贾 锐 王庆国 程二威

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北 石家庄050003）

引 言

2011年，国际电工委员会颁布了61000－4－21（第2版）标准，用于完善混响室的使用和测试［1］。欧洲的一些部门和一些汽车公司也相继制定了本行业的混响室使用标准［2－3］。空间电磁环境日趋复杂，随着电子设备集成度的不断提高，其系统或分系统的抗电磁干扰能力不断下降。造成了外部干扰越来越强，内部抵抗力越来越弱的矛盾。认识到这个矛盾后，电磁兼容迅速成为了全世界科学研究的热点［4－6］。而混响室这一能提供各向同性，随机极化，统计均匀的电磁测试环境也成为了电磁兼容领域的重点和热点［7－8］。

世界范围内关于混响室的测试标准，规范的只是规格性测试。如果对某一给定电子设备，如果需得到其准确的电磁敏感度，各个标准就立刻“失效”。无法得到对给定设备的确切电磁敏感度。为解决这一问题，本文提供了一种混响室条件下新的辐射敏感度测试方法，该方法测试过程简单，利用此方法可以得到给定设备在任意敏感频点的辐射敏感度阈值，且具有良好的测试可重复性。

1.混响室两种工作模式

辐射敏感度测试是混响室的一个重要应用方面［9－10］。测试中，对测试区域内的场强进行监测。按照内置搅拌器的工作模式，混响室可分为连续模式和步进模式两种工作模式。设备的辐射敏感度的定义是设备维持正常工作时，所能够承受的最大电磁干扰强度。对于连续模式来说，由于搅拌器的不停转动，腔体内的电磁场处于连续扰动状态，工作区域内的场强随着搅拌器的转动快速变化，当混响室工作于连续模式时，很难对其周围环境场进行特征提取，更无法得到受试设备的辐射敏感度。工程实践中可以有3种方法来解决此问题：1）将接收天线在搅拌器旋转一周的时间内所接收到的最大场强值作为受试设备的辐射敏感度；2）将受试设备出现干扰现象时的瞬时场强作为其辐射敏感度；3）将一段时间内接收天线所接收到场强值的平均值作为受试设备的电磁辐射敏感度。

当混响室工作于步进模式时，分别在多个步进位置进行相同的测试过程。不同的步进位置，测试区域内的场分布各不相同。但对于某一特定步进位置，混响室腔体内的场是稳定的，接收天线可以测得其所处位置稳定的场强值。这种情况下，对受试设备电磁敏感度的测量有两种方法：1）将多个步进位置所测得的最大值作为受试设备的辐射敏感度；2）将多个步进位置所测得场强值进行平均，将平均后得到的值作为受试设备的辐射敏感度。

通过以上讨论，不难看出混响室条件下的辐射敏感度测试重点在于如何定义受试设备的辐射敏感度。事实上，如何对受试设备的辐射敏感度进行定义，是利用混响室进行敏感度测量的根本问题。当一种新方法被提出后，检验其能否得到应用的重要标准就是其可重复性。本文选取了医学临床实践中常用的FX7302型心电图机进行大量实验研究，通过对实验结果的分析来说明哪种途径更适合实际应用。

2.实验所用混响室及其校准

国际电工委员会IEC于2003年颁布了61000－4－21标准，并于2011年颁布了此标准的第2版，第1版标准同时作废。第2版标准相对第1版在测试和校准方面，在不影响测试结果的情况下要求有所降低。本文测试时，仍按照第1版的标准进行校准。图1为IEC标准中规定混响室场均匀性标准偏差限值与实验所用混响室的场均匀性标准偏差对比曲线，其中，SigmaX、SigmaY、SigmaZ分别为工作区域的8个顶点处，搅拌器旋转一周所测得的X、Y、Z三个正交方向上的场强值的标准偏差，Sigma24为三个方向上总的标准偏差。

图1 实测混响室均匀性标准偏差与IEC标准要求对比

实验用混响室的体积为10m×8m×4.3m，其最低可用频率大约为80MHz，测试最低频率为100 MHz.实验台高度为1m，且与混响室墙壁以及搅拌器的距离在2m以上，以保证实验结果不会受到墙壁附近不均匀电磁场分布的影响。受试设备的信号由信号发生器提供，该信号发生器可抵抗的电磁干扰要远高于实验所用电磁干扰强度，受试设备的屏幕输出由监视器监测，视频信号由光纤引出。信号的输入设备和监测设备都可耐高场强干扰，以保证实验中所观察到的效应是由受试设备本身受到的干扰而产生。图2给出受试设备的正常输出波形以及受到干扰后的输出波形。选择Nadar EMR－200天线作为接收天线，用于监测混响室工作区域内环境场。

首先，选择在80MHz～1GHz范围内进行扫频，得到受试设备在此频段内的敏感频率。然后，分别在敏感频率处进行辐射敏感度测试。图1中可以看到：实验用混响室完全满足标准要求，可以进行辐射敏感度测试。

图2 受试心电图机的正常波形和受到干扰后波形

3.连续模式下的辐射敏感度测试

当混响室工作于连续模式，随着搅拌器的转动，其内部腔体电磁场的边界条件持续变化，电磁场呈现出时刻变化的复杂状态，解析法很难对其进行计算。科学家尝试使用统计方法或半解析法对混响室内场线耦合问题进行计算，还有科研工作者利用平面波的叠加来模拟混响室的环境场。这些方法在理论层面的计算研究有很大的优势，但在实际工程实践方面缺少实际的指导意义。第1节中介绍了连续模式下辐射敏感度的3种可能的方法，本节中将逐一对这3种方法进行评估。

首先，将接收天线在搅拌器旋转一周的时间内所接收到的最大场强值作为受试设备的辐射敏感度。这种方法要求计算机筛选出搅拌器搅拌一周的时间内接收天线输出的最大值，搅拌器搅拌一周的时间取决于搅拌速度。有可能出现测得的最大场强值并非受试设备受到干扰时的场强值，这就使得接收天线输出的场强值滞后于混响室腔体内的环境场。所以，这种方法在实践操作中不会推荐使用。

第2种定义方法是将受试设备出现干扰现象时接收天线输出的瞬时场强作为其辐射敏感度。接收天线Nadar EMR－200的最快输出速度为0.4s输出一个场强值。图3给出了50次使用瞬时场强作为辐射敏感度的测试结果。

图3 瞬时值作为辐射敏感度的50次测试结果

从图3中可以看出：测试结果的重复性极差，可见接收天线的瞬时值并不适合作为受试设备的辐射敏感度阈值。连续模式时，搅拌器以一定的速度搅拌，混响室腔体内的电磁场的边界条件也随时处于变化状态。这就造成了其内部环境场的不稳定，提取出的辐射敏感度重复性太差，同样不适合应用于工程实践。

考虑到混响室“各向同性、随机极化、统计均匀”的特点，若是对接收天线一定时间内的输出结果进行统计平均，即对搅拌器旋转一定角度内的场进行统计平均，其结果的重复性可能会有所改善，这也是第1节中提出的第3种方法。将这个时间定义为统计平均时间参数，还有一个很重要的参数就是搅拌器的转动速度。选取统计平均时间参数为1s至10 s10种；搅拌速度为1.5r/m、3r/m、6r/m、8r/m、10r/m（r/m：转/分）5种进行研究。

为了得到理想的测试可重复性。利用混响室内部电磁环境统计均匀的特点，将接收天线的输出值进行统计平均处理，这相当于在搅拌器旋转的一定角度内，对环境场进行统计平均。可看作搅拌器在多个角度内步进搅拌，每个角度的大小由统计平均时间参数决定。图4给出多种统计平均时间参数在不同搅拌速度和频率下的实验结果标准偏差。

由图4可以看出：当统计平均时间参数等于或大于4s时，测试结果的标准偏差曲线趋向平稳，有良好的测试可重复性。但统计平均时间参数并非越大越好，当统计平均时间参数大于一定值后，接收天线采集的场强值又会滞后于受试设备受到干扰时的环境场。故下面的实验，为了避免较大的测试误差，选择4s作为统计平均时间参数进行研究。

图4 不同转速和频率下的测得结果的标准偏差

对于标准的测试方法而言，测试结果应具有很高的可重复性，应该保证不同测试人员在同一特定测试中能够得到相同的结果。基于这个目的，受试设备分别在不同的搅拌速度下进行辐射敏感度测试。图5给出了不同搅拌速度的测试结果的变异系数。

图5 不同搅拌速度测试结果的变异系数

通过图5可以看出：5种不同搅拌速度的测试结果都具有良好的测试可重复性，这是因为测试结果的提取是基于统计平均时间参数的。对于不同的受试设备，不同的搅拌速度会有不同的影响效果。

4.步进模式下的辐射敏感度测试

当混响室工作于步进模式时，搅拌器有多个步进位置。每个步进位置上，混响室腔体内的环境场都是不均匀的，辐射敏感度测试在多个步进位置分别进行。前文提到步进模式下有两种方法定义辐射敏感度：一是接收天线在所有步进位置接收到场强的最大值；另一个是在所有步进位置的平均值。

当搅拌器停留在某个步进位置时，腔体内的电磁场是稳定的。也就是说当搅拌器固定在某个位置时，测试区域内某一给定点的场强是不变的。每一个步进位置，都要进行辐射敏感度测试，如搅拌器旋转一周有N个步进位置，相同的测试过程必须重复N次。对比IEC61000－4－21两个版本，最大区别就是步进模式时，对搅拌器最少独立搅拌位置要求的变化。表1给出了两个版本关于搅拌器最少独立采样位置的数量。

表1 IEC61000－4－21新旧两个版本关于搅拌器最少独立采样位置的数量

从表1可以看出：两个版本的最少独立搅拌位置的数量都是12个，第2版本将6倍起始频率以下的最少独立搅拌位置减少至12个。由于测试过程必须在每个步进位置进行，单次测试过程的所耗时间大约为5min，由此可知第2版标准将会节省大量测试时间。图6列举出了几个敏感频率处，多个独立搅拌位置的测试结果。

IEC61000－4－21的两个版本中规定了不同的搅拌器最少独立搅拌位置。图7给出了第1版标准中规定的，采用接收天线最大接收场强值或所有步进位置平均值为辐射敏感度的测试结果，以及第2版标准中规定的采用接收天线最大接收场强值或所有步进位置平均值为辐射敏感度的测试结果。

图7中可以清楚看到：两个版本的测试结果有相同的趋势。除少数频点，两个版本的测试结果几乎相同。也就是说，第2版本完全可以代替第1版本用于工程实践，而且还会大大减少测试数量，节省测试时间。图7中可以看出：两种定义辐射敏感度方法的测试结果有着相同的趋势，并不能得到哪种定义方法更为合理。将这两种定义方法的测试结果分别与连续模式的测试结果对比，图8给出了测试结果。

由图8可以明显看出：步进模式时所有步进位置测试结果的最大值明显大于连续模式时所有搅拌速度的测试结果，而采用所有步进位置测试结果平均值作为受试设备辐射敏感度的方法与连续模式的测试结果较为接近，更能体现混响室两种工作模式测试结果的同一性。所以对步进模条件下的电磁兼容测试，推荐采用所有步进位置的平均值作为测试结果。采用平均值的另一个优点就是可以最大限度地减少其他随机测试误差带来的影响。

图8 步进模式两种测试结果与连续模式测试结果对比曲线

5.结 论

利用混响室的两种工作模式对相同的受试设备进行辐射敏感度测试，给出几种定义辐射敏感度的方法，并通过实验结果分析其可重复性及可行性。并对2011年新出版的IEC61000－4－21第2版和第1版做了简要对比，并将两个版本的测试结果进行对比分析。综合实验结果，提供了一个混响室条件下的辐射敏感度测试新方法。这个新方法基于对辐射敏感度的定义，连续模式和步进模式分别采用接收天线搅拌一段时间内接收环境场的平均值或所有步进位置测试结果的平均值作为最终测试结果，测试过程简单，并且有着非常良好的可重复性。

［1］International Electrotechnique Committee.IEC61000－4－21：Electromagnetic Compatibility （EMC）－Part 4－21：Testing and measurement techniques－Reverberation Chamber Test Methods［S］.Geneva：IEC Publication，2011.

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