輻射發射(RE)測試是EMC的重要測試項之一,也是問題最多、最不容易通過的項目。不同類型的設備進行輻射發射測試時都需選取相應的產品標准,按照不同的設備等級和分類,來確定被測試設備(EUT)的測量限值和測試需求。
本篇文章主要從定義、試驗目的、試驗設備、試驗方法、試驗配置等方面展開說明。
1. 定義
輻射:輻射是能量以電磁波形式由源發射到空間的現象。雖然我們看不到摸不着,但就像空氣一樣,我們知道它是切實存在的,比如我們日常生活中經常說的手機輻射、電腦輻射等。
輻射發射:輻射發射指電子、電氣產品或系統由其內部電路工作時向其周圍空間發射的電磁波。這個發射是通過空氣作為傳播路徑而不是導線(包括信號線和電源線),既然稱之為發射,那么肯定相對而言在其周圍空間就有接收物體或設備存在。
2. 試驗目的
輻射發射(RE)試驗主要測試電子、電氣設備或系統在正常工作時自身對外界的輻射干擾強度,包括來自電路板、機箱、電纜及連接線等所有部件的輻射騷擾。通過將試驗測量值與限值比較來判斷EUT的輻射發射是否合格,測量值低於限值則PASS,反之則FAIL。
Tip:不同類型的產品可能有不同的限值,要結合我們上一篇講述的產品專用標准或產品類標准來查找確定。
3. 試驗設備及必備條件
3.1 測量接收機:測量接收機是EMI測試中最常用的基本測試儀器,儀器類型包括准峰值測量接收機、峰值測量接收機、平均值測量接收機和均方根值測量接收機。YY0505要求測量接收機測試范圍覆蓋30MHz—18GHz,具備PK(峰值)、QP(准峰值)、AV(平均值)檢波器,測量接收機的幾個重要指標分別是:6dB處的帶寬、充電時間常數、放電時間常數、臨界阻尼指示器的機械時間常數、過載系數。GB/T6113.1規定了頻率段范圍:
A頻段——9~150kHz;
B頻段——0.15~30MHz;
C頻段——30~300MHz;
D頻段——300~1000MHz;
E頻段------1GHz以上
對於准峰值測量接收機(包含測試控制系統和計算機軟件),要求特性如下
在准峰值測量時,如果想要在某個頻率點得到比較穩定的測量值,則測量時間應大於檢波器充放電時間和電表機械時間常數之和,並且測量不止一個周期,所以一般准峰值測量時間要求比較長;
在實際測量中,往往先用峰值進行全頻段測量,然后再對接近或超過限值的頻率點進行准峰值測量,這么做可以大大節省測量時間。
3.2 天線
天線是輻射發射試驗的接收裝置,由於輻射發射試驗頻率范圍覆蓋30MHz—18GHz,所以相應的在不同頻率范圍段有不同的天線相匹配,例如:
在30MHz-230MHz頻段常常采用偶極子與雙錐天線:
雙錐天線
偶極子天線
230MHz-1GHz頻段常采用對數周期、偶極子及對數螺旋天線:
對數周期天線
還有一些其他的天線比如三環天線、喇叭天線等都可適當應用
對數天線
三環天線
喇叭天線
關於天線的知識,由於種類太多,而且參數專業性知識比較強,想要了解更多的可以自己查找一些資料
3.3 電波暗室
電波暗室,是主要用於模擬開闊場,同時用於輻射無線電騷擾(EMI)和輻射敏感度(EMS)測量的密閉屏蔽室。電波暗室的尺寸和射頻吸波材料的選用主要由受試設備(EUT)的外形尺寸和測試要求確定,常見的有3m法或10m法。
圖為采用雙錐天線在進行電腦的輻射發射試驗
10m法參考配置:典型屏蔽內尺寸:21m(長)×12m(寬)×9m(高)
3m法參考配置:典型屏蔽內尺寸:9m(長)×6m(寬)×6m(高)
電波暗室可以由開闊場地替代:開闊場地至少應該在橢圓范圍內沒有任何可能反射電磁波的物體。使用開闊場地試驗的話,EUT和天線放置於橢圓的兩個焦點上,測量接收機則放在橢圓外。
測試桌天線架都應是非金屬的;地面應鋪設金屬板或金屬柵網,板或網的連接處不應有電不連續點,孔、縫直徑小於0.1λ,λ為擬測試的最高頻率的波長,對於頻率為1GHz,孔、縫直徑應小於30mm;開闊場地的環境噪聲越小越好,至少應比標准規定的EUT的騷擾限值低6dB。
比如廣州所設備類型:
4. 試驗方法及配置
試驗布置圖如下
4.1 EUT發出的電磁波將在各個金屬面上發生發射和多次反射,故測試天線接受到的場強是直達波和反射波的矢量和,因此天線或者EUT的位置稍有變化,測試結果就會有很大不同;
也因此在RE測試中,天線的高度、天線的極化方向以及轉台的角度都要不斷改變,以期檢測到設備輻射的最大點。
4.2測試要素:
場地:開闊場地或半電波暗室;
木桌:0.8米高;
轉台:360度旋轉;
天線:選擇合適類型,且在1~4米移動,並進行垂直極化和水平極化測試;
寬帶天線、同軸電纜、騷擾測量儀組成50Ω匹配傳輸系統;
測試接收機:准峰值讀值,峰值測量;
EUT:處於最敏感狀態
曾經我有個困惑,天線為什么要上下移動呢?那我們知道由於EUT的結構,大小等的原因,天線並不能在固定的某一個高度就能接收到所有的EUT的發射最大值,上下掃描,總會探測到一個發射功率最大值,同時轉動角度,可以獲取到試驗的最大值。
那么我又想,為什么一定要在1m-4m之間而不是1m-5m或者其他的范圍呢?當接收天線在1-4m移動時,接收到的場強以駐波形式變化,波峰波谷的高度差約為λ/4,那么為了保證在30MHz時也能找到最大場強,我們可以計算下此時λ=3*10^8/30MHz=10m,λ/4=2.5m,由於桌子本身高0.8m,所以下限設為1m,而上限則為0.8+2.5=3.3m,考慮到天線自身高度,故范圍為1-4m。
天線的阻抗、同軸電纜的阻抗和干擾測量儀的輸入阻抗都應相等,阻抗不匹配將引起反射,形成駐波,影響讀數准確性。水平和垂直兩種狀態都要測量,垂直放置時天線的最低端離地應大於25cm,以免影響天線的性能,采用頻譜分析儀設在最大保持方式和對數dB顯示方式。
5. 舉例
還是以醫療器械某設備為例
5.1 設備的分組
1組:本為發揮自身功能的需要而有意產生和(或)使用傳導耦合射頻能量的所有工科醫設備。
2組:為材料處理而有意產生和(或)使用電磁輻射射頻能量的所有工科醫設備。
大多數類型的設備和系統僅為其內部功能需要而產生或使用RF能量,因此屬於1組,如心電圖和心磁圖設備和系統,腦電圖和腦磁圖設備和系統等,另外一些預期以非RF電磁形式傳遞能量給患者的設備和系統也屬於1組設備,如醫療成像設備和系統——X射線診斷系統、CT系統、超聲診斷系統等;治療設備和系統——超聲治療系統,輸液泵、呼吸機等;只有少數系統和設備是施加RF能量給材料(患者)的,屬於2組設備,常見的有磁共振成像系統、透熱療法設備、熱療設備和高頻手術系統等。
5.2 設備的分類
A類:非家用和不直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備。
B類:家用和直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備。
5.3 結合廣州所檢驗某輸注泵類產品報告來學習,首先是試驗日期、溫濕度、大氣壓力等環境因素填寫,確保電磁環境和機械環境滿足試驗要求
其次試驗依據YY0505、GB4824-2013,按照我上面所講設備分組分類,划分為1組(本為發揮自身功能的需要而有意產生和(或)使用傳導耦合射頻能量的所有工科醫設備)A類(非家用和不直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備),
試驗場地選擇在10m法半電波暗室進行,GB4824-2013規定
輸注泵類產品為1組A類設備且輸入功率<20kVA,由6.2.2.2可知在9kHz—150kHz時無適用限值,即不進行此頻段測試;由表4我們可知在30MHz—230MHz准峰值限值為40dB(μV/m),在230MHz—1000MHz准峰值限值為47dB(μV/m)。
繼續看報告:
由上圖及測試表格可知不同天線極性、高度以及不同轉台角度和發射頻率時測量值都在限值范圍內,想想我們開始講的測量值低於限值則PASS,反之則FAIL,故該產品輻射發射測試合格。
廣州所是如何布置試驗的呢:
連接圖如下:
實物布置圖如下:
輻射發射常見檢測依據:
機車車輛設備電磁兼容要求GB/T 24338.4-2009,IEC 62236-3-2:2003;
軌道交通信號和通信設備的發射與抗擾度GB/T24338.5-2009,IEC 62236-4:2003;
地面供電裝置和設備的發射與抗擾度GB/T 24338.6-2009,IEC 62236-5:2003;
機車車輛電子裝置GB/T 25119-2010,IEC 60571:2006;
居住商業和輕工業環境中的發射 GB17799.3-2012,IEC 61000-6-3:2011;
工業環境中的發射 GB17799.4-2012,IEC 61000-6-4:2011;
信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法 GB/T 9254-2008,CISPR22:2006;
家用電器電動工具和類似器具的電磁兼容要求第1部分:發射 GB4343.1-2009,CISPR 14-1:2005;
測量控制和實驗室用的電設備電磁兼容性要求第1部分:通用要求 GB/T 18268.1-2010,IEC 61326-1:2005;
工業科學和醫療(ISM)射頻設備騷擾特性限值和測量方法GB4824-2013,IEC CISPR 11:2010;
可編程序控制器設備要求和測試GB/T15969.2-2008,IEC 61131-2:2007;
計算機通用規范第1部分:台式微型計算機 GB/T 9813.1-2016;
量度繼電器和保護裝置第26部分:電磁兼容要求GB/T14598.26-2015,IEC 60255-26:2013。