遼寧廣播電視大學(xué)自控系 呂明珠

中認(rèn)（沈陽(yáng)）北方實(shí)驗(yàn)室 劉世勛

射頻電磁場(chǎng)抗擾度測(cè)試方法的研究

遼寧廣播電視大學(xué)自控系 呂明珠

中認(rèn)（沈陽(yáng)）北方實(shí)驗(yàn)室 劉世勛

本文討論了射頻電磁場(chǎng)抗擾度的測(cè)試方法。此外，通過(guò)模擬單極子天線的空間發(fā)射原理證明了在其發(fā)射狀態(tài)下具有很強(qiáng)的空間輻射場(chǎng)強(qiáng)，也為實(shí)際檢測(cè)工作提供了理論依據(jù)。

射頻電磁場(chǎng)；抗擾度；單極天線

一、研究目的

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，越來(lái)越多的帶有電磁輻射的設(shè)施進(jìn)入了人們生活和科技生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)我們所處環(huán)境的任何地方都存在著人為的電磁輻射。在這些電磁設(shè)備提供給人們現(xiàn)代化生活所必須的電能、通信、廣播等重要需求的同時(shí)，也使人們擔(dān)心“電磁污染”對(duì)人體健康的損害以及不同電磁波之間的相互干擾。

射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度是電磁兼容抗擾度的一項(xiàng)重要測(cè)試項(xiàng)目，其目的是驗(yàn)證電磁場(chǎng)由空間耦合到被測(cè)設(shè)備后，被測(cè)設(shè)備對(duì)此方面的抗干擾能力。圖1為輻射抗擾度測(cè)試簡(jiǎn)圖。

實(shí)際測(cè)試除上述信號(hào)源、功率放大器、天線、鐵氧體、尖劈，還有功率計(jì)、定向耦合器、GPIB、計(jì)算機(jī)等輔助設(shè)備，是一個(gè)復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)非常不便，如果進(jìn)行跨省測(cè)試幾乎是不可能的。為此，需要一套小型化檢測(cè)裝備在沒(méi)有測(cè)試系統(tǒng)的情況下對(duì)被測(cè)物進(jìn)行定性分析。

二、實(shí)現(xiàn)方法

國(guó)際輻射抗擾度標(biāo)準(zhǔn)（IEC60601-1-2）中描述了手機(jī)、步話機(jī)和無(wú)繩電話等通訊設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可以部分模擬輻射抗擾度騷擾源。就在在今年，課題組協(xié)同上海TUV電磁兼容檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的過(guò)程中也探討了這方面的問(wèn)題，使用手機(jī)和步話機(jī)在大型設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)是國(guó)際上的通用方法。而步話機(jī)的通訊范圍一般在18公里，一個(gè)如此小巧的手臺(tái)具有這樣的傳輸能力說(shuō)明其發(fā)射功率是相當(dāng)驚人的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括頻率調(diào)諧、微型功放、發(fā)射天線等裝置，極其類似輻射抗擾度系統(tǒng)的基本配置，通過(guò)單極天線的空間發(fā)射原理可以推斷步話機(jī)單極天線在發(fā)射狀態(tài)下具有很強(qiáng)的空間輻射場(chǎng)強(qiáng)。

如圖2所示，步話機(jī)在單極天線垂直方向平行與被測(cè)設(shè)備。輻射抗擾度標(biāo)準(zhǔn)中，工業(yè)類設(shè)備抗擾度等級(jí)為10V/m。這樣，如何控制空間輻射場(chǎng)強(qiáng)量級(jí)成為另一關(guān)鍵點(diǎn)。

如圖3所示，把步話機(jī)至于全電波暗室中，可以將需要測(cè)試或設(shè)置的頻率調(diào)整為發(fā)射狀態(tài)，調(diào)整步話機(jī)功率發(fā)射電平，調(diào)整步話機(jī)天線與場(chǎng)強(qiáng)探頭之間的距離，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)探頭轉(zhuǎn)換器輸出達(dá)到10V/m要求時(shí)，記錄此時(shí)標(biāo)尺的距離刻度、頻率點(diǎn)等信息。

三、理論模型驗(yàn)證

豎直的具有四分之一波長(zhǎng)的天線稱為單極子天線。單極子天線是由直接垂直安裝在地面或?qū)щ娖矫嫔系闹睂?dǎo)體組成的天線。如圖4所示，在三維空間中模擬單極子天線模型。

圖5為單極子天線的激勵(lì)源（即發(fā)射源），這些激勵(lì)源的參數(shù)可以通過(guò)一個(gè)控制器進(jìn)行智能控制，從而可以動(dòng)態(tài)調(diào)整單極子天線的有效長(zhǎng)度、輻射功率、輻射方向圖等參數(shù)以適應(yīng)各種情況的高頻通信系統(tǒng)。圖6為單極子天線和一根加載傳輸線的互耦，紅色點(diǎn)及紅色直線為發(fā)射點(diǎn)，藍(lán)色點(diǎn)為線纜耦合端口。使用地面來(lái)模擬一個(gè)無(wú)限大導(dǎo)體地板。

在現(xiàn)代天線設(shè)計(jì)中，利用電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真成為天線設(shè)計(jì)的主要方式。本文使用的電磁場(chǎng)仿真軟件采用時(shí)域有限差分法，在時(shí)域進(jìn)行計(jì)算。由于激勵(lì)信號(hào)可以是具有很寬頻譜分量的窄脈沖，與傅里葉變換相結(jié)合，可以通過(guò)一次計(jì)算得到計(jì)算對(duì)象所需頻帶寬度內(nèi)的特性，因此特別適合寬帶問(wèn)題的研究。

瞬變問(wèn)題或時(shí)域問(wèn)題：線天線的瞬變問(wèn)題或線天線的時(shí)域問(wèn)題有三種求解方法。經(jīng)典法或傅里葉變換法：先求出線天線的頻域解，然后再利用傅里葉變換將頻域解化為時(shí)域解；直接時(shí)域解法：先建立以線天線的時(shí)空分布為待求函數(shù)的時(shí)域積分方程，然后用數(shù)值法求解，從而得到輸入特性和輻射特性。在這里，線天線本身和時(shí)間都必須分割成小段。但線天線的時(shí)域嚴(yán)格解，只有當(dāng)線天線為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)才能求得；奇異性展開(kāi)法：主要是用復(fù)頻率平面上的奇異性展開(kāi)來(lái)表示線天線的時(shí)域響應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用脈沖源激勵(lì)的天線或散射體的瞬變響應(yīng)主要由一些衰減的正弦型響應(yīng)組成，而每個(gè)響應(yīng)的特征是用拉普拉斯變換復(fù)頻率平面上的一個(gè)極點(diǎn)或一對(duì)極點(diǎn)來(lái)表示。天線或散射體在這些極點(diǎn)附近的頻率有很大的電磁響應(yīng)。這就引出了奇異性展開(kāi)法。寬頻帶的脈沖激發(fā)了這些極點(diǎn)，后者則是天線或散射體自由振蕩的解。自然模的波形與源脈沖波形無(wú)關(guān)，但其復(fù)振幅系數(shù)（稱為耦合系數(shù)或諧振強(qiáng)度）卻與源函數(shù)有關(guān)。圖7、圖8分別為空間求解域和求解域輻射方式。

圖1 輻射抗擾度測(cè)試簡(jiǎn)圖

圖2

圖3

圖4 三維空間中模擬單極子天線模型

圖5 單極子天線的激勵(lì)源

圖6 單極子天線和一根加載傳輸線的互耦

圖7 空間求解域

圖8 求解域輻射方式

圖9 天線輻射角度極化方向圖

圖10 天線輻射場(chǎng)強(qiáng)分布3D圖

天線的作用是將發(fā)射機(jī)送來(lái)的高頻電流(或?qū)Р?變換為無(wú)線電波并傳送到空間；將空間傳來(lái)的無(wú)線電波轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諜C(jī)能夠傳送的高頻電流。因此，天線是一個(gè)導(dǎo)波和輻射波的變換裝置，即能量轉(zhuǎn)換器件。由于時(shí)變電流能輻射電磁波，因而天線也被稱為輻射源。但要產(chǎn)生有效的輻射或接收，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。

為了有效地將能量從發(fā)射機(jī)饋送到天線，或?qū)⒖臻g電磁波轉(zhuǎn)換成高頻電流(或?qū)Р?送至接收機(jī)，需要解決如下三個(gè)問(wèn)題：第一，有效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，提高輻射功率或提高天線系統(tǒng)的信噪比。天線作為傳輸線的終端負(fù)載，要求天線與傳輸線匹配；第二，天線作為一直輻射或接收器件，應(yīng)具有向所需方向輻射無(wú)線電波的能力；第三，天線作為極化器件分為線極化、圓極化和橢圓極化三種。同一系統(tǒng)中收、發(fā)天線應(yīng)具有相同的極化形式，若不一致，則產(chǎn)生極化失配。圖9、圖10分別為天線輻射角度極化方向圖和天線輻射場(chǎng)強(qiáng)分布3D圖。

由圖10可以看出在發(fā)射天線耦合的空間場(chǎng)強(qiáng)以天線拉桿為軸心向外發(fā)射，場(chǎng)強(qiáng)逐漸遞增，也就是說(shuō)單極天線在求解域最外場(chǎng)輻射能量均勻穩(wěn)定，天線垂直面與被測(cè)物平行時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)和均勻性達(dá)到最理想狀態(tài)，這也為實(shí)際檢測(cè)工作提供了指導(dǎo)性理論依據(jù)。

四、總結(jié)

本文首先介紹了平面單極子天線的分析理論和單極子天線的輻射機(jī)理，然后利用仿真軟件對(duì)單極子天線進(jìn)行了仿真。通過(guò)觀察天線輻射場(chǎng)強(qiáng)分布圖和方向圖，驗(yàn)證了所做工作的正確性，完成了現(xiàn)場(chǎng)輻射抗擾度測(cè)試，并在齊齊哈爾重型機(jī)床廠的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中達(dá)到了預(yù)期效果，并協(xié)助企業(yè)找到了其數(shù)控系統(tǒng)輻射敏感頻率點(diǎn)。

[1]JB/T8832-2001機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)[J].通用技術(shù)條件.

[2]電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社.

[3]世紀(jì)星數(shù)控裝置[S].武漢華中數(shù)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

沈陽(yáng)市科技專項(xiàng)資金資助(F10-171-8-00)。

呂明珠（1980—），女，碩士研究生，講師，主要從事電磁兼容和自動(dòng)控制領(lǐng)域的教學(xué)和研究。

劉世勛（1980—），男，碩士研究生，工程師，主要從事機(jī)電產(chǎn)品的電磁兼容檢測(cè)和研究。