测量暗室（共7篇）
测量暗室 篇1
摘要：本文根据电气医疗设备的特点,对电气医疗器械电磁兼容测试中辐射骚扰测量场地的选择进行了介绍,对选择10法半电波暗室的必要性进行了阐述。
关键词：10米法,电波暗室,医疗设备,辐射骚扰测试
0 引言
医疗设备产品种类众多,有47个大门类,6000多个品种,12000多种规格。学科跨度大,差异明显,仅仅有源医疗设备就集核物理、激光、超声、电子学、光学等众多先进技术于一体,产品从重量只有几克的食道探测器,到重量超过百吨的质子刀,X光机,CT等。正是由于医疗设备的多样性才对我们EMC测试场地提出了与一般电气产品不同的要求。
电磁兼容测试中,辐射骚扰测试场地主要有开阔试验场(OATS)和电波暗室。由于开阔实验场远离市区,使用不方便,或者建在市区,因背景噪声过而大影响测试,故试验室一般使用半电波暗室进行辐射骚扰的测试,美国FCC,日本VCCI,IEC,CISPR,中国GB等标准都规定了使用半电波暗室进行辐射骚扰测量的方法。半电波暗室按尺寸大小分,一般有3m法、5m法、10m法三个规格,由于电波暗室造价昂贵,EMC测试一般采用3m法或10m法半电波暗室。医疗设备也是如此,但是由于医疗设备的多样性和大型性,更由于很多专业的电气医疗设备使用高频射频能量进行治疗,对我们选择EMC辐射骚扰测试场地提出了与一般电气产品不同的要求,通常10m法电波暗室是电气医疗设备辐射骚扰测量场地的最优选择。
1 标准要求
医用电气设备的EMC标准为YY0505-2005《医用电气设备第1-2部分:安全通用要求并列标准:电磁兼容要求和试验》,对应的国际标准为IEC 60601-1-2。其中,36.201.1条,产品的分类引用GB4824-2004(CISPR11)《工业、科学和医疗射频设备电磁骚扰特性限值和测量方法》的要求。标准GB4824-2004规定工业、科学和医疗射频设备应在10m和30m的场地进行辐射骚扰的测量,并且规定了1组设备可在试验场10m和30m之间的距离测量上的限值,2组B类设备可10m距离测量上的限值和2组A类设备可30m距离测量上的限值[1]。GB4824同时说明,如果受场地尺寸等限制只能在更近距离上进行测量,则更近测量距离(小于10m)的场地只适合较小尺寸的被测设备。
医用电气设备大多都属于A类设备,尤其是大型医用电气设备,其辐射测量根据标准要求应在10m法及更大的试验场进行。个别体积较小的医用电气设备可以在3m法试验场进行,但是对3m法试验场的试验结果存在争议的情况下,应以10m法或更大的试验场的结果为准。
注:非家用和不直接接到住宅低压供电网设施中使用的设备为A类设备。家用设备和直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备为B类设备。1组设备为发挥其自身功能的需要而有意产生和(或)使用传导耦合射频能量的所有工科医设备。2组设备是指及为材料处理、电火花腐蚀等功能的需要而有意产生和(或)使用电磁辐射射频能量的所有工科医设备[2]。
2 性能指标的要求
2.1 防止近场效应的需要
骚扰通过辐射方式传播实质是电磁能量以场的形式向四周空间传播。场分为远场和近场。其主要区别如下:(1)远场的波阻抗为377Ω,测量磁场和电场的场强的测量可以方便地进行转换,但近场的波阻抗每个地方都不一样,磁场和电场需要分开测量,测量计算相当麻烦。(2)在远场可近似认为投射到天线上的电磁波是平面电磁波,磁场、电场和传播方向三者互相垂直,三个面的场强都一样,比较容易分析和测试,但在近场,三者无法互相确定,各个方向都存在分量。3、辐射测试的实质是远场测试,近场场强和距离1/r3有很大的关系,位置微小的变化便会引起很大的测量误差,测量的重复性差,无法保证测试的一致性。所以实际测试中我们要防止近场效应的出现,标准GB4824-2004中7.2.3条款辐射测量(30MHz~1GHz)就提及“在3m距离测量大试品要注意频率接近30MHz时近场效应的影响”,说明3m法暗室在低频时候的误差比较大,主要因为30MHz电磁波的波长是10m,在3m法暗室中基本上可以满足测试距离≥λ/2π划分近场和远场的要求,就是说距离大于1.6m满足远场条件时候,这样测试出来的结果有3dB的误差,如果不满足就会产生比较严重的近场效应,误差更大。而10m暗室,是以测试距离≥λ的条件划分近场和远场,而且10m刚好满足d=λ的条件,测试结果误差为0.5dB。大型医用电气设备多以系统的形式的存在,连接的附件多,体积大、占地面积大,例如:一台体积较大的医疗设备产品或系统,在3m法的半电波暗室内进行辐射测试时,会无法保证被测设备到天线的测试距离为3m(即会小于3m),且被测设备因为转台的转动而使到暗室壁的距离也无法达到测试的要求,事实上,只要长度超过1m的被测设备,测试结果就可能因测试距离的变化以及近场效应的存在,带来较大的不确定性。特别是对一些比较大的X线机等大型设备和系统,在3m半电波暗室测试已经是不可行或不现实的了,只能选择10m半电波暗室或更大的暗室作为测试场地。
2.2 静区尺寸的限制
静区是暗室考核暗室性能的最重要指标之一。暗室静区是指电波暗室室内受反射干扰最弱的区域,也是放置被测设备和接收天线(发射天线)的最佳位置。暗室静区范围的大小与暗室的形状、大小、结构、工作频率、所用吸波材料的电性能、静区所要求的静区静度、静区的形状等有关。目前,国内外对静区大小还没有一个成熟的方案,但可以依据电磁场的几何绕射理论、反射理论推导出暗室内不同频率下静区静度与材料性质和材料形状的关系,并依此反推一定静区静度要求下的静区范围。
一般而言3m法电波暗室最大只能设计2m(2m直径,2m高)测试静区,更大的测试静区就必须要有更大的暗室才能实现。测试静区是要包住整个被测试件的,所以在2m直径的圆柱内,最大只能切1.5m长或宽的长方体出来,因此大于1.5m的被测试件,在3m法电波暗室中不能进行测试。再大尺寸的设备就必须在更大的电波暗室中进行
2.3 静区静度的需要
暗室静区静度,指静区内某一点的反射信号强度与直射信号强度的比值,又称静区反射电平。通常以对数的形式表示:
Γ(dB)=20lg(ER/ED)或Γ(dB)=10lg(PR/PD)
其中:
Γ(dB)——静区静度;
ER——静区内某一点的反射信号场强;
ED——静区内某一点的直射信号场强;
PR——静区内某一点的反射信号接收功率;
PD——静区内某一点的直射信号接收功率
暗室静区静度决定了电波暗室性能的好坏,它跟很多因素有关,其中一个因素为:路径损耗。半电波暗室直接发射测试见图1。
假设被测设备在测试天线方向的辐射强度相同,P表示静区内某一点所有信号的接收功率,则有:
因此地面金属板反射造成的测试误差为:
由以上讨论可知,当不考虑被测设备电场辐射方向性以及暗室的其它影响因数时,对静区静度的影响因素主要是直射波与发射波之间的程差和相位差引起的衰减,这就是通常说的路径损耗。增加被测设备和接收电线的距离增加空间损耗以减小地面发射影响,对静区静度有很好的帮助,因此10m法电波暗室优于3m法电波暗室[3],在同样静度要求下,10m法电波暗室的静区设计可以比3m法电波暗室更大。
3 国际接轨的需要
近几年,国内医疗器械产业的发展比较迅猛,医疗器械产业国际化发展的势头也非常迅猛。2007年是我国医疗器械出口总额同比增长了28.58%,特别以高附加值医疗设备出口呈现快速增长,如X射线断层检查仪、核磁共振成像装置、彩色超声波诊断仪等大型设备,同比增长70.0%以上。在国际采购中,国外的采购商更加认同10m法的测试结果,医疗设备尤其如此。另外,许多的国外实验室资格审核是唯一承认具备10m法或更大暗室的实验室开展医疗器械的测试,考虑到我国突破100亿美元的医疗器械进出口业务,为促进电气医疗设备的出口,本地化解决EMC测试认证的需求,新建的电气医疗设备测试用半电波暗室有必要与国际接轨,采用10m法。
综上所述,由于电气医疗设备的特殊性,10 m法或更大的半电波暗室是电气医疗设备EMC测试所必须的,这已经是业界的共识,由于更大的电波暗室造价昂贵,所以笔者仅是从不同角度阐述10m法半电波暗室才是电气医疗设备辐射骚扰测量场地的最优选择。
参考文献
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数码调光暗室灯的设计 篇2
1 方案与选材
数码调光暗室灯电路方案,见图1。用电阻分压采样交流供电[3,4],再用一个电压比较器去比较这个采样交流电压与0参考电位,这样见到的输出就是1个与交流同相位的方波信号了,高低电平的跳变处即为交流电的过0点,用过0后延时了的触发信号去导通双向可控硅,就能达到调光的目的。当然绝对不能简单地将交流电的半周期去按时间100等分,然后再以每1等分作为步长,而要以变步长来达到等分功率的目的,准备以50μs为最小的时间计量单位,在10ms半周期内可以容纳200个时间计量单位,对于纯电阻的普通灯泡,其工作电压分析如下:
现在来分析过0后时间t再触发获得的功率百分比:
可以编写一个程序,运用数值解法将其解出,然后建立1个一维数组,便于单片机程序去查表。
percent[50]=100,意思就是过0后延时100个时间计量单位,再去触发导通双向可控硅,等于电压的峰谷处触发,得到50%的功率;
percent[100]=0,意思就是过0后延时0个时间计量单位去触发导通双向可控硅,等于立即触发得到的功率为100%全功率;
percent[0]=200,意思就是过0后延时200个时间计量单位再去触发导通双向可控硅,等于没有触发,得到的功率为0;
用这样的方法去控制220V、15W普通灯就能获得15W的1%步长量子化调光效果,分辨率为0.15W,近乎连续调光0~15W的效果,配合单片机用红色LED显示其亮度百分比,因为白炽灯是电流的热效应发光,且它具有热惯性,所以光源照样稳定,操作方便,调光型暗室灯亮度可根据需要调节,是暗室冲洗胶片时的理想工具。
1.1 单片机的选型
由于需要电压比较器以及EEPROM,所以选AVR单片机ATMEGA8/48/88均可,省去了外围的器件,性价比高[5,6]。
1.2 安全的方案
为了安全起见,单片机工作电压与双向可控硅触发电压通过光耦完全隔离,用次级隔离的电源变压器分别供电即可。
1.3 显示的方案
用4位数码管动态扫描方式显示数码,最高位作为标示位,后3位是功率百分比值,用4位一体的只有12个管脚,管脚比4个独立数码管少了许多。单片机用部分PC、PD口作为段选位,4个PD口作为位选。
1.4 控制的方案
用1个PB0口作为控制位去控制1个光耦,再用这个光耦去控制双向可控硅的导通角,最后用这个可控硅去控制白炽灯的交流供电,进而达到控制白炽灯亮度的目的。
2 结果
当百分比在10%以下时,就看不到灯光,这完全可以让EEPROM记住功率有效的上下限范围与上电的默认功率百分比,控制器本身由于功耗低,一般不会出现故障,它的抗干扰能力强,程序从没跑飞过,启用内部看门狗后,控制电路会更可靠,双向可控硅的最高耐压取400V以上,电流取1A以上就足矣,不会因为过载出现故障,大大延长了双向可控硅的使用寿命。
3 讨论
数码管上显示的是相对百分功率,要显示绝对实时功率很复杂,也没有必要,考虑到15W白炽灯全亮也不过如此,高低功率两头的上下限设置也可以省略,这样一来程序可以简化一些。
摘要：目的 暗室灯亮度可根据需要调节,是暗室冲洗胶片时的理想工具。方法 应用单片机去量化控制晶闸管的导通角,从而达到调光的目的。结果 白炽灯的亮度得到了近乎连续调光的效果,而且很明确是百分之几的功率。结论 微处理器的编程相当灵活,可编程性非常好,内部资源比较丰富,成本低,功耗更低,可扩充性好,也可以反复编程。
关键词：单片机,微控制器,暗室灯,数码调光
参考文献
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测量暗室 篇3
微波暗室又称无回波室, 是一个能吸收高频电磁能, 而反射、散射及投射都极小的材料覆盖在房间内的各个面上所构成的空间。微波暗室试验环境具有可控性和可重复性好, 不受外界环境和多径效应影响等方面的优势, 能够有效的排除环境杂波的干扰。因此, 在电子信息、航天、航空等高技术领域得到广泛应用。由于它有效地模拟了自由空间无电磁回波的条件, 因而可以用来进行各种类型的微波测量, 更重要的是能大大提高测试精度和工作效率。
随着卫星导航的快速发展和导航系统的建成, 越来越多的导航终端设备将应用到各行各业, 因此针对导航终端设备的性能需要专用的测试场地和测试环境, 针对大批量多型号的终端测试, 最高效的测试方式就是采用暗室环境测试, 配合有导航信号模拟器。因此针对导航终端试验, 测试单位应该建设专用的导航暗室[2]。
本文主要对导航终端类设备进行测试的暗室环境进行了一定的分析, 论述了导航终端设备对暗室规模和静区等方面的最低要求, 同时还针对较大规模的导航专用暗室进行研究论证, 提出了一些建设构想。
1 微波暗室分类
微波暗室按形状分主要分为矩形、锥形、喇叭形三种形状。尤其是使用频率向高、低两端的扩展, 促进了矩形、锥形暗室的发展, 并得到了广泛应用。
1.1 喇叭形微波暗室
喇叭形微波暗室的长处是, 墙壁的表面积比同类矩形微波暗室小, 使用吸波材料也少等。但缺点是, 使用时需准确调整发射天线的位置, 使用空间小被测物只能在一个固定地方进行测量在某种程度上喇叭形微波暗室固有的有效散射面比矩形微波暗室大等, 因此其应用范围与发展受到限制。
1.2 锥形微波暗室
在低频时, 由于锥形暗室发散的几何形状, 避免了来自侧墙、地板和天花板大角度镜面反射, 因而低频特性比矩形暗室好。另外由于室内的表面积小, 吸波材料用量少, 因而造价相对矩形暗室低, 但锥形暗室使用的条件受到限制, 第一, 由于空间传输损耗与自由空间不一样, 因而只能用比较法测量天线增益。第二, 只能作单端测量, 对于像北斗一代测试时的用户机收发双向无线测试不能适用。
1.3 矩形微波暗室
矩形与锥形微波暗室在主要的电波传播方向特性、静区的性能等方面是相同的。矩形微波暗室能避免锥形微波暗室的缺点, 它的通用性较好, 微波暗室的两端均好使用, 在远场试验时矩形暗室的通用性要好于其它暗室。锥形对于多源、动源测试等是不适用的, 也不能提供绝对场强的测试。同时有些用户机用户机测试时需要用户机收发双向信号, 所以锥型暗室无法满足要求, 固只能选取矩形暗室。
综合考虑, 卫星导航用暗室主要工作频段为1GHz-3GHz, 且测试中要求考虑双向测试要求, 即被测设备存在收发特性。锥形和喇叭形暗室可扩展性和暗室利用率较低, 因此暗室形状首选矩形。
2 暗室设计中需考虑的因素
2.1 规模设计
规模设计是暗室设计的前提, 规模设计中要充分分析测试规模、建造周期、经费等因素, 在此基础上依据相关经验公式计算暗室的长、宽、高的尺寸。
在暗室设计中, 首先要明确测试规模, 比如满足多套用户机并行测试还是单套用户机测试, 当然这与建造周期、经费有必然的联系。根据用途的不同, 暗室的设计规模有所不同。本文主要按照满足单套用户机性能测试要求的规模进行设计。
2.2 暗室性能
暗室设计中核心的指标是暗室的性能, 主要包括静区的大小、静区的性能、幅度均匀性等指标。导航终端设备测试中依据被测设备天线尺寸可确定暗室静区大小, 同时跟据相关测试精度要求可反向推算静区的性能。幅度均匀性可依据测试要求进行推算。
2.3 屏蔽性要求
屏蔽性要求, 主要依据暗室建造地点、周边电磁环境进行设计, 同时选取相应的吸波材料, 建造的金属外壳屏蔽体。同时还要综合考虑建设成本以及国内现有工艺水平。如建设地点周边电磁环境较为复杂可参照相关标准进行设计。
2.4 辅助设施要求
辅助设施如供电、照明、接地、通风、火灾告警等对于暗室的性能以及使用都是比较重要的内容, 因此在设计中要求充分考虑。
3 卫星导航暗室设计
3.1 暗室规模设计
为了能够满足测试的需要, 可建设满足单套卫星导航用户设备辐射式测试条件的小型暗室。该暗室主要用于卫星导航用户设备的整机接收指标测试。为了保证测试精度, 应该在满足天线远场条件下进行测试。如图1所示。
对于目前主流导航系统的工作频点分析, 由下述公式可计算出测试距离R:
根据图中所示, 假定暗室长为L, 宽为W, 远场距离为R, 发射天线距离前墙体R1, 静区长度为R2, 接收天线距后墙体为R3。
3.1.1 测试天线与转台的距离应满足远场条件。
远场条件应满足下式:
D1、D2为收发天线的最大尺寸, 分别为40cm、25cm;
λ为工作频率的最小波长, 取12cm (对应于最高工作频率2.5GHz) ;
通过计算, R≥3.7m, 该数据是理论上的最小值, 这里取测试距离按3.8m来考虑。
3.1.2 暗室宽度及高度
暗室的工作频率为1GHz-3GHz, 吸收率按40d B计, 主反射区吸波材料的高度应不小于750mm。宽度应保证电波入射角不超过60°。入射角大于60°, 吸波性能明显下降。一般从电性能和经济观点考虑, 暗室宽度和长度之比应在1/2~1/3之间。
取吸波材料的入射角θ为45°, 则暗室的内部净宽度W应不小于4m, 加上吸波材料的长度, 暗室宽度的最小宽度应为5.5m, 考虑适当的余量, 暗室宽度定为6.2m。暗室高度设计一般与宽度相当。
3.1.3 暗室长度
根据上述计算, 暗室收发天线附近墙壁吸波材料厚度d1、d2分别按0.6m、0.9m考虑, 静区长度R2按0.6m设计, 一般情况R1按0.5m-0.7m考虑, R3约为测试距离的1/3左右, 暗室净长度L按以下公式计算:
考虑留有一定余量, 暗室长度按7.2m设计。综上分析因此暗室净尺寸为7.2m (长) ×4m (宽) ×4m (高) 。再考虑吸波材料厚度以及屏蔽体厚度, 外推建设暗室所需空间最小尺寸约为9m (长) ×6.2m (宽) ×6.2m (高) 。
3.2 暗室性能设计
3.2.1 静区性能[3]
根据被试卫星导航用户设备情况, 天线直径一般在0.4m以内, 暗室的静区应大于该数值, 因此取0.6m×0.6m×0.6m即可满足测试要求。根据卫星导航用户设备测试要求, 其功率测量精度为0.3d B, 按测试精度0.2d B计算, 静区性能的计算公式:
静区性能为R (反射系数)
代入数据得R=0.0115, 转换成d B数值得到R=-38.7d B。故暗室的静区性能应优于-40d B设计。
3.2.2 幅度均匀性分析
在卫星导航用户设备测试中, 由于用户设备在测试台上要保持天线相位中心不变, 因此测试静区指标中的轴向幅度均匀性对测试结果无影响, 可不对该指标进行要求。而横向均匀性与用户设备性能测试关系密切, 按暗室静区设计要求, 取值一般为±0.25d B。
3.3 屏蔽性设计
由于卫星导航终端性能测试中, 测试信号环境幅度较小主要处于-160d Bm以下, 因此暗室的屏蔽性设计主要考虑周边电磁环境对其测试的影响, 在对周边电磁环境监测的基础上提出屏蔽性能要求。以目前一般户外环境为例, 非工作期间背景信号幅度约-50d Bm, 工作期间信号幅度约-30d Bm, 若暗室屏蔽性能按100d B设计 (国军标C级或与之相当的保密标C级) [4], 结合吸波材料对信号的吸收性 (约30d B) 环境信号可降低至-160d Bm左右, 满足卫星导航用户设备测试条件。
4 关于大型导航专用暗室的构想
根据未来卫星导航模拟系统和抗干扰技术的发展, 例如多星多路输出的模拟器, 采用自适应调零天线的导航终端设备, 配合多角度多方向的干扰信号源, 其对暗室建设的要求将进一步提高, 需要专用的大型微波暗室才能满足要求。
在装有自适应调零天线的终端性能测试方面, 可采用多路输出的GSS7790导航信号模拟器, 该模拟器为思博伦公司产品。能够独立输出最多12路的卫星模拟信号。
导航信号模拟系统的发射天线可以考虑部分安装在暗室顶部, 部分布设于四周墙壁。模拟器根据仿真场景模拟出实际天空中的卫星分布情况, 因此在暗室顶部和四周墙壁发射天线空间位置分布需要和模拟的仿真场景匹配, 为此每一个天线的位置都需经过严格的计算得出。为保证个通道的时延一致性, 每一个天线到转台中心的距离都必须严格测定, 导航信号模拟器的射频口到发射天线之间的射频电缆的长度也必须严格测定, 以保证各路信号在整个发射链路中时延是已知并可控。因此其链路的设计与标定需要专业的技术人员。
考虑暗室大小, 天线到转台中心的距离不得少于4m, 以保证天线发出的射频信号在到达转台中心的终端时的传输波形可以近似于平面, 满足暗室测试的远场条件。并且暗室墙壁上安装的吸波材料本身有1m左右的长度, 再加上暗室中心测试台至少2m左右的高度, 因此暗室的高度应不小于8m。如果在暗室四周墙壁上再布设相关导航天线或测试天线, 暗室的长度和宽度也必须也满足远场条件。
由于暗室顶部和四周墙壁的空间和空域只能模拟部分卫星空中信号来波方向, 因此模拟导航系统的仿真运行时间受到严格的限制。同时对于暗室中心的测试台也有更高的要求, 应至少具备方位360°无限制转动和俯仰±100°的能力。
在大暗室的设计中, 天线的安装位置至关重要。具体天线的安装位置上, 可以通过对实际导航卫星星座进行场景模拟, 可以针对一个或是多个时刻的场景进行仿真模拟。时刻的模拟可以分别选取不同的PDOP值作为依据, 也可选根据特定需求选取, 具体方案可根据不同需求进一步明确。
图2为随机选定的三个时刻的GPS、北斗星座仿真在暗室顶部和墙壁周围的投影效果图。根据星座仿真结果将导航信号发射天线投射到暗室的天顶和四周墙壁, 不同的仿真时刻, 仿真结果不同, 可根据要求自行选定, 同时为节约天线数量, 降低建造成本, 也可以将仿真结果中紧邻的几个天线和为一个天线, 可以相应的控制成本。
图3、图4、图5分别为长、宽、高不同方向的侧视效果图。
5 结束语
小型卫星导航专用暗室在设计中考虑诸如照明、通风、用电等方面的技术要求, 可根据测试系统工作要求进行具体设计。本文主要针对简单测试条件, 对暗室的整体结构和关键指标进行了初步地研究和分析。同时针对仿真程度更高的大型专用暗室也进行了建设研究, 提出了一些建设思路, 具体建设中还需要进一步分析论证。随着卫星导航技术在民用和军事中的作用不断加强, 导航设备与导航技术已经融入到生活工作的方方面面, 越来越多的导航应用设备走进千家万户, 因此需要功能性能更加完备的专用暗室为导航终端设备提供测试环境。
摘要：卫星导航终端设备的性能一般需要通过暗室辐射式测试环境对其进行测试。采用小型暗室试验是目前终端设备性能测试比较经济、有效的方法。本文根据通用终端的相关测试需求, 研究了暗室建设中需要考虑的因素, 对暗室的规模、性能进行了最低性能分析论证, 可以对微波暗室的等辐射式测试环境的建设提供一定的参考。同时文章也针对未来大型的专用导航暗室建设进行了探讨分析。
关键词：暗室,静区,卫星导航
参考文献
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测量暗室 篇4
随着科学技术的发展,人民群众生活水平的提高,人们工作生活周边的电磁环境日趋复杂,作为集合光、电、磁等多种学科技术并且在不断更新发展的医用电气设备,所处的使用环境也不可避免受到这种复杂电磁环境的影响。国家食品药品监督管理总局为保护医用电气设备的安全使用,在2012年12月17日发布了《关于发布实施YY0505-2012《医用电气设备第1-2部分:安全通用要求并列标准:电磁兼容要求和试验》医疗器械行业标准的公告》,规定从2014年1月1日起,对医用电气设备逐渐开展有关电磁兼容方面的强制检测,执行的标准是YY 0505-2005的修订版YY0505-2012。YY 0505-2005本应在2007年4月1日强制执行,但国家食品药品监督管理总局于2006年9月发文暂缓执行,其主要原因就是当时各检测单位在重要的检测条件——电磁兼容暗室上还未全面做好准备。暗室作为电磁兼容检测的重要检测环境设施,在检测过程中担负着隔离外界电磁干扰以保证试验结果公平,同时保护周边环境、人员不受高强度的电磁照射,是电磁兼容检测不可或缺的试验设施。
电磁兼容暗室作为一个体量巨大的封闭结构体,一般是在建筑物内部以房中房的形式存在。常用的暗室有10米法暗室和3米法暗室,代表的是测试距离为10 m和3 m,但为保证测试环境指标,暗室实际尺寸远大于此,即使3米法暗室长度也要达到9 m,宽度和高度在6 m[1]。由于投资高达上千万元,同时使用周期长达十数年,因此在前期设计阶段对暗室的设计十分重要。本文以同时建设一个有10米法暗室和3米法暗室为例,介绍暗室选型设计的一些关键因素的考虑。
1 暗室指标设计
暗室的指标包括物理方面、技术方面以及一些辅助功能。这些指标既和暗室的建筑结构限制有关又和暗室建设厂商的能力有关。在设计这些指标之前,还需要进行大量而又广泛的咨询,以保证暗室招投标的顺利进行以及满足将来暗室的使用要求。
1.1 暗室物理指标
暗室的物理指标包括圆形转台的尺寸、圆形转台的承重、门的尺寸、电源的供给等。由于转台要与暗室内侧保持一定距离,所以3米暗室的转台尺寸小些而10米暗室的转台可以大些。转台的尺寸和承重与将来要测试的样品尺寸重量有关,例如2米的转台可以满足绝大多数样品的需求。本例考虑3米法暗室的转台设计为2 m直径承重1 t,10米法暗室设计为6 m、6 t。同时10米和3米暗室均可进行辐射发射和辐射抗扰度试验,这样设计的目的是当6米转台在进行大型设备检测不便对样品搬动时,可以使用3米暗室对其他样品进行检测。配合6米转台,10米暗室在转台侧面配有3 m×3 m的大门,最大可供近3米宽的样品进出。同时还配有1.2米的人员门,这样可以保护位于转台侧主反射区内的3米大门不会因为经常开关而造成门的屏蔽结构-门刀与簧片的磨损。3米暗室装有1.8米的大门。
暗室中的电源必须是纯净电源,一般通过专门的电源滤波器来获得。3米和10米暗室设计有交直流电源,选用的电源滤波器有交流380 V/100 A、交流220 V/64 A、交流220 V/32 A×2、直流200 V/30 A,可以满足各类样品的需要。需要指出的是电源滤波器在频率14 kHz～18 GHz范围内插入损耗要优于100 dB[3],符合BS 613或BS 6299 (CISPR17)要求。暗室中还要配有各类的信号滤波器,如USB、RS232等常见的接口,以及光电转换器和波导管,光电转换器工作时背景电平值要低于GB 9254和GB 4824 B类限值10dB。
暗室的整体结构抗震要达到防烈度8度[3]。泡沫吸波材料要满足相关防火要求。
1.2 暗室技术指标
暗室在EMC试验中用于模拟样品在一个标准环境中的表现。其中全波暗室模拟的是样品在自由空间中的情况,电波传播时只有直射波;半波暗室模拟的是样品在开阔试验场的情况,电波传播时只有直射波和地面反射波。YY0505-2012标准检测使用的是半波暗室。GB/T 6113.104对测试场地的要求作出了规定,半电波暗室用归一化场地衰减(NSA)[4]、场均匀性(FU)[5]以及场地电压驻波比(SVSWR)[6]来衡量。本例暗室的上述指标基本为:
(1)归一化场地衰减NSA要求30 MHz～1 GHz时在10米和3米测试距离上不大于±3.5 dB;
(2)场均匀性FU要求在距地面0.8 m高、1.5m×1.5m的垂直平面上测试的16点中的75%的均匀度在0～6dB (18V/m连续波)。其中10米暗室更需要测试连续的3个窗口,使最终验收的场均匀平面达到4.5 m×1.5 m;
(3)场地电压驻波比SVSWR要求在1～18 GHz时不大于5.0dB。
除此以外,还要满足:
(1) 3米和10米暗室的辐射抗扰度强度均为30 V/m。
(2) 3米暗室的静区为2m直径的圆柱体,10米暗室的静区为6 m,均和转台同心、直径相同。
(3)屏蔽体的屏蔽效能为低频段要大于70 dB,高频段要大于100 dB。
(4)暗室要满足YY0505、GB 4824、GB 4343.1、GB17743、GB 9254、GB/T 17626.3、GB/T 6113、GB 18268以及CNAS-CL16等最新版本测试的要求。
1.3 辅助功能
暗室的辅助功能没有固定的要求,但监控系统都会有,包括音视频监控,一般用来观察样品在辐射抗扰度试验过程中的表现,本例在每个暗室中除设有固定式摄像机1台外,还有流动式带麦克风摄像机2台,用于近距离观察样品。有一些样品在运行过程中需要排烟排气、一些样品需要外接水用于工作、冷却等,这就需要暗室要配备水、气接口。空调也是个重要部分,设计空调需提出换气量的要求,本例暗室要求每小时3次的换气量。对于10米暗室由于可能用于放射性样品的检测,所以10米暗室需要进行铅屏蔽[7]。另外一点就是灯光的问题,按照CNAS对实验室的要求,暗室的光照要达到250 Lux[8],同时厂商还要考虑到灯泡的更换问题。
2 结论
电磁兼容暗室与普通的实验室不同,它是和建筑、结构紧密相连,一旦安装施工完成后,在使用过程出现任何问题或考虑不周的地方,很难能修改到预想状态,这就需要在设计阶段尽量多考虑试验的情况、样品的情况、技术的发展、标准的更新,只有这样才能得到一个比较满意的结果。
虽然调研、设计一定要非常充分,但这些指标不能建立在空中楼阁上,如何设计出一个在技术、资金上达到比较合理的暗室,如何建设完成实现设计要求、使用要求的实验室,也是需要非常关注、解决的问题。
参考文献
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[2]姜华,李建国.10米法半电波暗室建设应注意的问题[J].检验检疫科学,2007,(3):67-70.
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[4]GB/T 6113.104.无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第1-4部分:无线电骚扰和抗扰度测量设备辅助设备辐射骚扰[S].北京:中国标准出版社,2008.
[5]GB/T 17626.3-2006.电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验[S].北京:中国标准出版社,2007.
[6]CISPR 16-1-4 Edition2.0 2007-10.Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-Part1-4:Radio disturbance and immunity measuring apparatus-Ancillary equipment-Radiated disturbances[S].
[7]GBZ/T 180-2006.医用X射线CT机房的辐射屏蔽规范[S].北京:人民卫生出版社,2007.
测量暗室 篇5
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:
式(2)和(3)中:
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,ϕH=π,,σ取铜的导电率,可计算出3m和10 m条件下开阔场NSA理论值(频率范围30 MHz-1GHz)[6],见图2。
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 16-1-4Ed3:2012要求,NSA测试值与理论值差异应小于±4 d B。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。
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。
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 d B;而在200 MHz~l GHz条件下最大偏移为0.9 d B。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。
注:测试距离=10 m,左偏轴6 m转台;H:水平;V:垂直;L:底部;U:顶部;S:特殊;C:中点;F:前点;R:右侧;L:左侧。
5 结论
综上所述,新建电波暗室NSA值小于±3.5 d B,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。
参考文献
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测量暗室 篇6
归一化场地衰减 (NSA) 是电磁兼容测试暗室最为重要的技术指标。通过测试该指标, 并与理论值比较可以判断电磁兼容暗室的工作性能。NSA的理论值在国际标准如CISPR、ANSI和EN都已给出, 但标准给出的数据仅有测试距离为3 m、10 m和30 m的数据。要建立专业的电磁兼容暗室, 投资花费很大, 因此利用现有仿真暗室, 并对其进行改造, 进行非标准测试距离的预测试, 这样非标准情况下的理论值计算是必不可少的。
标准规定测试场地测试值与理论值之差小于±4 dB即为场地合格。NSA测试方法为:测试地面为全反射面, 测试场地四周无反射物体, 收发天线位于椭圆场地的2个焦点, 测试分垂直极化和水平极化测试。水平极化测试时, 发射天线的高度为1 m和2 m;垂直极化测试时, 发射天线的高度为1 m和1.5 m。每次测试, 接收天线在1～4 m的范围内扫描, 并由测试设备记录在扫描范围内的最大测试值。
1NSA理论值模型的建立
在距离发射天线r处的远区接收电场为:
式中, PT、DT分别为发射天线的辐射功率和方向系数;k=2π/λ, 由 PT=i2Rv 可得:
式中, i为天线电流;Rv为辐射电阻。
50 Ω接收天线接受端电流为:
式中, v为天线感应电动势;AFR、DR分别为接收天线的天线系数和方向系数。根据互易定理, 可以得出发射天线电流为:
式中, v为信号源的开路电压;AFT为发射天线的天线系数, 并由λ=300/f可以得出发射天线在接收天线处的电场强度为:
1.1水平极化
水平极化NSA理论值如图1所示。
对于水平极化的NSA, 接收处的电场强度为:
式中, undefined;undefined;FT (θ) 、FR (θ) 分别为发射天线和接收天线的方向图函数;undefined和φk分别表示地面反射系数的模和相角。
测量NSA一般使用双锥天线、对数天线、宽带偶极振子天线, 对于水平极化, 天线的方向图函数都为1, 对于全反射地面undefined, 可以得到EH的模为:
由式 (1) 、式 (5) , 取PT=10-12 W, DT=1.64可以得到:
代入式 (7) 可得:
1.2垂直极化
垂直极化NSA理论值如图2所示。
根据式 (5) 也可以得到垂直极化NSA的电场强度为:
式中, FT (θ1) FR (θ1) =sin2θ1=R2/rundefined;FT (θ2) FR (θ2) =sin2θ2=R2/rundefined。带入式 (10) 可得:
对于全反射地面undefined, 因此它的模为:
1.3NSA公式的推导
场地衰减的定义为:
a=vI/vR。 (13)
式中, vI为信号源的输出电压;vR为接收电压。因为信号源开路电压v=2vI, 所以,
a=v/ (2vR) 。 (14)
接收天线接收电压vR=E/ (AFR) , 又由undefined, 则
对于归一化场地衰减, 它与收、发天线的类型无关, 所以NSA用dB可以表示为:
NSAN (dB) =48.92-20lgf-20lgEmaxD。 (16)
式中, EmaxD为接收处的最大场强, 分别求出水平极化和垂直极化时的最大场强, 即根据式 (9) 和式 (12) 就可以得到, 带入上式就能求出各种情况下的NSA理论值。
EDH和EDV的计算工作量很大, 可以借助计算机编程得出。由于h1、R已知, 只要定义h2变量在1～4 m范围内变化就可以求出EmaxD。
2计算结果
上面建立的模型满足以下条件:地面为全反射地面;四周没有反射物;没有考虑近场效应。
计算编程的步骤如下:
① 给定计算频率, 代入测试距离R、发射天线高度h1、接收天线高度h2等参数, 进行计算ED;
② 以一定高度变量为步长, 求出新高度的ED, 并与前一个ED比较, 取大的ED;
③ 重复步骤②, 直到接收天线的最大高度, 最后可以得到最大的EmaxD, 并记录之, 同时可以得到该频率情况下的NSA值;
④ 以频率增量为步长, 重复①～③可以得到其他频率情况下的NSA。
这里给出了30～1 000 MHz, h1=1 m, h2=1～4 m, 测试距离为3 m计算结果, 计算结果分为水平极化和垂直极化, NSA计算结果如图3所示。
将图3的计算值与标准值进行比较, 可以得出NSA计算值与标准值十分吻合, 仅有个别频点存在极小误差, 且计算误差为0.1 dB, 这是完全满足要求的, 也是标准允许的, 这也说明建立的数学模型是十分合理的, 可以用来指导其他情况下的NSA值计算, 并作为标准值与测试数据进行比较。
3结束语
介绍的NSA计算模型误差小于0.1 dB, 满足标准要求, 不仅可以用于计算1 m法、3 m法、5 m法等标准距离的NSA理论值计算, 还可以用于非标准距离、不同收发天线高度的NSA理论值计算, 能够用于评估仿真暗室的归一化场地衰减指标。
参考文献
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测量暗室 篇7
1 为什么选取木制品和聚苯乙烯泡沫这两种材料来进行测试对比
1.1 木制品
由于我国自古以来都有木制品使用的传统, 因此, 对于这种材料的熟知和认可程度是最高的。由于在实际社会中木制品被广泛的运用在了社会的各个阶层, 所以具有一定的代表性。其他的材料制品, 比如金属制品, 由于其本身就由良好的传导性、延展性和容易导电等特点, 在进行辐射骚扰检测过程中, 对于结果的影响较大, 不能为我们提供有效的数据来进行研究, 因此不予选择。
1.2 聚苯乙烯泡沫。
聚苯乙烯泡沫是由于含有挥发性的液体发泡剂的存在, 再经过加热后形成的富含大量的封闭性气泡的结构的白色物体。其自身不具有导电性, 本身的应用范围也较为广泛, 选材比较普遍。由于这是一种新型的多用途的材料, 对于其成品的使用较为成熟, 最重要的是其对辐射骚扰的测试结果较为真实, 没有较大的偏差, 可以作为依据标准来使用, 因此采取这种材料来进行实验。
2 暗室条件下相关材质的测试桌对电子产品辐射骚扰检测结果的分析
由于次试验是采取了两个频段对于两种材料的测试桌进行测试, 因此在这里分为两个部分进行论述。
2.1 30MHz-1GHz测试结果的分析
通过对30MHz-1GHz区间段测试结果的数据进行整理和比对分析, 可以得出以下几个方面的结论:
(1) 在相同测试频率范围内, 聚苯乙烯泡沫测试桌的测试结果与无测试桌所得出的测试结果曲线吻合程度相比来说较高, 仅仅在个别的频段有一些偏差;木制测试桌与无测试桌的测试结果表明其曲线仅在30MHz至90MH频段范围内吻合度较高, 在其余剩下的频段偏差均数值较大。
(2) 在整个30MHz至1GHz频率测试范围之内, 聚苯乙烯泡沫测试桌与无测试桌测试所得出的结果差值的绝对值均小于2d B, 其绝对值的最大差值频点数值一致;木制测试桌与无测试桌的测试结果其差值绝对值在200MH至650MHz这个频段变化较为明显, 其绝对值的最大差值频点为540MHz, 数值为5.66d B。在860MHz至1GHz这个频段内其结果差值绝对值均大于2d B。
因此通过以上测试的结果分析不难可以得出:在30MHz-1GHz这个辐射骚扰频率范围内, 聚苯乙烯泡沫测试桌对辐射骚扰测试结果的影响要远远小于木制测试桌对辐射骚扰的测试结果, 其对比测试验证了聚苯乙烯泡沫测试桌较于木质测试桌具有无可比拟的优越性。
2.2 1GHz-8GHz区间段测试结果的分析
在此区间的测试结果进行对比分析, 相关数据数值与无测试桌的情况下的比对, 主要的结果有以下几个方面。
(1) 在标准的测试频率范围下, 聚苯乙烯泡沫桌的数据与无测试桌测试结果曲线吻合程度相对较高, 其相一致性的覆盖范围在整个区间较为普遍;而木制测试桌的测试结果与无测试桌测试结果曲线相一致程度不高, 背离程度较大, 特别是在1GHz-2.7GHz区间频率范围内其产生的测试结果偏差最大。
(2) 在对整个1GHz至8GHz频率测试范围进行数据对比下, 可以看出绝大部分聚苯乙烯泡沫桌的相关数值与无测试桌测试结果之间的有效差值的绝对值均小于2d B, 但是其结果在频点2.3GHz及2.7GHz处均超过2d B, 因此在这个区间上表现出了差异性, 总体来说吻合程度比较高。而木制测试桌测试结果与无测试桌测试结果相对比得出的差值绝对值在1GHz至2.7GHz频段内其发生的变化较为明显, 尤其是在1GHz处最为明显, 为最大值频点。在6GHz至8GHz频段内测试得出的结果差值绝对值均大于2d B。对于其与无测试桌的相似程度相差较大, 能够明显看出。
通过对以上测试得出的结果综合分析, 可以得出以下结论:在1GHz-8GHz频率范围之内进行的测试结果表明, 聚苯乙烯泡沫测试桌对辐射骚扰测试结果的影响要远小于木制测试桌, 这从数据上就验证了聚苯乙烯泡沫测试桌在测试结果相较于木制测试桌有着明显的优势。
3 总结
综上所述, 通过对30MHz-1GHz频段以及1GHz-8GHz频段两个区间段测试结果的综合数据进行对比分析, 可以得出木制测试桌总体对与辐射骚扰测试结果的影响范围较大, 而聚苯乙烯泡沫测试桌的整体测试数据相较于木制测试桌的数据更加严谨和优越, 对木制测试桌具有明显的优势。同时聚苯乙烯泡沫测试桌由于本身的特质具有较好的耐潮湿性、电绝缘性和稳定性数据结果比较理想。当然, 由于其实验过程中, 有关的人员的操作等因素也会对实验数据有明显的影响, 因此, 对于测试结果要充分思量考虑, 确保数据能够贴合实际。
摘要：进行电子产品的辐射骚扰检测, 对于促进相关行业的进步和发展具有着明显的促进作用。不同的测试桌对于测试结果的影响均不会相同, 要想得到准确的测试结果, 只能采取在统一的区间段进行对比, 其结果与无测试桌的测试数据统一整理, 这样, 就可以有效的得出贴合实际的测试结果。
关键词：暗室,测试桌,电子产品辐射,骚扰检测
参考文献
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