接时域解法：先建立以线天线的时空分布为待求函数的时域积分方程，然后用数值法求解，从而得到输入特性和辐射特性。在这里，线天线本身和时间都必须分割成小段。但线天线的时域严格解，只有当线天线为无限长时才能求得；奇异性展开法：主要是用复频率平面上的奇异性展开来表示线天线的时域响应。根据实验发现，用脉冲源激励的天线或散射体的瞬变响应主要由一些衰减的正弦型响应组成，而每个响应的特征是用拉普拉斯变换复频率平面上的一个极点或一对极点来表示。天线或散射体在这些极点附近的频率有很大的电磁响应。这就引出了奇异性展开法。宽频带的脉冲激发了这些极点，后者则是天线或散射体自由振荡的解。自然模的波形与源脉冲波形无关，但其复振幅系数（称为耦合系数或谐振强度）却与源函数有关。图7、图8分别为空间求解域和求解域辐射方式。

图1 辐射抗扰度测试简图

图2

图3

图4 三维空间中模拟单极子天线模型

图5 单极子天线的激励源

图6 单极子天线和一根加载传输线的互耦

图7 空间求解域

图8 求解域辐射方式

图9 天线辐射角度极化方向图

图10 天线辐射场强分布3D图

天线的作用是将发射机送来的高频电流(或导波)变换为无线电波并传送到空间；将空间传来的无线电波转变为接收机能够传送的高频电流。因此，天线是一个导波和辐射波的变换装置，即能量转换器件。由于时变电流能辐射电磁波，因而天线也被称为辐射源。但要产生有效的辐射或接收，它的结构应当是一个开放系统。

为了有效地将能量从发射机馈送到天线，或将空间电磁波转换成高频电流(或导波)送至接收机，需要解决如下三个问题：第一，有效地进行能量转换，提高辐射功率或提高天线系统的信噪比。天线作为传输线的终端负载，要求天线与传输线匹配；第二，天线作为一直辐射或接收器件，应具有向所需方向辐射无线电波的能力；第三，天线作为极化器件分为线极化、圆极化和椭圆极化三种。同一系统中收、发天线应具有相同的极化形式，若不一致，则产生极化失配。图9、图10分别为天线辐射角度极化方向图和天线辐射场强分布3D图。

由图10可以看出在发射天线耦合的空间场强以天线拉杆为轴心向外发射，场强逐渐递增，也就是说单极天线在求解域最外场辐射能量均匀稳定，天线垂直面与被测物平行时，场强和均匀性达到最理想状态，这也为实际检测工作提供了指导性理论依据。

四、总结

本文首先介绍了平面单极子天线的分析理论和单极子天线的辐射机理，然后利用仿真软件对单极子天线进行了仿真。通过观察天线辐射场强分布图和方向图，验证了所做工作的正确性，完成了现场辐射抗扰度测试，并在齐齐哈尔重型机床厂的现场试验中达到了预期效果，并协助企业找到了其数控系统辐射敏感频率点。

[1]JB/T8832-2001机床数控系统[J].通用技术条件.

[2]电子设备的电磁兼容设计[M].电子工业出版社.

[3]世纪星数控装置[S].武汉华中数控股份有限公司.

Research on the Test Method of Radiated Radio Frequency Electromagnetic Field Immunity

LV Ming-zhu1，LIU shi-xun2
（1.Department of Automatic Control，Liaoning TV& Radio University，Shenyang，China，110034 2.CQC（ShenYang）North Laboratory，Shenyang，China，110141）

The paper discussed the test method of radiated radio frequency electromagnetic field immunity.Furthermore，by simulating the principle of emission for the monopole antenna，the stong radiated electromagnetic field strength is verif i ed during emission.Theory basis.for further testing is also provided.

radiated radio frequency electromagnetic field；immunity；the monopole antenna

沈阳市科技专项资金资助(F10-171-8-00)。

吕明珠（1980—），女，硕士研究生，讲师，主要从事电磁兼容和自动控制领域的教学和研究。

刘世勋（1980—），男，硕士研究生，工程师，主要从事机电产品的电磁兼容检测和研究。