半电波暗室归一化场地衰减测试探讨

王权，苏宗文，李澍，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050

半电波暗室归一化场地衰减测试探讨

王权，苏宗文，李澍，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050

本文首先阐述了评估电波暗室性能的归一化场地衰减测试（NSA）的测试原理和方法，计算了理想状态3 m和10 m测试条件下的NSA理论值，并分析了电磁兼容归一化场地衰减测试的一般性步骤。然后对半电波暗室进行了初步测试并得到了实际测量数据。最后讨论了影响测试结果的一般性因素，结果表明评估暗室系统可正常运行。

半电波暗室；归一化场地衰减；场地电压驻波比；电磁兼容；10米法

1 电波暗室和归一化场地衰减

电波暗室是在电磁屏蔽室的基础上，在四墙内壁及顶壁上安装吸波材料并保留地面为电磁波理想反射面，从而模拟开阔场的测试条件[1-2]。电波暗室因四壁能够吸收无线电波，故在无线电骚扰（EMI测试，GB 4824）和辐射敏感度（EMS测试，GB/T 17626.3）的测量中，测量的精度较高，是目前国内外流行和比较理想的电磁兼容测试场地。一般来说，电波暗室按照测试距离分类可以分为3 米法、5 米法和10 米法，不同的电波暗室的有效测试区域不同，一般来说，测试距离越大，电波暗室的有效测试区域越大。对于较大的受试设备（Equipment Under Test，EUT），一般优先选择10 米法进行测试。同时，GB 4824标准规定，若对测试结果有争议，一般以10 米法的测试结果为最终结果。

但是电波暗室在进行EMI和EMS测试时，场地本身需要满足一定的要求，包括归一化场地衰减（Normalized Site Attenuation，NSA）、场地电压驻波比（SVSWR）、场均匀性（FU）和环境底噪（AN）[3]。NSA是评价电波暗室性能的核心指标,它的结果直接决定了电波暗室的整体性能以及是否可用于EMI及EMS测试。

2 NSA的理论计算

NSA综合考虑电磁场（30～1000 MHz）的空间直射效应和金属平面（地面）反射效应，按照空间电磁波叠加理论，计算在接收点电磁波场强。为了使测试结果更接近理论值，发射与接收试验均要求场地足够大，同时满足光洁、平整、电导率一致等要求。

Smith et al[4]在1982年提出了NSA的理论计算模型。该模型于1987年被ANSI C63.4委员会采用，并作为标准计算模型：

式（1）中，NSATH为NSA理论值，fm为电磁波频率频率（MHz），EDMAX为天线最大接收场强。EDMAX是NSA理论计算模型中最重要的参数，它被定义为在给定频率、发射天线高度固定条件下，接收天线在规定高度范围内扫描取得的电场最大值。由于电磁场水平极化特性和垂直极化特性并不一致。因此，EDMAX需要收发天线在两个方向上分别计算，并相应记为EDHMAX和EDVMAX。

水平极化波和垂直极化波的传播模型，见图1。考虑到接收天线在水平方向无位移，垂直方向1.5 m和2 m两个高度均需测试，所以接收端的场强为空间直射波与金属地面反射波的叠加[5]。根据电磁场传播的数学模型，天线水平方向和天线垂直方向的接收电场强度分别表示为：

其中，d1/ d2为电磁场空间直射/地面反射波传输距离，h1/ h2为发射天线/接受天线的高度，R为天线之间的距离，ρ为反射系数，σ为地面导电率，ϕ为反射波相角，λ为特定频率下的波长，K为相对介电常数，γ为入射角。在不考虑天线及探头的近场效应，假设发射平面为理想的全反射平面，并认为天线四周为反射很小的吸波材料的条件下，取K=1，σ取铜的导电率，可计算出3 m和10 m条件下开阔场NSA理论值（频率范围30 MHz-1 GHz）[6]，见图2。

图1 电场传播模型

图2 3 m和10 m条件下开阔场NSA理论值

3 NSA的测量方法

半电波暗室是为了代替开阔试验场面进行试验，暗室中的NSA测试值就应和开阔试验场保持一致。CISPR 16-1-4 Ed3:2012要求，NSA测试值与理论值差异应小于±4 dB。CISPR-16-1-4对半电波暗室模拟开阔场的NSA测量做了如下规定：① 不使用调谐偶极子天线进行测量，使用用双锥天线（30～200 MHz）和对数周期天线（200 MHz～l GHz）等宽带天线进行测量；② 多点测量。EUT具有一定体积，设备上各个关键点与四壁吸波材料距离不同，应对EUT所在空间进行多点NSA测量。标准规定在发射天线所处中心位置（C）及前（F）、后(B)、左(L)、右(R)距离0.75 m等5个点，以及不同高度（接收天线垂直极化：1 m、1.5 m，水平极化：1 m、2 m）下进行。因此总共要进行20种组合情况下的NSA测量，包括5个位置、2个高度、2种极化[7]。用于试验场地的垂直（水平）极化NSA测量时的典型天线位置的示意图，见图3。

图3 试验布置示意图

NSA一般测试步骤对半电波和全电波暗室均可使用，但需要注意在天线布置上略有差异，见图4。由于NSA测试方法需要考虑发射天线和接收天线在自由空间的天线系数，因此在试验过程中需要考虑天线系数的校准不确定度值。

图4 NSA一般测试步骤流程图

4 测试结果与讨论

根据以上实验要求及试验方法对新建半电波暗室进行场地归一化测试验证（30 MHz～1 GHz），测试结果，见图5和图6，所测指标均符合标准要求。

从图4可以看出，在30～200 MHz范围内，在水平极化条件下，天线在不同测量位置的测量的结果一致性较高。相比之下，垂直极化条件下不同测试的结果一致性较差。经计算，水平极化条件下12条测试曲线的标准差σ=0.25725，垂直极化条件下12条测试曲线的标准差σ=0.43982。造成这个现象的原因是水平极化天线主要对水平电磁波敏感。水平电磁波主要受到水平反射面影响（地面、顶面），考虑到顶面距测试位置较远，因此主要由地反射面影响。对于半电波暗室来说，地面是光滑的金属平面，电磁一致性较好，因此不同位置下的测试结果较为一致；而垂直极化天线主要对垂直电磁波敏感。垂直电磁波主要受到垂直反射面（四周铁氧体吸波材料）决定，由于铁氧体材料安装的差异性和不同测试点和铁氧体距离不同，造成结果具有较大差异。

对比30～200 MHz和200 MHz～l GHz测试数据同时可以看出，30～200 MHz条件下测试结果偏离标准值较大，最大偏离达到了+2.7 dB；而在200 MHz～l GHz条件下最大偏移为0.9 dB。这是由于双锥天线(30～200 MHz)和对数周期天线(200 MHz～l GHz)方向特性的不同，对数周期天线的峰值旁瓣比绝对值高，输出功率主要集中在天线正前方，因此暗室四壁吸波材料对测试结果影响比较小；而双锥天线峰值旁瓣比绝对值低，天线输出功率的方向性较为平均，对暗室四壁的吸波性能要求更高。因此对于同一个半电波暗室，对数周期天线的NSA特性比双锥天线的NSA特性好很多。

对于双天线暗室来说，由于双天线同时工作，因此需要针对天线左轴和右轴分别进行NSA测试，两次测试均合格才能保证系统可用，见图5。分别比较3 m转台和10 m转台左右轴的NSA值可以看出，同一转台条件下天线左轴和右轴NSA差异性很小，说明暗室设计时充分考虑了对称性要求，具有很高的对称性。双转台和双天线条件下暗室对称性能比较，见图6。

图5 频率范围（30 MHz-200 MHz，200 MHz-1 GHz）NSA测试值

图6 双转台和双天线条件下暗室对称性能比较

5 结论

综上所述，新建电波暗室NSA值小于±3.5 dB，是一个比较合适的半电波暗室测试场地。一般来说，一个好的电波暗室，需要从设计之初就进行科学的实验仿真、工程准备，选用好的屏蔽、吸波材料，才能得到理想的NSA测量值。对于在测量过程中出现较大偏差，应先寻找由仪器、天线系数、测量方法引入的误差。若仍不合格，可用垂直极化测试来确定不规范点，进一步分析暗室的结构布置是否存在问题。

[1] 吴钒,武彤.30～1000MHz天线校准系统研制报告[R].北京:中国计量科学研究院,2002.

[2] 王培连,陈嘉晔,殷磊,等.10m法半电波暗室是电气医疗设备辐射骚扰测量场地的最优选择[J].中国医疗器械信息,2010, 16(3):42-43,60.

[3] 电子工业部标准化研究所.GB 9254—1998信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法[S].北京:中国标准出版社,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] 李潇,朱云.电波暗室场地驻波比测试方法及测试系统构建.安全与电磁兼容,2007,(5):29-32.

[6] 赵金奎.半电波暗室的技术要求[J].安全与电磁兼容,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

中国食品药品检定研究院中青年发展研究基金课题任务书（2014C6）。

李澍，副研究员，主要研究方向为有源医疗器械电磁兼容检测，有源植入医疗器械质量评价方法研究。

通讯作者邮箱：guangjidian@nifdc.org.cn