混響室條件下輻射敏感度表征方法研究

賈銳， 王慶國(guó)， 王樹嶠， 程二威， 劉逸飛

(軍械工程學(xué)院 電磁環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北，石家莊 050003)

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混響室條件下輻射敏感度表征方法研究

賈銳， 王慶國(guó)， 王樹嶠， 程二威， 劉逸飛

(軍械工程學(xué)院 電磁環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北，石家莊 050003)

為確定混響室條件下輻射敏感度的表征方法，分別對(duì)混響室步進(jìn)模式和連續(xù)模式下的電磁環(huán)境特征進(jìn)行分析，得出可能的幾種表征方法. 再將某型電子設(shè)備分別在兩種工作模式下進(jìn)行電磁輻射敏感度測(cè)試，利用幾種可能的表征方法分別得出其測(cè)試結(jié)果，并對(duì)各個(gè)表征方法進(jìn)行分析. 基于貝塞爾公式對(duì)各個(gè)可能的表征方法進(jìn)行重復(fù)性及不確定檢測(cè). 結(jié)果表明，為了獲得良好的測(cè)試可重復(fù)性及不同模式的測(cè)試結(jié)果相關(guān)性，混響室步進(jìn)模式時(shí)，可采用多個(gè)步進(jìn)位置的平均值作為輻射敏感度的測(cè)試結(jié)果；混響室工作于連續(xù)模式時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行表征.

混響室；輻射敏感度；表征方法；統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)；不確定度

近年來，混響室以其獨(dú)特的電磁環(huán)境特征，被越來越多的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所接受，在電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地中發(fā)揮著重要作用[1-2]. 典型的機(jī)械攪拌混響室是裝備有一個(gè)或多個(gè)機(jī)械攪拌器的高導(dǎo)電率金屬諧振腔，內(nèi)置的攪拌器以步進(jìn)模式或連續(xù)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變腔體內(nèi)電磁場(chǎng)的邊界條件[3-4]. 混響室的工作原理是通過改變工作區(qū)域電磁場(chǎng)的邊界條件，從而改變電磁模式分布情況. 對(duì)于機(jī)械攪拌混響室來說，邊界條件改變?cè)矫黠@，其內(nèi)部電磁模式分布變化越大. 同時(shí)，無論混響室工作于步進(jìn)模式還是連續(xù)模式，正是由于腔體內(nèi)電磁環(huán)境的邊界條件變化過于頻繁，使得測(cè)試區(qū)域內(nèi)的電磁環(huán)境呈現(xiàn)出波動(dòng)狀態(tài).

混響室作為一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)理論的電磁測(cè)試環(huán)境，其內(nèi)部電磁環(huán)境在不同邊界條件的擾動(dòng)情況下會(huì)有非常大的不同[5-6]. 利用混響室進(jìn)行電磁輻射敏感度實(shí)驗(yàn)時(shí)，機(jī)械攪拌器位于不同攪拌位置時(shí)，其受試設(shè)備所面臨的干擾電磁場(chǎng)，無論是幅值大小，還是入射方向、極化方向都有所不同. 不同的電磁環(huán)境的測(cè)試結(jié)果肯定也是不同的，這就給混響室條件下輻射敏感度測(cè)試的可重復(fù)性造成了非常大的困難. 因此，用什么樣的測(cè)試結(jié)果表征電磁敏感度閾值，也是需要通過試驗(yàn)總結(jié)和確定的一個(gè)研究?jī)?nèi)容.

本文正式著眼于此，將受試設(shè)備分別置于混響室兩種工作模式當(dāng)中，進(jìn)行電磁輻射敏感度測(cè)試，并對(duì)不同表征方法得出的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析. 最后得出符合混響室“全向輻射”電磁環(huán)境特征的輻射敏感度表征方法.

1 混響室條件下電磁輻射敏感度表征原則

混響室內(nèi)特有的“全向輻射”電磁環(huán)境決定了輻射敏感度必須有不同與其它傳統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)地的表征方法. 一方面，攪拌器停留在某一獨(dú)立攪拌位置上時(shí)，混響室內(nèi)的電磁場(chǎng)空間分布不均勻，有一定強(qiáng)弱分布的規(guī)律，尤其對(duì)于系統(tǒng)級(jí)裝備，不同分系統(tǒng)由于擺放布局位置不同，所經(jīng)受的場(chǎng)強(qiáng)幅值也不同；另一方面，由于混響室統(tǒng)計(jì)特性，受試設(shè)備的電磁敏感度在不同攪拌器位置時(shí)會(huì)有明顯的差別. 通常，判斷一種測(cè)試方法是否可行的原則有兩個(gè)：該測(cè)試方法的測(cè)試可重復(fù)性；混響室不同工作模式測(cè)試結(jié)果的一致性.

對(duì)于步進(jìn)攪拌模式，受試設(shè)備輻射敏感度可能的表征方法有3種：① 所有攪拌位置測(cè)試結(jié)果的最小值；② 所有測(cè)試結(jié)果的最大值；③ 所有攪拌位置測(cè)試結(jié)果的平均值. 對(duì)于連續(xù)模式，可能的表征方法有：① 攪拌器旋轉(zhuǎn)一周測(cè)得的最大值；② 攪拌器旋轉(zhuǎn)一周測(cè)得的最小值；③ 取一定時(shí)間內(nèi)測(cè)試結(jié)果的平均值.

目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定受試設(shè)備的尺寸不得超過混響室容積的8%，加載后不會(huì)明顯影響混響室內(nèi)電磁場(chǎng)分布規(guī)律. 在滿足這個(gè)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)電子設(shè)備進(jìn)行混響室電磁輻射敏感度測(cè)試，文中選取其中一個(gè)電子設(shè)備的測(cè)試結(jié)果為例，研究不同工作模式下不同敏感度表征方法的測(cè)試結(jié)果.

2 輻射敏感度表征方法研究

2.1 步進(jìn)模式

當(dāng)混響室工作于步進(jìn)模式時(shí)，有3種可能的表征方法. 將不同表征方法總結(jié)起來就是攪拌器多個(gè)步進(jìn)位置的平均值或極值，其中極值分為最大值和最小值.

將受試設(shè)備置于混響室測(cè)試區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過校準(zhǔn)后，測(cè)試區(qū)域內(nèi)場(chǎng)均勻性滿足測(cè)試要求，方可開始進(jìn)行測(cè)試. 考慮到保密要求，這里只給出測(cè)試頻點(diǎn)數(shù)目，而對(duì)具體頻點(diǎn)位置和敏感閾值單位進(jìn)行隱藏. 圖1給出了步進(jìn)模式下，利用3種可能成為輻射敏感度測(cè)試結(jié)果的表征方法5次的測(cè)試結(jié)果.

圖1給出了采用多個(gè)步進(jìn)位置的平均值，多個(gè)位置的最大值及最小值作為敏感度閾值的5次重復(fù)性測(cè)試曲線. 從圖中可以清楚看出，不同表征方法的測(cè)試結(jié)果，其敏感度趨勢(shì)都是一致的. 同時(shí)，采用多個(gè)步進(jìn)位置平均值作為測(cè)試結(jié)果，其測(cè)試可重復(fù)性要優(yōu)于僅提取某一個(gè)攪拌器位置時(shí)所測(cè)得的的極值作為測(cè)試結(jié)果的情況. 對(duì)比采用多個(gè)攪拌位置極值的兩種情況，采用最小值作為測(cè)試結(jié)果，其測(cè)試可重復(fù)性要優(yōu)于采用最大值的測(cè)試結(jié)果.

考慮到混響室內(nèi)“全向輻射”電磁環(huán)境特征，其敏感度測(cè)試結(jié)果必須與其環(huán)境特點(diǎn)相吻合. 當(dāng)攪拌器停留在某一位置時(shí)，混響室內(nèi)電磁環(huán)境并不能呈現(xiàn)出各向同性、統(tǒng)計(jì)均勻等混響室所獨(dú)有的電磁環(huán)境特征. 當(dāng)觀察點(diǎn)在測(cè)試區(qū)域空間某點(diǎn)時(shí)，各個(gè)方向上的電磁輻射并不相等，極化方向也是隨機(jī)的，其電磁特征失去了方向特性. 故此時(shí)的瞬時(shí)測(cè)試結(jié)果并不能代表混響室特殊電磁環(huán)境內(nèi)的敏感度閾值. 因此，考慮到測(cè)試可重復(fù)性以及“全向輻射”電磁環(huán)境特征，步進(jìn)模式選用多個(gè)步進(jìn)位置平均值作為敏感度閾值是更有效的選擇.

若是要考察受試設(shè)備的電磁輻射敏感度的極值，步進(jìn)條件下多個(gè)攪拌位置測(cè)試結(jié)果的最小值也可作為測(cè)試結(jié)果. 但要注意，采用多個(gè)攪拌位置最小值作為測(cè)試結(jié)果，其反映的電磁場(chǎng)并非是典型混響室內(nèi)電磁環(huán)境特征. 原因在于攪拌器停留在某一攪拌位置時(shí)，混響室腔體內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)弱分布并不均勻，且失去了方向特性. 此時(shí)，與開闊場(chǎng)或暗室等傳統(tǒng)電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地相比，無論是測(cè)試時(shí)間還是敏感方向的尋找，混響室都毫無優(yōu)勢(shì).

2.2 連續(xù)模式

與步進(jìn)攪拌模式不同，當(dāng)混響室工作于連續(xù)模式時(shí)，腔體內(nèi)的攪拌器不再步進(jìn)攪拌，而是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng). 由于攪拌器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成混響室腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)也處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)分布處于時(shí)刻變化的狀態(tài). 此時(shí)，對(duì)混響室內(nèi)瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)的提取是沒有意義的. 利用場(chǎng)強(qiáng)計(jì)的fast-mode模式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)有很大突變，而且可重復(fù)性差.

實(shí)際上，混響室的一個(gè)重要特點(diǎn)就是統(tǒng)計(jì)均勻，即一定時(shí)間內(nèi)混響室內(nèi)的電磁場(chǎng)是統(tǒng)計(jì)均勻的. 若是對(duì)攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)過程中某一時(shí)間內(nèi)的場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，場(chǎng)強(qiáng)探頭的測(cè)試可行性以及測(cè)試的可重復(fù)性是否都會(huì)有所改善. 把統(tǒng)計(jì)平均的時(shí)間定義為統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)(statistic mean time ，SMT)，這是連續(xù)攪拌模式的一個(gè)很重要的參數(shù).

圖2給出了某敏感頻率處，直接提取測(cè)試區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)50次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 由圖可以看出，數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，50次測(cè)試結(jié)果幾乎沒有任何重復(fù)性. 顯然，直接提取測(cè)試區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)很難作為連續(xù)模式條件下輻射敏感度的測(cè)試結(jié)果.

圖3，圖4分別給出了統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)為1 s和4 s時(shí)的測(cè)試結(jié)果.

通過對(duì)比可以看出其波動(dòng)性要小于圖2直接提取場(chǎng)強(qiáng)的結(jié)果，且統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)越長(zhǎng)其測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性越好. 但并不是統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)越長(zhǎng)越好，在考慮到重復(fù)性的同時(shí)還應(yīng)考慮到由于選擇較長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)帶來的場(chǎng)的滯后性. 選擇較長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)盡管可以得到較好的測(cè)試可重復(fù)性，但也會(huì)使得場(chǎng)強(qiáng)計(jì)采集到的場(chǎng)強(qiáng)值會(huì)滯后于被測(cè)設(shè)備受到干擾時(shí)的電場(chǎng)，此時(shí)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)所輸出的場(chǎng)強(qiáng)值并不是受試設(shè)備產(chǎn)生效應(yīng)時(shí)所處的電磁場(chǎng). 這說明選擇合適的統(tǒng)計(jì)時(shí)間參數(shù)可以得到重復(fù)性良好的測(cè)試結(jié)果. 針對(duì)不同的受試設(shè)備，需要選擇不同的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù). 對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行敏感度測(cè)試時(shí)，利用自編軟件，對(duì)多個(gè)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行提取. 再計(jì)算多個(gè)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)的增大，其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減小. 選取標(biāo)準(zhǔn)偏差趨于平穩(wěn)的第一個(gè)時(shí)間參數(shù)作為該設(shè)備的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù). 因此連續(xù)模式的測(cè)試結(jié)果可利用統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)來得到重復(fù)性良好的測(cè)試結(jié)果.

2.3 兩種工作模式測(cè)試結(jié)果對(duì)比

為檢驗(yàn)兩種工作模式選用的表征方法是否合適，除了重復(fù)性因素外，還要考慮兩種模式的測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性. 圖5給出了混響室兩種工作模式條件下，同一受試設(shè)備在9個(gè)不同頻點(diǎn)下的測(cè)試結(jié)果. 步進(jìn)模式選擇IEC61000-4-21中規(guī)定的至少12個(gè)獨(dú)立攪拌位置. 實(shí)線為步進(jìn)模式采用12個(gè)步進(jìn)位置平均值的測(cè)試結(jié)果，虛線為連續(xù)模式采用統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)為4 s的測(cè)試結(jié)果. 通過圖5可看出兩種工作模式測(cè)試結(jié)果的趨勢(shì)是一致的. 這說明，兩種工作模式選用的敏感度表征方法在滿足重復(fù)性的基礎(chǔ)上，也滿足第二個(gè)判斷指標(biāo)，即測(cè)試相關(guān)性.

圖5中，步進(jìn)模式的測(cè)試結(jié)果要略大于連續(xù)模式的測(cè)試結(jié)果. 這是由于當(dāng)混響室工作于步進(jìn)模式時(shí)，選取的是所有的12個(gè)步進(jìn)位置的平均值作為測(cè)試結(jié)果，這12個(gè)步進(jìn)位置的測(cè)試區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)幅值是不同的，這中間包含了一些較弱的場(chǎng). 而連續(xù)攪拌模式則是忽略了弱場(chǎng)，只在測(cè)試區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)幅值較強(qiáng)時(shí)，提取的測(cè)試結(jié)果. 因此，步進(jìn)模式的測(cè)試結(jié)果是強(qiáng)場(chǎng)弱場(chǎng)條件下的綜合測(cè)試結(jié)果，而連續(xù)模式的測(cè)試結(jié)果主要反映受試設(shè)備在強(qiáng)場(chǎng)條件下的敏感度閾值. 這也解釋了步進(jìn)模式的測(cè)試結(jié)果略大于連續(xù)模式測(cè)試結(jié)果的原因.

3 誤差分析

分別從統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和不確定度理論兩個(gè)方面分析不同表征方法的重復(fù)性. 統(tǒng)計(jì)學(xué)方面，利用貝塞爾公式計(jì)算測(cè)試結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；不確定度理論方面，計(jì)算平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差.

式(1)為貝塞爾公式，其物理意義為單次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；式(2)為基于貝塞爾公式的平均值實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，在測(cè)量不確定度領(lǐng)域，式(2)成為測(cè)量值重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式.

(1)

(2)

式中：x為測(cè)試樣本值；N為樣本數(shù)量. 圖6表示了連續(xù)模式條件下5種表征方法的單次測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差和求取平均值以后的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差. 由圖6可以看出，當(dāng)取代表瞬時(shí)值的fast-mode模式時(shí)，無論其單次測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差還是求取平均值后的標(biāo)準(zhǔn)偏差都是最大的，這與上一節(jié)的分析相同. 因此，利用混響室進(jìn)行電磁輻射敏感度測(cè)試時(shí)，為取得良好的測(cè)試可重復(fù)性，應(yīng)利用統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)(tSM)使得測(cè)試結(jié)果更具普遍性.

4 結(jié) 論

混響室的兩種工作模式攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)方式不同，腔體內(nèi)電磁場(chǎng)邊界條件變化方式不同，造成測(cè)試區(qū)域電磁場(chǎng)變化規(guī)律不同. 這就決定了利用混響室進(jìn)行輻射敏感度測(cè)試時(shí)，不同工作方式需要不同與其他測(cè)試場(chǎng)地的表征方法. 通過實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)混響室工作于步進(jìn)模式時(shí)，選擇多個(gè)步進(jìn)位置測(cè)試結(jié)果的平均值，可獲得良好的測(cè)試可重復(fù)性，多個(gè)步進(jìn)位置測(cè)試測(cè)試結(jié)果的最小值也可作為一種表征方法，但其物理意義不同. 平均值表示受試設(shè)備對(duì)“全向輻照”電磁環(huán)境的敏感度閾值，而最小值表示受試設(shè)備的電磁輻射敏感度的極值，但由于混響室內(nèi)電磁環(huán)境特征，此時(shí)失去了方向特性. 當(dāng)混響室工作于連續(xù)模式時(shí)，若直接將瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)定義為輻射敏感度，則測(cè)試結(jié)果沒有可重復(fù)性. 若要達(dá)到良好的測(cè)試重復(fù)性，選用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)即可獲得. 利用自編軟件，計(jì)算多個(gè)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù)的增大，其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減小. 選取標(biāo)準(zhǔn)偏差趨于平穩(wěn)的第一個(gè)時(shí)間參數(shù)作為該設(shè)備的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間參數(shù).

此外，還對(duì)混響室兩種工作模式測(cè)試結(jié)果相關(guān)性進(jìn)行了研究. 最后，利用貝塞爾公式對(duì)兩種工作模式的測(cè)試不確定度進(jìn)行了分析. 結(jié)果表明，步進(jìn)模式取多個(gè)攪拌位置測(cè)試結(jié)果均值，連續(xù)模式取時(shí)間參數(shù)均值作為測(cè)試結(jié)果時(shí)，兩種工作模式測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性最高.

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(責(zé)任編輯：劉芳)

Research on the Characterization of Susceptibility Threshold in Reverberation Chamber

JIA Rui， WANG Qing-guo， WANG Shu-qiao， CHENG Er-wei， LIU Yi-fei

(Electrostatic & Electromagnetic Protection Institute， Mechanical Engineering College， Shijiazhuang, Hebei 050003， China)

In order to determine the characterization of susceptibility threshold in reverberation chamber, the electromagnetic fields of two working modes were analyzed, and some possible characterization methods were proposed. A typically electrical device was fixed inside reverberation chamber (RC) to investigate the measurement results of the possible characterization methods, analyzing every characterization method. Furthermore, Bessel functions were used to test the repeatability and uncertainty of the proposed methods. The results show that the mean values in turned-mode and statistic mean time (SMT) in stirred-mode can obtain the good repeatable susceptibility threshold and correlation between different work modes.

reverberation chamber; susceptibility threshold; characterization; statistic mean time (SMT); uncertainty

2013-08-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277180，51107147)；國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9140C87020211JB34)

賈銳(1986—)，男，博士，E-mail:jiaruii15@163.com.

TN 97； O 441

A

1001-0645(2016)01-0100-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.018