CN101520482A - 一种提高测试精度的电磁辐射敏感测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高测试精度的电磁辐射敏感测试方法，包括用单个辐射天线从远场辐射，测量天线辐射功率、电场传感器场强值、天线与电场传感器距离；放置受试设备，布置多个电场传感器；记录此时电场传感器的值；将辐射天线靠近受试设备，是此时场强数值与上一步测量场强之差在0～6dB，记录此时电场传感器值；计算标准场强时辐射天线的功率；进行敏感测试这六个步骤，本发明给出测试标准规定的辐射场强E_lim与辐射天线的辐射功率P之间所满足条件；用天线理论推算出受试设备内部耦合场达到测试需要时辐射天线功率和测试点测量场强值之间所满足的条件，给出量化的计算方法，提高电磁辐射敏感测试精度，使得测试结果准确，测试结果可以复现。

Description

一种提高测试精度的电磁辐射敏感测试方法

技术领域

本发明涉及电磁兼容辐射敏感度测试方法，尤其涉及一种提高测试精度的电磁辐射敏感测试方法。

背景技术

按照GJB152A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》，辐射敏感度测试是电磁兼容测试中用来检验受试设备和有关电缆承受辐射电场的能力。

电场辐射敏感度试验的频率从10kHz～40GHz，甚至更高，覆盖了大部分已被利用的电磁频谱，是最广泛、最重要，也是最具有代表性敏感度试验项目之一。

辐射敏感度试验也是从上世纪60年代起被推广，迄今在多个国家的军用标准，如MIL-STD-461系列(美军标)、GJB151/152系列(英军标)、Defence Standard 59-411系列(国军标)，以及多个体系的民用标准，如ISO61000-4-6等。该试验被广泛的用于检测设备对干扰电场的敏感特性。

该试验最早来源于MIL-STD-461系列，几十年来一直沿用，基本未做修改，在某些领域已经不适用于系统级试验及其发展。国外在研究系统级辐射敏感度试验的改进方法时出现过TEM小室法、GTEM小室法和大电流注入法等替代方法，但在受试设备的尺寸上仍没有突破。上世纪80年代出现了混响室发，并在90年代得到广泛和深入研究。该方法可以解决对大型受试设备的辐射敏感度测试，但该方法的测试结果敏感特性是一种统计处理数据，仍需研究如何与传统的测试结果保持一致，并且方法尚无法准确确定敏感度门限等量化指标。

我国的标准体系参考美军标制定，由于GJB1389A没有对试验的方法尤其是输入功率电平的选取做明确的规定，为了保证测试的准确性，传统的方案一般参考GJB152A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》中10kHz～40GHz电场辐射敏感度的规定的输入功率电平要求选择电场辐射敏感度测试功率电平。

由于传统的电场辐射敏感度试验中的功率幅度方式调整主要依靠测试人员的经验，主观因素占有很大影响地位，而没有一个量化的功率幅度限制，并且无法给出试验结果的误差量化关系。

发明内容

本发明的目是为了解决系统级电场辐射敏感度测试中功率幅度调整主要依靠测试人员的经验，并且不容易达到受试设备内部耦合场在测试时所需要的均匀性条件，而且测试精度无法衡量，造成测试结果不准确，测试结果无法复现等问题，提出了一种提高电磁辐射敏感度测试精度的电磁辐射敏感测试方法。

本发明可以计算出测试所需要施加的辐射功率的大小，帮助测试实现对受试设备全角度范围的辐射敏感度的准确检测。通过在受试设备中模拟均匀辐射场，以达到辐射发射测试的测试条件。

本发明所述的一种提高测试精度的电磁辐射敏感测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一：在受试设备所在的测试地点放置一只电场传感器，使用单个辐射天线从远场对电场传感器进行辐射，辐射天线的输出功率从零开始增加，直到辐射天线的输出功率值达到测试地点的场强超过电场传感器的灵敏度，记录此时的辐射天线的辐射功率为P₁，辐射天线与电场传感器之间的距离为D₁，电场传感器测量值为E₁；

步骤二：在测试地点放置受试设备，使得受试设备的中心位置与辐射天线之间的距离为D₁，在受试设备内部均匀放置N个电场传感器，使用辐射天线从远场对受试设备进行辐射，辐射天线的位置和辐射功率与步骤一相同。

步骤三：切换不同位置的电场传感器，并记录此时电场传感器的场强分布数值E₁₁，E₁₂，…E_1N，其中N为电场传感器的个数。

步骤四：将辐射天线靠近对辐射电场耦合较强的受试设备的孔缝处，保持步骤二中的受试设备的位置和电场传感器的数量和布局，调整辐射天线的位置和辐射天线功率，使得此时电场传感器测得的电场数值E₂₁，E₂₂，…E_2N满足以下要求：

E₂₁，E₂₂，…E_2N的数值至少满足75％位置处测量场强与E₁₁，E₁₂，…E_1N数值差的绝对值在+0～+6dB，测试地点测量场强值E₂₁，E₂₂，…E_2N满足式(1)的关系：

$|\sqrt{{\left(\frac{E_{21}}{E_{11}}\right)}^2+{\left(\frac{E_{22}}{E_{12}}\right)}^2+\·\·\·+{\left(\frac{E_{22}}{E_{12}}\right)}^2}/N-1|\≤\mathrm{\δ}---\left(1\right)$

其中，δ为误差量级，可根据用户要求指定，比如0.01，其中N为放置的电场传感器数。

在该条件下，受试设备内部的场近似为均匀场，电场值E₂₁，E₂₂，…E_2N与步骤三中的辐射天线在受试设备内部产生的电场值E₁₁，E₁₂，…E_1N等效。记录此时的辐射天线功率为P₂，辐射天线和受试设备的距离为D₂。

步骤五：利用步骤四中得到的辐射天线功率P₂、电场传感器监测得到的场强值E₂₁，E₂₂，…E_2N，求出测试标准规定的辐射场强E_lim时，辐射天线和受试设备的距离为D₂时天线辐射功率P₃。

步骤六：按照步骤五中的辐射天线和受试设备的距离D₂，辐射天线的辐射功率P₃，判断受试设备是否敏感，如果不敏感，则记录不敏感；如果敏感则记录敏感，并按照军标中规定的方法确定受试设备的敏感门限电平。

本发明的优点在于：

(1)用天线理论推算出测试标准规定的辐射场强E_lim与辐射天线的辐射功率P之间所应该满足的条件；

(2)用天线理论推算出受试设备内部耦合场达到测试需要时辐射天线的功率和测试点测量场强值之间所满足的条件；

(3)改变以往电场辐射敏感度试验中的功率幅度方式调整主要依靠测试人员的经验，主观因素占有很大影响地位，本发明给出了一个量化的功率幅度计算方法；

(4)提高电磁辐射敏感测试精度，使得测试结果准确，测试结果可以复现。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种提高测试精度的电磁辐射敏感测试方法，流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：在测试地点使用单个辐射天线从远场进行辐射，在测试地点放置一只电场传感器，辐射天线的输出功率从零开始增加，直到辐射天线的输出功率值达到测试地点的场强超过电场传感器的灵敏度，记录此时的辐射天线的辐射功率为P₁，辐射天线与电场传感器之间的距离为D₁，电场传感器测量值为E₁；

电场传感器的电场达到测试规定的电场强度E_lim时的辐射天线功率P通过以下步骤获得：

设功率放大器输出功率为P_T(W)，由天线理论可知距离辐射天线R处的电场传感器接收功率P_R为

$P_R=\frac{P_T}{4\mathrm{\π}{R}^2}{G}_T\·S_e=\frac{P_T}{4\mathrm{\π}{R}^2}{G}_T\·\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}}{G}_R---\left(2\right)$

其中G_T为辐射天线增益，G_R为电场传感器效率，S_e为电场传感器的有效面积，λ为电场传感器接收到的电磁信号波长。

电场传感器接收到的电磁波的坡印廷矢量S_R＝E_R×H_R，在远场区，E_R为电场传感器接收到的电场，H_R为电场传感器接收到的磁场，同时满足自由空间条件，E_R，H_R两者相互垂直，其比值为常数120π。距辐射天线R处的坡印廷矢量模为E_R ²/120π，则辐射天线辐射场强E_T有：

$E_T^2=\frac{120\mathrm{\π}{P}_T{G}_T{G}_R{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}{R}^2\·4\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

等式(3)两边开方得：

$E_T=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{P}_T{G}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πR}}---\left(4\right)$

辐射天线的辐射功率为P₁，辐射天线与电场传感器之间的距离为D₁，电场传感器测量值为E₁，辐射天线增益G_T、电场传感器增益G_R、接收到的电磁波信号波长λ和电场传感器的电场E₁之间应满足公式(4)，代入得到如下式(5)：

$E_1=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{P}_1{G}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}---\left(5\right)$

设电场传感器的电场达到测试规定的电场强度数值为E_lim，辐射天线和受试设备的距离为D₁时需要的辐射天线功率设为P，根据式(4)有：

$E_{\lim }=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{\mathrm{PG}}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}---\left(6\right)$

将(5)和(6)两边相除：

$\frac{E_1}{E_{\lim }}=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{P}_1{G}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}/\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{\mathrm{PG}}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}=\sqrt{\frac{P_1}{P}}---\left(7\right)$

整理后得到：

$P=P_1\×{\left(\frac{E_{\lim }}{E_1}\right)}^2---\left(8\right)$

步骤二：在测试地点放置受试设备，受试设备的中心位置与辐射天线之间的距离为D₁，在受试设备内部均匀放置N个电场传感器，使用辐射天线从远场进行辐射，辐射天线的位置和辐射功率与步骤一相同。

步骤三：切换不同位置的电场传感器，并记录此时电场传感器的场强分布数值E₁₁，E₁₂，…E_1N，其中N为电场传感器的个数。

步骤四：将辐射天线靠近对辐射电场耦合较强的受试设备的孔缝处，保持步骤二中的受试设备的位置和电场传感器的数量和布局，调整辐射天线的位置和辐射天线功率，使得此时电场传感器测得的电场数值E₂₁，E₂₂，…E_2N满足以下要求：

E₂₁，E₂₂，…E_2N的数值至少满足75％位置处测量场强与E₁₁，E₁₂，…E_1N数值差的绝对值在+0～+6dB，测试点测量场强值E₂₁，E₂₂，…E_2N满足式(1)关系。

在该条件下，受试设备内部的场近似为均匀场，电场值E₂₁，E₂₂，…E_2N与步骤三中的辐射天线在受试设备内部产生的电场值E₁₁，E₁₂，…E_1N等效。记录此时的辐射天线功率为P₂，辐射天线和受试设备的距离为D₂。

步骤五：利用步骤四中得到的辐射天线功率P₂、电场传感器监测得到的场强值E₂₁，E₂₂，…E_2N，求出测试标准规定的辐射场强E_lim时，辐射天线和受试设备的距离为D₂时天线辐射功率P₃。

根据天线理论，为了使步骤四中电场传感器监测得到的E₂₁，E₂₂，…E_2N，达到满足测试标准规定的辐射场强E_lim，辐射天线的辐射功率P₃和P₁、P和P₂之间应该满足如下的关系：

$\frac{P_3}{P_2}=\frac{P}{P_1}---\left(9\right)$

将(8)代入(9)得到：

$P_3=P_2{\left(\frac{E_{\lim }}{E_1}\right)}^2---\left(10\right)$

式(10)两边取对数，并将单位换算成单位dB有：

P_3(dB)＝P_2(dB)+(E_lim(dB)-E_1(dB))   (11)

辐射天线以P_3(dB)功率辐射，即可使得受试设备内部耦合场即达到均匀场，又可以达到测试要求规定的场强值E_lim(dB)。增加辐射天线功率到功率值P₃，即可使受试设备内部耦合场达到测试需要的场均匀性的要求。

步骤六：按照步骤五中的辐射天线和受试设备的距离为D₂，辐射天线的辐射功率为P₃，判断受试设备是否敏感，如果不敏感，则记录不敏感；如果敏感则记录敏感，并按照军标中规定的方法确定受试设备的敏感门限电平。

Claims (1)

1、一种提高测试精度的电磁辐射敏感测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在测试地点使用单个辐射天线从远场进行辐射，在测试地点放置一只电场传感器，辐射天线的输出功率从零开始增加，直到辐射天线的输出功率值达到测试地点的场强超过电场传感器的灵敏度，记录此时的辐射天线的辐射功率为P₁，辐射天线与电场传感器之间的距离为D₁，电场传感器测量值为E₁；

电场传感器的电场达到测试规定的电场强度E_lim时的辐射天线功率P通过以下步骤获得：

设功率放大器输出功率为P_T(W)，由天线理论可知距离辐射天线R处的电场传感器接收功率P_R为

$P_R=\frac{P_T}{4\mathrm{\π}{R}^2}{G}_T\·S_e=\frac{P_T}{4\mathrm{\π}{R}^2}{G}_T\·\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}}{G}_R---\left(1\right)$

其中G_T为辐射天线增益，G_R为电场传感器效率，S_e为电场传感器的有效面积，λ为电场传感器接收到的电磁信号波长；

电场传感器接收到的电磁波的坡印廷矢量S_R＝E_R×H_R，在远场区，E_R为电场传感器接收到的电场，H_R为电场传感器接收到的磁场，同时满足自由空间条件，E_R，H_R两者相互垂直，其比值为常数120π，距辐射天线R处的坡印廷矢量模为E_R ²/120π，则辐射天线辐射场强E_T有：

$E_T^2=\frac{120\mathrm{\π}{P}_T{G}_T{G}_R{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}{R}^2\·4\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

等式(2)两边开方得：

$E_T=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{P}_T{G}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πR}}---\left(3\right)$

辐射天线的辐射功率为P₁，辐射天线与电场传感器之间的距离为D₁，电场传感器测量值为E₁，辐射天线增益G_T、电场传感器增益G_R、接收到的电磁波信号波长λ和电场传感器的电场E₁之间应满足公式(3)，代入得到如下式(4)：

$E_1=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{P}_1{G}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}---\left(4\right)$

设电场传感器的电场达到测试规定的电场强度数值为E_lim，辐射天线和受试设备的距离为D₁时需要的辐射天线功率设为P，根据式(3)有：

$E_{\lim }=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{\mathrm{PG}}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}---\left(5\right)$

将(4)和(5)两边相除：

$\frac{E_1}{E_{\lim }}=\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{P}_1{G}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}/\frac{\sqrt{30\mathrm{\π}{\mathrm{PG}}_T{G}_R}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{D}_1}=\sqrt{\frac{P_1}{P}}---\left(6\right)$

整理后得到：

$P=P_1\×{\left(\frac{E_{\lim }}{E_1}\right)}^2---\left(7\right)$

步骤二：在测试地点放置受试设备，受试设备的中心位置与辐射天线之间的距离为D₁，在受试设备内部均匀放置N个电场传感器，使用辐射天线从远场进行辐射，辐射天线的位置和辐射功率与步骤一相同；

步骤三：切换不同位置的电场传感器，并记录此时电场传感器的场强分布数值E₁₁，E₁₂，…E_1N，其中N为电场传感器的个数；

步骤四：将辐射天线靠近对辐射电场耦合较强的受试设备的孔缝处，保持步骤二中的受试设备的位置和电场传感器的数量和布局，调整辐射天线的位置和辐射天线功率，使得此时电场传感器测得的电场数值E₂₁，E₂₂，…E_2N满足以下要求：

E₂₁，E₂₂，…E_2N的数值至少满足75％位置处测量场强与E₁₁，E₁₂，…E_1N数值差的绝对值在+0～+6dB，测试点测量场强值E₂₁，E₂₂，…E_2N满足式(8)关系；

$|\sqrt{{\left(\frac{E_{21}}{E_{11}}\right)}^2+{\left(\frac{E_{22}}{E_{12}}\right)}^2+\·\·\·+{\left(\frac{E_{22}}{E_{12}}\right)}^2}/N-1|\≤\mathrm{\δ}---\left(8\right)$

其中，δ为误差量级，可根据用户要求指定，其中N为放置的电场传感器数；

在该条件下，受试设备内部的场近似为均匀场，电场值E₂₁，E₂₂，…E_2N与步骤三中的辐射天线在受试设备内部产生的电场值E₁₁，E₁₂，…E_1N等效；记录此时的辐射天线功率为P₂，辐射天线和受试设备的距离为D₂；

步骤五：利用步骤四中得到的辐射天线功率P₂、电场传感器监测得到的场强值E₂₁，E₂₂，…E_2N，求出测试标准规定的辐射场强E_lim时，辐射天线和受试设备的距离为D₂时天线辐射功率P₃；

根据天线理论，为了使步骤四中电场传感器监测得到的E₂₁，E₂₂，…E_2N，达到满足测试标准规定的辐射场强E_1im，辐射天线的辐射功率P₃和P₁、P和P₂之间应该满足如下的关系：

$\frac{P_3}{P_2}=\frac{P}{P_1}---\left(9\right)$

将(7)代入(9)得到：

$P_3=P_2{\left(\frac{E_{\lim }}{E_1}\right)}^2---\left(10\right)$

式(10)两边取对数，并将单位换算成单位dB有：

P_3(dB)＝P_2(dB)+(E_lim(dB)-E_1(dB))                  (11)

辐射天线以P_3(dB)功率辐射，即可使得受试设备内部耦合场即达到均匀场，又可以达到测试要求规定的场强值E_lim(dB)；增加辐射天线功率到功率值P₃，即可使受试设备内部耦合场达到测试需要的场均匀性的要求；

步骤六：按照步骤五中的辐射天线和受试设备的距离为D₂，辐射天线的辐射功率为P₃，判断受试设备是否敏感，如果不敏感，则记录不敏感；如果敏感则记录敏感，并按照军标中规定的方法确定受试设备的敏感门限电平。

Images