电磁兼容入门篇之辐射发射(辐射骚扰)试验

今天我们一起学习的是四个EMI测试项之一:辐射发射(RE),较前两篇相比的话,今天可能会有一点点深度,不过不用担心,我们先做一个了解,等到测试时或测试后再回过来结合本文,就能掌握的更深刻,或许还会有些特殊的感触!
好了,接下来进入正题,辐射发射(RE)测试是EMC的重要测试项之一,也是问题最多、最不容易通过的项目。不同类型的设备进行辐射发射测试时都需选取相应的产品标准,按照不同的设备等级和分类,来确定被测试设备(EUT)的测量限值和测试需求。本篇文章主要从定义、试验目的、试验设备、试验方法、试验配置等方面展开,后面也会结合具体例子说明。

1. 定义

辐射:辐射是能量以电磁波形式由源发射到空间的现象。虽然我们看不到摸不着,但就像空气一样,我们知道它是切实存在的,比如我们日常生活中经常说的手机辐射、电脑辐射等。

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辐射发射:辐射发射指电子、电气产品或系统由其内部电路工作时向其周围空间发射的电磁波。这个发射是通过空气作为传播路径而不是导线(包括信号线和电源线),既然称之为发射,那么肯定相对而言在其周围空间就有接收物体或设备存在。

2. 试验目的

辐射发射(RE)试验主要测试电子、电气设备或系统在正常工作时自身对外界的辐射干扰强度,包括来自电路板、机箱、电缆及连接线等所有部件的辐射骚扰。通过将试验测量值与限值比较来判断EUT的辐射发射是否合格,测量值低于限值则PASS,反之则FAIL。

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Tip:不同类型的产品可能有不同的限值,要结合我们上一篇讲述的产品专用标准或产品类标准来查找确定哦~

3. 试验设备及必备条件

3.1 测量接收机:测量接收机是EMI测试中最常用的基本测试仪器,仪器类型包括准峰值测量接收机、峰值测量接收机、平均值测量接收机和均方根值测量接收机。YY0505要求测量接收机测试范围覆盖30MHz—18GHz,具备PK(峰值)、QP(准峰值)、AV(平均值)检波器,测量接收机的几个重要指标分别是:6dB处的带宽、充电时间常数、放电时间常数、临界阻尼指示器的机械时间常数、过载系数。GB/T6113.1规定了频率段范围:

A频段——9~150kHz;

B频段——0.15~30MHz;

C频段——30~300MHz;

D频段——300~1000MHz;

E频段------1GHz以上

划重点:频段范围一定要记着,以后会到处用的到!

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对于准峰值测量接收机(包含测试控制系统和计算机软件),要求特性如下

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这里大家简单了解一下就好,后续会逐渐介绍这些个参数具体代表什么

在准峰值测量时,如果想要在某个频率点得到比较稳定的测量值,则测量时间应大于检波器充放电时间和电表机械时间常数之和,并且测量不止一个周期,所以一般准峰值测量时间要求比较长,在实际测量中,往往先用峰值进行全频段测量,然后再对接近或超过限值的频率点进行准峰值测量,这么做可以大大节省测量时间。

3.2 天线

天线是辐射发射试验的接收装置,由于辐射发射试验频率范围覆盖30MHz—18GHz,所以相应的在不同频率范围段有不同的天线相匹配,例如:

在30MHz-230MHz频段常常采用偶极子与双锥天线:

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双锥天线

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偶极子天线

230MHz-1GHz频段常采用对数周期、偶极子及对数螺旋天线:

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对数周期天线

还有一些其他的天线比如三环天线、喇叭天线等都可适当应用

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对数天线

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三环天线

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喇叭天线

关于天线的知识,由于种类太多,而且参数专业性知识比较强,想要了解更多的可以自己查找一些资料或者关注一下我的后续更新~

3.3 电波暗室

电波暗室,是主要用于模拟开阔场,同时用于辐射无线电骚扰(EMI)和辐射敏感度(EMS)测量的密闭屏蔽室。电波暗室的尺寸和射频吸波材料的选用主要由受试设备(EUT)的外行尺寸和测试要求确定,常见的有3m法或10m法。

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图为采用双锥天线在进行电脑的辐射发射试验

10m法参考配置:典型屏蔽内尺寸:21m(长)×12m(宽)×9m(高)。

3m法参考配置:典型屏蔽内尺寸:9m(长)×6m(宽)×6m(高)。

电波暗室可以由开阔场地替代:开阔场地至少应该在椭圆范围内没有任何可能反射电磁波的物体。使用开阔场地试验的话,EUT和天线放置于椭圆的两个焦点上,测量接收机则放在椭圆外。测试桌天线架都应是非金属的;地面应铺设金属板或金属栅网,板或网的连接处不应有电不连续点,孔、缝直径小于0.1λ,λ为拟测试的最高频率的波长,对于频率为1GHz,孔、缝直径应小于30mm;开阔场地的环境噪声越小越好,至少应比标准规定的EUT的骚扰限值低6dB。

比如广州所设备类型:

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4. 试验方法及配置

试验布置图如下

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4.1 EUT发出的电磁波将在各个金属面上发生发射和多次反射,故测试天线接受到的场强是直达波和反射波的矢量和,因此天线或者EUT的位置稍有变化,测试结果就会有很大不同,也因此在RE测试中,天线的高度、天线的极化方向以及转台的角度都要不断改变,以期检测到设备辐射的最大点。

4.2测试要素:

场地:开阔场地或半电波暗室;

木桌:0.8米高;

转台:360度旋转;

天线:选择合适类型,且在1~4米移动,并进行垂直极化和水平极化测试;

宽带天线、同轴电缆、骚扰测量仪组成50Ω匹配传输系统;

测试接收机:准峰值读值,峰值测量;

EUT:处于最敏感状态

曾经我有个困惑,天线为什么要上下移动呢?那我们知道由于EUT的结构,大小等的原因,天线并不能在固定的某一个高度就能接收到所有的EUT的发射最大值,上下扫描,总会探测到一个发射功率最大值,同时转动角度,可以获取到试验的最大值。那么我又想,为什么一定要在1m-4m之间而不是1m-5m或者其他的范围呢?当接收天线在1-4m移动时,接收到的场强以驻波形式变化,波峰波谷的高度差约为λ/4,那么为了保证在30MHz时也能找到最大场强,我们可以计算下此时λ=3*10^8/30MHz=10m,λ/4=2.5m,由于桌子本身高0.8m,所以下限设为1m,而上限则为0.8+2.5=3.3m,考虑到天线自身高度,故范围为1-4m。

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天线的阻抗、同轴电缆的阻抗和干扰测量仪的输入阻抗都应相等,阻抗不匹配将引起反射,形成驻波,影响读数准确性。水平和垂直两种状态都要测量,垂直放置时天线的最低端离地应大于25cm,以免影响天线的性能,采用频谱分析仪设在最大保持方式和对数dB显示方式。

5. 举例

还是以医疗器械某设备为例

5.1 设备的分组

1组:本为发挥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:为材料处理而有意产生和(或)使用电磁辐射射频能量的所有工科医设备。

大多数类型的设备和系统仅为其内部功能需要而产生或使用RF能量,因此属于1组,如心电图和心磁图设备和系统,脑电图和脑磁图设备和系统等,另外一些预期以非RF电磁形式传递能量给患者的设备和系统也属于1组设备,如医疗成像设备和系统——X射线诊断系统、CT系统、超声诊断系统等;治疗设备和系统——超声治疗系统,输液泵、呼吸机等;只有少数系统和设备是施加RF能量给材料(患者)的,属于2组设备,常见的有磁共振成像系统、透热疗法设备、热疗设备和高频手术系统等。

5.2 设备的分类
A类:非家用和不直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备。

B类:家用和直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备。

5.3 结合广州所检验某输注泵类产品报告来学习,首先是试验日期、温湿度、大气压力等环境因素填写,确保电磁环境和机械环境满足试验要求

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其次试验依据YY0505、GB4824-2013,按照我上面所讲设备分组分类,划分为1组(本为发挥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)A类(非家用和不直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备),

试验场地选择在10m法半电波暗室进行,GB4824-2013规定

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输注泵类产品为1组A类设备且输入功率<20kVA,由6.2.2.2可知在9kHz—150kHz时无适用限值,即不进行此频段测试;由表4我们可知在30MHz—230MHz准峰值限值为40dB(μV/m),在230MHz—1000MHz准峰值限值为47dB(μV/m)。

至于什么是dB,下一篇我会用一整篇文章来解释~

继续看报告:

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由上图及测试表格可知不同天线极性、高度以及不同转台角度和发射频率时测量值都在限值范围内,想想我们开始讲的测量值低于限值则PASS,反之则FAIL,故该产品辐射发射测试合格。

广州所是如何布置试验的呢:

连接图如下:

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实物布置图如下:

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好了,本篇课程就分享到这里了,对于不同产品测试标准和布置以及限值要求可能会不同哦,具体还是要查阅对应标准,文章后会列一些常用的检测依据,标准有疑问的小伙伴可以参考我上一篇文章哦~

辐射发射常见检测依据:

机车车辆设备电磁兼容要求GB/T 24338.4-2009,IEC 62236-3-2:2003;

轨道交通信号和通信设备的发射与抗扰度GB/T24338.5-2009,IEC 62236-4:2003;

地面供电装置和设备的发射与抗扰度GB/T 24338.6-2009,IEC 62236-5:2003;

机车车辆电子装置GB/T 25119-2010,IEC 60571:2006;

居住商业和轻工业环境中的发射 GB17799.3-2012,IEC 61000-6-3:2011;

工业环境中的发射 GB17799.4-2012,IEC 61000-6-4:2011;

信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法 GB/T 9254-2008,CISPR22:2006;

家用电器电动工具和类似器具的电磁兼容要求第1部分:发射 GB4343.1-2009,CISPR 14-1:2005;

测量控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求第1部分:通用要求 GB/T 18268.1-2010,IEC 61326-1:2005;

工业科学和医疗(ISM)射频设备骚扰特性限值和测量方法GB4824-2013,IEC CISPR 11:2010;

可编程序控制器设备要求和测试GB/T15969.2-2008,IEC 61131-2:2007;

计算机通用规范第1部分:台式微型计算机 GB/T 9813.1-2016;

量度继电器和保护装置第26部分:电磁兼容要求GB/T14598.26-2015,IEC 60255-26:2013。

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