混响室条件下辐射敏感度表征方法研究

贾锐， 王庆国， 王树峤， 程二威， 刘逸飞

(军械工程学院 电磁环境模拟国家重点实验室， 河北，石家庄 050003)



混响室条件下辐射敏感度表征方法研究

贾锐， 王庆国， 王树峤， 程二威， 刘逸飞

(军械工程学院 电磁环境模拟国家重点实验室， 河北，石家庄 050003)

为确定混响室条件下辐射敏感度的表征方法，分别对混响室步进模式和连续模式下的电磁环境特征进行分析，得出可能的几种表征方法. 再将某型电子设备分别在两种工作模式下进行电磁辐射敏感度测试，利用几种可能的表征方法分别得出其测试结果，并对各个表征方法进行分析. 基于贝塞尔公式对各个可能的表征方法进行重复性及不确定检测. 结果表明，为了获得良好的测试可重复性及不同模式的测试结果相关性，混响室步进模式时，可采用多个步进位置的平均值作为辐射敏感度的测试结果；混响室工作于连续模式时，应当选择适当的统计平均时间参数对测试结果进行表征.

混响室；辐射敏感度；表征方法；统计平均时间参数；不确定度

近年来，混响室以其独特的电磁环境特征，被越来越多的国际标准所接受，在电磁兼容测试场地中发挥着重要作用[1-2]. 典型的机械搅拌混响室是装备有一个或多个机械搅拌器的高导电率金属谐振腔，内置的搅拌器以步进模式或连续模式进行转动，从而改变腔体内电磁场的边界条件[3-4]. 混响室的工作原理是通过改变工作区域电磁场的边界条件，从而改变电磁模式分布情况. 对于机械搅拌混响室来说，边界条件改变越明显，其内部电磁模式分布变化越大. 同时，无论混响室工作于步进模式还是连续模式，正是由于腔体内电磁环境的边界条件变化过于频繁，使得测试区域内的电磁环境呈现出波动状态.

混响室作为一个基于统计理论的电磁测试环境，其内部电磁环境在不同边界条件的扰动情况下会有非常大的不同[5-6]. 利用混响室进行电磁辐射敏感度实验时，机械搅拌器位于不同搅拌位置时，其受试设备所面临的干扰电磁场，无论是幅值大小，还是入射方向、极化方向都有所不同. 不同的电磁环境的测试结果肯定也是不同的，这就给混响室条件下辐射敏感度测试的可重复性造成了非常大的困难. 因此，用什么样的测试结果表征电磁敏感度阈值，也是需要通过试验总结和确定的一个研究内容.

本文正式着眼于此，将受试设备分别置于混响室两种工作模式当中，进行电磁辐射敏感度测试，并对不同表征方法得出的测试结果进行分析. 最后得出符合混响室“全向辐射”电磁环境特征的辐射敏感度表征方法.

1 混响室条件下电磁辐射敏感度表征原则

混响室内特有的“全向辐射”电磁环境决定了辐射敏感度必须有不同与其它传统测试场地的表征方法. 一方面，搅拌器停留在某一独立搅拌位置上时，混响室内的电磁场空间分布不均匀，有一定强弱分布的规律，尤其对于系统级装备，不同分系统由于摆放布局位置不同，所经受的场强幅值也不同；另一方面，由于混响室统计特性，受试设备的电磁敏感度在不同搅拌器位置时会有明显的差别. 通常，判断一种测试方法是否可行的原则有两个：该测试方法的测试可重复性；混响室不同工作模式测试结果的一致性.

对于步进搅拌模式，受试设备辐射敏感度可能的表征方法有3种：① 所有搅拌位置测试结果的最小值；② 所有测试结果的最大值；③ 所有搅拌位置测试结果的平均值. 对于连续模式，可能的表征方法有：① 搅拌器旋转一周测得的最大值；② 搅拌器旋转一周测得的最小值；③ 取一定时间内测试结果的平均值.

目前，国际标准中规定受试设备的尺寸不得超过混响室容积的8%，加载后不会明显影响混响室内电磁场分布规律. 在满足这个要求的基础上，对多个电子设备进行混响室电磁辐射敏感度测试，文中选取其中一个电子设备的测试结果为例，研究不同工作模式下不同敏感度表征方法的测试结果.

2 辐射敏感度表征方法研究

2.1 步进模式

当混响室工作于步进模式时，有3种可能的表征方法. 将不同表征方法总结起来就是搅拌器多个步进位置的平均值或极值，其中极值分为最大值和最小值.

将受试设备置于混响室测试区域内，经过校准后，测试区域内场均匀性满足测试要求，方可开始进行测试. 考虑到保密要求，这里只给出测试频点数目，而对具体频点位置和敏感阈值单位进行隐藏. 图1给出了步进模式下，利用3种可能成为辐射敏感度测试结果的表征方法5次的测试结果.

图1给出了采用多个步进位置的平均值，多个位置的最大值及最小值作为敏感度阈值的5次重复性测试曲线. 从图中可以清楚看出，不同表征方法的测试结果，其敏感度趋势都是一致的. 同时，采用多个步进位置平均值作为测试结果，其测试可重复性要优于仅提取某一个搅拌器位置时所测得的的极值作为测试结果的情况. 对比采用多个搅拌位置极值的两种情况，采用最小值作为测试结果，其测试可重复性要优于采用最大值的测试结果.

考虑到混响室内“全向辐射”电磁环境特征，其敏感度测试结果必须与其环境特点相吻合. 当搅拌器停留在某一位置时，混响室内电磁环境并不能呈现出各向同性、统计均匀等混响室所独有的电磁环境特征. 当观察点在测试区域空间某点时，各个方向上的电磁辐射并不相等，极化方向也是随机的，其电磁特征失去了方向特性. 故此时的瞬时测试结果并不能代表混响室特殊电磁环境内的敏感度阈值. 因此，考虑到测试可重复性以及“全向辐射”电磁环境特征，步进模式选用多个步进位置平均值作为敏感度阈值是更有效的选择.

若是要考察受试设备的电磁辐射敏感度的极值，步进条件下多个搅拌位置测试结果的最小值也可作为测试结果. 但要注意，采用多个搅拌位置最小值作为测试结果，其反映的电磁场并非是典型混响室内电磁环境特征. 原因在于搅拌器停留在某一搅拌位置时，混响室腔体内电磁场强弱分布并不均匀，且失去了方向特性. 此时，与开阔场或暗室等传统电磁兼容测试场地相比，无论是测试时间还是敏感方向的寻找，混响室都毫无优势.

2.2 连续模式

与步进搅拌模式不同，当混响室工作于连续模式时，腔体内的搅拌器不再步进搅拌，而是连续转动. 由于搅拌器连续转动，造成混响室腔体内的电磁场也处于不稳定状态，即腔体内的电磁场分布处于时刻变化的状态. 此时，对混响室内瞬时场强的提取是没有意义的. 利用场强计的fast-mode模式采集数据，数据会有很大突变，而且可重复性差.

实际上，混响室的一个重要特点就是统计均匀，即一定时间内混响室内的电磁场是统计均匀的. 若是对搅拌器转动过程中某一时间内的场进行统计平均，场强探头的测试可行性以及测试的可重复性是否都会有所改善. 把统计平均的时间定义为统计平均时间参数(statistic mean time ，SMT)，这是连续搅拌模式的一个很重要的参数.

图2给出了某敏感频率处，直接提取测试区域场强50次的实验数据. 由图可以看出，数据波动非常大，50次测试结果几乎没有任何重复性. 显然，直接提取测试区域场强很难作为连续模式条件下辐射敏感度的测试结果.

图3，图4分别给出了统计平均时间参数为1 s和4 s时的测试结果.

通过对比可以看出其波动性要小于图2直接提取场强的结果，且统计平均时间参数越长其测试结果的重复性越好. 但并不是统计平均时间参数越长越好，在考虑到重复性的同时还应考虑到由于选择较长统计平均时间参数带来的场的滞后性. 选择较长的统计平均时间参数尽管可以得到较好的测试可重复性，但也会使得场强计采集到的场强值会滞后于被测设备受到干扰时的电场，此时场强计所输出的场强值并不是受试设备产生效应时所处的电磁场. 这说明选择合适的统计时间参数可以得到重复性良好的测试结果. 针对不同的受试设备，需要选择不同的统计平均时间参数. 对受试设备进行敏感度测试时，利用自编软件，对多个统计平均时间参数的测试结果进行提取. 再计算多个统计平均时间参数测试结果的标准偏差，随着统计平均时间参数的增大，其测试标准偏差逐渐减小. 选取标准偏差趋于平稳的第一个时间参数作为该设备的统计平均时间参数. 因此连续模式的测试结果可利用统计平均时间参数来得到重复性良好的测试结果.

2.3 两种工作模式测试结果对比

为检验两种工作模式选用的表征方法是否合适，除了重复性因素外，还要考虑两种模式的测试结果的相关性. 图5给出了混响室两种工作模式条件下，同一受试设备在9个不同频点下的测试结果. 步进模式选择IEC61000-4-21中规定的至少12个独立搅拌位置. 实线为步进模式采用12个步进位置平均值的测试结果，虚线为连续模式采用统计平均时间参数为4 s的测试结果. 通过图5可看出两种工作模式测试结果的趋势是一致的. 这说明，两种工作模式选用的敏感度表征方法在满足重复性的基础上，也满足第二个判断指标，即测试相关性.

图5中，步进模式的测试结果要略大于连续模式的测试结果. 这是由于当混响室工作于步进模式时，选取的是所有的12个步进位置的平均值作为测试结果，这12个步进位置的测试区域内电场幅值是不同的，这中间包含了一些较弱的场. 而连续搅拌模式则是忽略了弱场，只在测试区域内电场幅值较强时，提取的测试结果. 因此，步进模式的测试结果是强场弱场条件下的综合测试结果，而连续模式的测试结果主要反映受试设备在强场条件下的敏感度阈值. 这也解释了步进模式的测试结果略大于连续模式测试结果的原因.

3 误差分析

分别从统计学理论和不确定度理论两个方面分析不同表征方法的重复性. 统计学方面，利用贝塞尔公式计算测试结果的实验标准偏差；不确定度理论方面，计算平均值的实验标准偏差.

式(1)为贝塞尔公式，其物理意义为单次测量的实验标准偏差；式(2)为基于贝塞尔公式的平均值实验标准偏差，在测量不确定度领域，式(2)成为测量值重复性引起的标准不确定度计算公式.

(1)

(2)

式中：x为测试样本值；N为样本数量. 图6表示了连续模式条件下5种表征方法的单次测试标准偏差和求取平均值以后的测试标准偏差. 由图6可以看出，当取代表瞬时值的fast-mode模式时，无论其单次测试标准偏差还是求取平均值后的标准偏差都是最大的，这与上一节的分析相同. 因此，利用混响室进行电磁辐射敏感度测试时，为取得良好的测试可重复性，应利用统计平均时间参数(tSM)使得测试结果更具普遍性.

4 结 论

混响室的两种工作模式搅拌器转动方式不同，腔体内电磁场边界条件变化方式不同，造成测试区域电磁场变化规律不同. 这就决定了利用混响室进行辐射敏感度测试时，不同工作方式需要不同与其他测试场地的表征方法. 通过实验研究，当混响室工作于步进模式时，选择多个步进位置测试结果的平均值，可获得良好的测试可重复性，多个步进位置测试测试结果的最小值也可作为一种表征方法，但其物理意义不同. 平均值表示受试设备对“全向辐照”电磁环境的敏感度阈值，而最小值表示受试设备的电磁辐射敏感度的极值，但由于混响室内电磁环境特征，此时失去了方向特性. 当混响室工作于连续模式时，若直接将瞬时场强定义为辐射敏感度，则测试结果没有可重复性. 若要达到良好的测试重复性，选用适当的统计平均时间参数即可获得. 利用自编软件，计算多个统计平均时间参数测试结果的标准偏差，随着统计平均时间参数的增大，其测试标准偏差逐渐减小. 选取标准偏差趋于平稳的第一个时间参数作为该设备的统计平均时间参数.

此外，还对混响室两种工作模式测试结果相关性进行了研究. 最后，利用贝塞尔公式对两种工作模式的测试不确定度进行了分析. 结果表明，步进模式取多个搅拌位置测试结果均值，连续模式取时间参数均值作为测试结果时，两种工作模式测试结果的相关性最高.

[1] International Electrotechnical Commission (IEC). IEC61000-4-21: electromagnetic compability(EMC)-Part 4-21: testing and measurement techniques-reverberation chamber test methods[S]. [S.l.]: EM, 2011.

[2] 刘逸飞，陈永光，王庆国，等.频率搅拌混响室场均匀性与搅拌带宽选取方法分析[J].高电压技术，2012，38(9)：2354-2359.

Liu Yifei， Chen Yongguang， Wang Qingguo，et al. Analysis of field uniformity and stirring bandwidth in frequency stirring reverberation chamber[J]. High Voltage Engineering， 2012，38(9)：2354-2359.(in Chinese)

[3] 袁智勇，何金良，曾嵘，等.电磁兼容试验中的混响室技术[J].高电压技术，2005，31(3)：56-58.

Yuan Zhiyong， He Jinliang， Zeng Rong， et al. Technology of the reverberation chamber for EMC test[J]. High Voltage Engineering， 2005，31(3)：56-58.(in Chinese)

[4] 贾锐，王庆国，程二威.混响室散射场条件下的场线耦合数值计算[J].高电压技术， 2012，38(11)：2823-2827.

Jia Rui， Wang Qingguo， Cheng Erwei. Numerical calculation for field-line coupling of diffuse fields in reverberation chamber[J]. High Voltage Engineering， 2012，38(11)：2823-2827. (in Chinese)

[5] 王庆国，贾锐，程二威.混响室连续搅拌工作模式下的辐射抗扰度测试研究[J].高电压技术，2010，36(12)：2954-2959.

Wang Qingguo， Jia Rui， Cheng Erwei. Test methods of radiated immunity in reverberation chamber with continuously moving stirrer[J]. High Voltage Engineering， 2010，36(12)：2954-2959. (in Chinese)

[6] Kent Madsen， Paul Hallbjorner， Charlie Orlenius. Models for the number of independent samples in reverberation chamber measurements with mechanical，frequency， and combined stirring[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2004，3(1)：48-51.

(责任编辑：刘芳)

Research on the Characterization of Susceptibility Threshold in Reverberation Chamber

JIA Rui， WANG Qing-guo， WANG Shu-qiao， CHENG Er-wei， LIU Yi-fei

(Electrostatic & Electromagnetic Protection Institute， Mechanical Engineering College， Shijiazhuang, Hebei 050003， China)

In order to determine the characterization of susceptibility threshold in reverberation chamber, the electromagnetic fields of two working modes were analyzed, and some possible characterization methods were proposed. A typically electrical device was fixed inside reverberation chamber (RC) to investigate the measurement results of the possible characterization methods, analyzing every characterization method. Furthermore, Bessel functions were used to test the repeatability and uncertainty of the proposed methods. The results show that the mean values in turned-mode and statistic mean time (SMT) in stirred-mode can obtain the good repeatable susceptibility threshold and correlation between different work modes.

reverberation chamber; susceptibility threshold; characterization; statistic mean time (SMT); uncertainty

2013-08-09

国家自然科学基金资助项目(51277180，51107147)；国家重点实验室基金资助项目(9140C87020211JB34)

贾锐(1986—)，男，博士，E-mail:jiaruii15@163.com.

TN 97； O 441

A

1001-0645(2016)01-0100-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.018