利用近場探頭預判輻射發射測試結果及應用實例

吳瑞豪 陳婉如 田禾箐 / 上海市計量測試技術研究院；上海市在線檢測與控制技術重點實驗室

0 引言

在電磁兼容測試中，輻射發射測試是考量電子設備對外電磁輻射量大小的重要項目，以保證電子設備在投入實際應用后對外界環境的電磁輻射干擾達到標準規定值以內。通常情況下，為了提高測試準確性，避免外界電磁噪聲的影響，輻射發射測試一般在半電波暗室中進行，如圖1所示。暗室內五個面上都敷設了吸波材料，另外暗室內還配置了很多自動化設施，如轉臺系統、天線系統以及監控系統，提高了測試效率。人員在暗室外可以實時了解內部情況，從而為樣品測試結果的分析、樣品輻射發射整改方案提供可靠的依據。

圖1 半電波暗室

目前，電磁兼容檢測行業中，半電波暗室按照樣品的測試距離分為兩種，即3 m半電波暗室以及10 m半電波暗室。前者對場地空間要求低，很多大型的設備研發廠商都建有專門的3 m半電波暗室，可以用于對新研發產品的輻射發射進行評估；而10 m半電波暗室對場地要求高，占地空間大，僅大型正規電磁兼容檢測機構有建造與維護10 m半電波暗室的條件。因此，對于大部分研發企業而言，首選3 m半電波暗室作為產品電磁兼容性能評估與預判的場地。當然，其缺點也很明顯，即測試準確性會受到一定的近場效應影響，相比在10 m半電波暗室的測試結果準確性要低一些，導致很多電磁兼容問題的評估存在誤差。另外，一些尺寸較大的樣品不適合在3 m半電波暗室開展輻射發射試驗，這也成為很多研發企業在電磁兼容性能評估上的一大難題。

由于開展專業的輻射發射測試費時費力，并且不便于定位樣品的發射源位置，很多研發人員設計了一些簡單的方法，有針對性地對樣品輻射發射情況作出分析，為樣品整改提供了更好的方向。

近場探頭是一種可以靠近樣品測量電磁輻射情況的儀器，配合頻譜分析儀或者接收機可以形成近場測試系統，在電磁兼容性能評估中有著重要的作用。相比于直接在3 m半電波暗室進行專業輻射發射測試，近場探頭雖然測量準確度較低，但可以快速、準確地定位輻射騷擾源的位置，并且對于場地的要求不高，一般在屏蔽室內即可使用。為大部分中小型研發企業提供了一種低成本、高效的輻射發射預判方法，也是目前主流的輻射發射整改參考手段之一。近場天線結構簡單，通常包括電場探頭和磁場探頭，如圖2、圖3所示。通常根據實際情況可以合理地選用其中一種探頭進行測量，從而得到更準確的結果。

圖2 電場探頭

圖3 磁場探頭

1 輻射發射測試中近場與遠場的理論轉換

輻射騷擾源發出的電磁波包括電場和磁場，由于分布參數的影響，在騷擾源附近的電磁場情況比較復雜，通常由束縛場和輻射場疊加而成，即近場區； 當離開騷擾源一定距離后，束縛場的影響已經微乎其微，空間傳播的電磁波主要以輻射場形式存在，即遠場區。對于波長為λ的電磁波，近場與遠場的分界線一般為

可見，對于頻率越低的電磁波，波長越長，其近場區范圍也越大。在專業的輻射發射測試中應避免在近場區進行測試，目的為避開束縛場造成的不確定性影響，減小測量誤差。例如，輻射發射測試的最低頻率為30 MHz，其對應遠、近場分界線為1.59 m。因此，國家標準規定必須在3 m或者10 m的距離進行輻射發射測試，方可得到較準確的測試結果。在遠場區，由輻射騷擾源發出的波可以看作是平面波，電場強度E與測量距離r的一次方成反比；而在近場區，受到波阻抗以及分布參數的影響，電場強度E與測量距離r的兩次方、三次方分別成反比。故對于整個無限大空間，輻射騷擾源的電場強度E可以表示為的線性疊加，即：

式中：A、B、C—— 系數

由式（2）可以看出，在測量距離r較小的近場區域，主導電場E變化的為后兩項而測量距離r較大的遠場區域，主導電場E變化的為第一項對于相同的輻射騷擾源以及樣品，系數A、B、C均為一個恒定值，如可以在近場條件下進行多次測量，反推出系數A、B、C的值，則可以近似模擬輻射源在10 m遠場處的電場場強大小，將近場測試結果理論轉換至遠場，進而達到預判輻射發射測試結果的目的。

若要得到A、B、C3個系數以及場強E(r)的表達式，需要至少測量3次，每次測量盡可能在大于遠、近場分界線的位置進行，以減小近場區的不確定因素帶來的影響，降低測量誤差。根據式（1），可以計算出不同頻率段的遠、近場分界線距離，從而確定近場探頭的測量距離，如表1所示。

從表1可以看出，這種預判測試方法對于較高頻率段的信號源比較適用，可以保證在接收足夠電場強度的條件下，近場探頭放置于遠、近場分界線以外開展測試，提高了測試的準確性。根據3次不同距離下測出的場強E以及相應的補償系數，可以得到關于A、B、C的三元一次方程組，求解并確定E(r)的表達式后，將r= 10 m代入其中，得出輻射發射測試的預判結果，將預判結果與相關標準規定的限值進行比較，可以確定特定輻射騷擾源的發射情況。

表1 不同頻率段的輻射騷擾源遠近場分界線

實際操作過程中，研發人員或檢測人員在屏蔽室中先使用近場探頭配合頻譜分析儀或示波器對整個樣品周圍進行掃描，必要時可以添加前置放大器，增強信噪比，得到更穩定、可靠的測試結果。經過預掃描后確定最高發射頻率以及發射方向，分析產生干擾的源頭，便于后期整改。隨后通過該方向與頻率點在3次不同距離的測量采集數據，進一步計算并大致預判10 m法半電波暗室的輻射發射測試結果。由于近場探頭易于操作，測量時間短，可以在不斷整改中結合實時測量，便于研發企業在短時間內找到最合理的整改方案，不必通過第三方檢測機構開展測試，節省了大量的時間成本和測試費用，大大縮短了研發周期，提高了研發效率。

2 近場探頭預判輻射發射測試結果應用實例

某新研發的醫療康復訓練機器人手產品未開展過專業的輻射發射測試，其內部結構主要由氣泵、電動機、開關門控制電路、觸摸屏控制電路以及時鐘電路組成，可能存在低頻段的寬帶騷擾信號以及高頻段的窄帶騷擾信號。根據上述分析，使用近場探頭配合頻譜分析儀對正常工作中樣品的周圍進行掃描，如圖4所示。在其相應的輻射發射測試頻率范圍內（30 MHz ～ 1 GHz）得到了頻率-最大場強值的初步圖像，如圖5所示。

圖4 對樣品進行全頻段掃描

圖5 樣品在全頻段下頻率-最大場強值圖像

通過圖5可以看出，該康復訓練機器人手的輻射發射源主要為中心頻率100 MHz的寬頻干擾信號以及一些高頻干擾信號，前者為整個輻射發射源中的最強信號。因此，對樣品進行輻射發射預判時需要優先考察100 MHz頻率點的輻射強度，作進一步的測試。

根據表1的數據，100 MHz的干擾源遠、近場分界線約為0.48 m，因此，測試中選用0.5 m、0.7 m和0.9 m作為本次預判中的測量距離，在遠場區對樣品進行測試。將近場探頭置于樣品發射最強的角度，使用接收機以及內置預放，讀取3個測量距離下的準峰值，得到3組數據。根據式（2）中E(r)的表達式可以列出三元一次方程組，求解后得到E(r)的表達式為

將r= 10 m代入式（3）中，得到10 m處的場強E10m= 60.00 μV/m，通過轉換可以得出測量準峰值E= 35.56 dBμV/m，即為近場探頭預判100 MHz干擾源的輻射發射測試結果。

為了驗證上述預判方法的準確性，對該康復訓練機器人手進行了專業的輻射發射測試，采集了100 MHz頻率點的數據，如圖6所示。根據圖6中的測試結果，可以看出在100 MHz附近該康復訓練機器人手的輻射發射量最大。對100 MHz頻率點進行了準峰值檢波器的讀點，得到最終結果為E= 36.7 dBμV/m。相比于近場探頭測量計算的理論值高出1.14 dBμV/m，誤差為3.11%，在合理范圍內。因此，采用近場探頭對樣品在較近距離進行測量，并結合一定的理論計算與分析，可以大致預判樣品的輻射發射情況，相當于對樣品展開了摸底測試。得到預判結果后，設計師與研發人員可以有針對性地改進樣品的內部結構或添加濾波、磁環、接地等，使整改的過程更加順暢、清晰。

圖6 樣品的輻射發射測試結果

3 結語

近場探頭相對于專業的輻射發射天線，雖然測量準確度不高，但具有成本低、測試方法簡單的優勢，適用于大多數的輻射發射整改項目。若能提高近場探頭測量的準確度，使用更科學合理的預判方法，可以通過近場探頭預知整改中樣品的實際輻射發射測試結果，節省了大量的時間和成本，也為輻射發射整改提供了明確的方向，加快了樣品的研發進程。總之，利用近場探頭低成本、測量時間短、針對性強的優勢，可以迅速地找到輻射發射問題的根源。

目前，近場探頭的測量還存在很多問題。例如，測量的隨機誤差較大，容易受到近場束縛場的干擾，導致測試結果偏離，并且在屏蔽室中也存在一定的反射，相對于半電波暗室，測量到的場強存在更多成分的反射波疊加。此外，由于分布參數的影響，周圍的一些導體（如人體）也會間接影響測量準確度，因此，近場探頭測試結果僅供參考，并不能代表最終的測試結果。樣品在整改完成后還需至有資質的第三方檢測機構進行專業的輻射發射測試，確保投入使用的產品可以達到電磁兼容性相關標準的要求。