賈銳,王慶國,程二威,李許東,曲兆明

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊 050003)

混響室條件下電子設(shè)備輻射敏感度測試方法

賈銳,王慶國,程二威,李許東,曲兆明

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊 050003)

按照連續(xù)攪拌和步進(jìn)攪拌2種運(yùn)行模式,構(gòu)建了混響室條件下電子裝備輻射敏感度的測試系統(tǒng),對(duì)典型衛(wèi)生醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行了抗擾度測試,研究了混響室的不同工作模式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.結(jié)果表明:攪拌器工作于步進(jìn)模式時(shí)受試設(shè)備的敏感度要高于連續(xù)攪拌情況,連續(xù)攪拌模式下,攪拌器的攪拌速度越快,受試設(shè)備的敏感度越低.

電磁兼容;混響室;輻射敏感度測試;敏感度

近年來,混響室由于其獨(dú)特的性能逐漸成為研究熱點(diǎn)[1],在電磁兼容測試領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色,成為眾多模擬現(xiàn)實(shí)空間中復(fù)雜電磁環(huán)境方法中優(yōu)先考慮的技術(shù)[2-4].但無論國內(nèi)還是國外,鮮見關(guān)于混響室對(duì)電子系統(tǒng)敏感度測試方法的文章.在已有的關(guān)于混響室測試標(biāo)準(zhǔn)中,也沒有規(guī)定混響室2種工作方式的輻射敏感度測試方法,特別是沒有對(duì)連續(xù)攪拌模式進(jìn)行詳細(xì)的描述.因此,對(duì)混響室測試方法進(jìn)行研究具有非常重要的意義.本研究是通過在混響室內(nèi)對(duì)軍用型號(hào)為ECG-6951E的心電圖機(jī)進(jìn)行輻射敏感度測試,探究混響室條件下合理的,具有良好重復(fù)性的敏感度測試方法.本研究是在軍械工程學(xué)院國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中的大型混響室內(nèi)進(jìn)行的,所用的混響室尺寸為10.5 m×8.0 m×4.3 m.

1 混響室概述

混響室由于其高反射性的墻壁以及內(nèi)置的攪拌器,可在屏蔽腔體內(nèi)形成一個(gè)空間均勻、各向同性、隨機(jī)極化的電磁環(huán)境[5-6].在機(jī)械攪拌器的作用下,混響室內(nèi)任意位置的電場(磁場)的能量密度、相位、極化和入射方向均按某一統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律隨機(jī)變化.混響室內(nèi)存在很多諧振模式,這些諧振模式在腔體內(nèi)形成空間駐波,每個(gè)諧振模式形成駐波的波峰和波谷位置各不相同.空間內(nèi)任意一點(diǎn)的場是許多諧振模式的疊加,而且諧振模式越多,場就越均勻[7].

混響室剛建成或內(nèi)部配置發(fā)生重大變化時(shí)都要進(jìn)行校準(zhǔn)[8-9],校準(zhǔn)的目的在于使得混響室內(nèi)部工作區(qū)域的場強(qiáng)滿足均勻性要求.按照校準(zhǔn)時(shí)混響室內(nèi)攪拌器的工作方式來分,校準(zhǔn)的方法分為步進(jìn)法和連續(xù)法,每種校準(zhǔn)方式的具體方法以及混響室內(nèi)部工作區(qū)域場強(qiáng)均勻性要求在文獻(xiàn)[9]中都給出了詳細(xì)說明.

同校準(zhǔn)一樣,混響室的工作方式也可分為步進(jìn)攪拌模式和連續(xù)攪拌模式2種.步進(jìn)攪拌模式時(shí),攪拌器以一定的步長步進(jìn)攪拌.在給定頻率下,受試設(shè)備的響應(yīng)為攪拌器旋轉(zhuǎn)1周后所有步進(jìn)位置響應(yīng)的平均值.其中當(dāng)混響室工作于步進(jìn)攪拌模式時(shí),其采樣點(diǎn)數(shù)以及頻率數(shù)應(yīng)滿足相應(yīng)的要求.當(dāng)工作于連續(xù)攪拌模式時(shí),首先要確定攪拌器的攪拌速度,以保證受試設(shè)備有足夠的時(shí)間用來對(duì)外部變化電磁場響應(yīng)[4].2種工作方式各有特點(diǎn),使用時(shí)應(yīng)當(dāng)按照受試設(shè)備的不同和測試的目的要求進(jìn)行合理選擇.本研究是對(duì)典型受試設(shè)備進(jìn)行輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn),探究混響室不同的工作方式對(duì)測試結(jié)果的影響.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

近年來,混響室主要用于輻射抗擾度測試、輻射發(fā)射測試和屏蔽效能測試等.本研究正是混響室在輻射抗擾度方面的應(yīng)用.

受試設(shè)備選擇軍用醫(yī)療設(shè)備,型號(hào)為ECG-9651E的心電圖機(jī).輻射裝置由信號(hào)發(fā)生器,功率放大器,天線組成.天線使用對(duì)數(shù)周期天線.使用NADAR公司生產(chǎn)的EMR-200型場強(qiáng)計(jì)記錄輻射場的場強(qiáng)值.利用監(jiān)視儀對(duì)EU T的輸出波形進(jìn)行監(jiān)測.

3 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

測試時(shí),分別在2種工作模式條件下進(jìn)行80～1 024 M Hz頻段的掃頻測試.發(fā)現(xiàn)無論混響室工作于哪種工作模式,當(dāng)頻率大于400 M Hz時(shí),受試設(shè)備的輸出波形都會(huì)持續(xù)發(fā)生變化,于是選擇400,500,600, 700,800,900和1000 M Hz為測試頻點(diǎn).用這些頻率的電磁波依次對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行輻照,調(diào)節(jié)功率放大器,改變輸入混響室內(nèi)的功率,從而改變測試區(qū)域的電場強(qiáng)度.記錄受試設(shè)備的干擾閾值,即受試設(shè)備輸出信號(hào)不發(fā)生變化時(shí),受試設(shè)備所經(jīng)受的最大電場強(qiáng)度.混響室模擬的是一種統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性、隨機(jī)極化的復(fù)雜電磁環(huán)境.位于腔體內(nèi)部的受試設(shè)備在各個(gè)方向上都受到輻照,是一種全向測試.因此利用混響室進(jìn)行測試時(shí),不需進(jìn)行設(shè)備位置和放置姿態(tài)的改變,就可以得到受試設(shè)備最敏感部位的干擾閾值.

混響室工作于步進(jìn)攪拌模式.根據(jù)文獻(xiàn)[9]規(guī)定,混響室內(nèi)部1號(hào)攪拌器每次旋轉(zhuǎn)180°,2號(hào)攪拌器每次旋轉(zhuǎn)60°.在2個(gè)攪拌器共同作用下,旋轉(zhuǎn)1周的過程中構(gòu)建了符合文獻(xiàn)[9]規(guī)定的12個(gè)不同的邊界條件.每個(gè)測試頻點(diǎn)的測試結(jié)果都是12個(gè)不同步進(jìn)位置的敏感閾值的平均值.保持?jǐn)嚢杵鞯?2個(gè)步進(jìn)位置不變,進(jìn)行5次測試,圖1給出了受試設(shè)備敏感閾值的5次測試結(jié)果.

從圖1可見,當(dāng)混響室工作于步進(jìn)模式時(shí),測試結(jié)果重復(fù)性并不理想.圖1中可看到最大值和最小值相差達(dá)87 V/m.因此,利用步進(jìn)模式進(jìn)行測試,結(jié)果存在很強(qiáng)的隨機(jī)性,不能得到受試設(shè)備準(zhǔn)確的敏感閾值.步進(jìn)模式下進(jìn)行重復(fù)性測試時(shí),對(duì)于機(jī)械攪拌器來說,很難保證每次測試攪拌器的12個(gè)步進(jìn)位置保持一致.很大程度上,這也會(huì)影響到步進(jìn)模式的測量可重復(fù)性.

圖1 步進(jìn)模式測試結(jié)果Fig.1 Experimen t result of tuned-mode

當(dāng)混響室工作于連續(xù)攪拌模式時(shí),首先需要確定其攪拌速度.本研究選取1.5,3.0,6.0,8.0以及10.0 r/min等5種攪拌速度,分別對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行輻照.連續(xù)攪拌時(shí),混響室內(nèi)瞬時(shí)場強(qiáng)不穩(wěn)定,無法讀取相應(yīng)的場強(qiáng)值,為了取得更好的實(shí)驗(yàn)重復(fù)性,場強(qiáng)儀設(shè)置為讀取一定時(shí)間內(nèi)的平均場強(qiáng).EM R-200型場強(qiáng)計(jì)的fastmode模式為0.4 s輸出1個(gè)場強(qiáng)值,本實(shí)驗(yàn)采用其4 s平均功能,即每間隔4 s,場強(qiáng)儀輸出其所處環(huán)境4 s之內(nèi)10個(gè)瞬時(shí)場強(qiáng)的平均值,重復(fù)進(jìn)行5次相同的測試.圖2與圖3為受試設(shè)備在3,10 r/min的攪拌速度下的敏感閾值變化曲線.

從圖2,3中可以看出,不同攪拌速度下,受試設(shè)備隨頻率增加其敏感度變化趨勢是一致的.將步進(jìn)模式的測試結(jié)果和連續(xù)模式的測試結(jié)果在400～1 024 M Hz內(nèi)進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示.可見,隨著攪拌速度的增大,受試設(shè)備的敏感閾值有減小的趨勢.連續(xù)模式和步進(jìn)模式的測試結(jié)果差別較明顯,步進(jìn)模式的測試結(jié)果要比連續(xù)模式的高.步進(jìn)模式的測試結(jié)果反映的是受試設(shè)備對(duì)攪拌器旋轉(zhuǎn)1周內(nèi)的多個(gè)非均勻場的敏感閾值的疊加再平均,從而獲得一個(gè)統(tǒng)計(jì)均勻場的平均敏感閾值,而連續(xù)模式反映的是受試設(shè)備對(duì)攪拌器旋轉(zhuǎn)1周內(nèi)較強(qiáng)場的敏感閾值。所以,受試設(shè)備在連續(xù)攪拌模式下的敏感閾值要低于步進(jìn)攪拌模式下的敏感閾值,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致.

圖4 步進(jìn)模式和連續(xù)攪拌測試結(jié)果對(duì)比Fig.4 Results of tuned-mode and different rotate ratesof stirred mode

4 數(shù)據(jù)分析

用變異系數(shù)來表示測試結(jié)果重復(fù)性的好壞.變異系數(shù)可定義為測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值[10],數(shù)值越小,表示測試可重復(fù)性越好.

變異系數(shù)可表示為

表1為400～1 024 M Hz內(nèi),步進(jìn)模式和連續(xù)模式的測試結(jié)果的變異系數(shù)對(duì)比.通過表1可以看出連續(xù)模式測試結(jié)果的變異系數(shù)普遍小于步進(jìn)模式測試結(jié)果的變異系數(shù),這也說明連續(xù)模式的測試可重復(fù)性要優(yōu)于步進(jìn)模式.

表1 各頻點(diǎn)步進(jìn)和連續(xù)攪拌測試結(jié)果的變異系數(shù)Tab.1 Value for coeff icient of variation of tuned and stirred mode

5 結(jié)論

通過將受試設(shè)備分別在混響室的步進(jìn)攪拌模式和連續(xù)攪拌模式進(jìn)行敏感度閾值的測試,結(jié)果表明連續(xù)攪拌模式下的測試重復(fù)性優(yōu)于步進(jìn)攪拌模式.隨著攪拌速度的增加,受試設(shè)備的敏感度有增加的趨勢,受試設(shè)備在連續(xù)模式下的敏感閾值要低于步進(jìn)模式.此實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)以后利用混響室進(jìn)行設(shè)備敏感度測試時(shí)提供一定的參考.

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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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60671045)

賈銳(1986—),男,河南焦作人,軍械工程學(xué)院在讀碩士研究生,主要從事電磁環(huán)境模擬與防護(hù)技術(shù)研究.

王慶國(1964—),男,河北安平人,軍械工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,主要從事電磁防護(hù)理論與技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯:王蘭英)