射频场感应的传导骚扰抗扰度试验辐射场研究

在通常情况下, 被干扰设备的尺寸要比频率较低的干扰波 (比如80MHz以下频率) 的波长小很多, 与之相比, 设备引线 (比如电源线等) 的长度则可能达到干扰波的几个波长 (或更长) 。这样, 设备引线就起到了天线的作用, 接受射频场的感应影响, 变为传导干扰侵入设备内部, 最终以射频电压和电流形成的电磁场影响设备的工作。为测试电气和电子设备在这种电磁环境中能否正常工作, 制定了射频场感应的传导骚扰抗扰度试验电磁兼容标准[1~2]。

对于该试验, 专家学者们进行了一系列的研究工作, 但从目前的文献来看, 研究者们主要关注的是试验的等级、频率以及测试方法[3~4], 而对试验过程中产生的辐射场则没有相关报道。由于辐射场关系到人身健康和电磁环境污染等问题, 并且以往相对被忽视, 因此需要加以重视并进行研究。本文以电能表为受试设备, 尝试对射频场感应的传导骚扰抗扰度试验辐射场进行研究。试验结果表明, 射频传导试验中的辐射场具有很大的场强, 在受试设备附近位置, 可以达到90V/m。有比较宽的频谱, 主要分布在几十至几百MHz之间。

1 射频场感应的传导骚扰抗扰度辐射场试验布置

电能表是国家首批六种重点管理的计量器具之一, 按照电能表国家标准[5]的要求, 电子式电能表需要进行射频场感应的传导骚扰抗扰度试验。在试验中要求, 设备至少通过一条电缆 (如电源线、信号线、地连接线等) 与射频电磁场相耦合。

射频场感应的传导骚扰抗扰度辐射场试验布置如图1所示。

图1中数字1代表瑞士EMTEST公司的连续波模拟器CWS500C, 其输出电压范围为1V~30V, 频率范围为9k Hz~250MHz;数字2代表瑞士EMTEST公司的耦合去耦网络C D N-M 2/M 3, 频率范围为0.1 5 M H z~230MHz;数字3代表受试设备电能表, 电能表型号为DDS28u;数字4代表测试用单极子天线, 经标定其工作上限频率为1GHz;数字5代表美国A g i l e n t公司的频谱分析仪E4440A, 其频率范围为30Hz~26.5GHz, 电平范围为-130d Bm~+30d Bm;场强测试采用德国Narda公司的EMR300场强仪, 其频率范围为100k Hz~3GHz;测试时的环境温度为21℃, 相对湿度为60%。

试验时, 使用天线和频谱分析仪对辐射场的信号电平和频谱进行测量、分析;使用场强仪测量辐射场的场强大小。

2 试验结果

按照电能表标准[5]要求, 采用如下试验条件:试验电压为10V (140d Bu V) ;频率范围为150k Hz~80MHz;电能表处于正常工作位置, 装上表盖和端子盖。在距离电能表表面距离分别为3.5cm和14cm, 在频率分别为0.15MHz、1MHz、10MHz、30MHz、50MHz和80MHz时测量辐射场的场强和信号电平。

场强测量结果如表1所示。从表中可以看出, 在电能表附近位置, 场强很大, 可以达到90V/m。

辐射场信号电平测量结果如表2所示。

由于图太多, 除环境噪声电平和信号频谱图之外, 在6个频率点中, 仅列出1MHz和80MHz两频率点的测量结果。

在频率0.15MHz时, 对环境噪声电平进行了测量, 从图2中可以看出, 环境噪声电平为1.83d Bu V。

在频率1MHz时, 在3.5cm和14cm处, 辐射场信号电平分别为75.12d Bu V和67.54d Bu V。

在频率80MHz时, 在3.5cm和14cm处, 辐射场信号电平分别为110.93d Bu V和10 4.02 d B u V。

在1MHz频率点, 对辐射场信号的频谱进行了测量, 结果如图7所示。从图7中可以看出, 信号频谱主要分布在0 M H z~9350MHz之间。

3 辐射场产生机理研究

射频场感应的传导骚扰抗扰度试验虽然是传导试验, 但有很强的辐射, 试验结果表明在电能表附近位置, 场强可以达到90V/m。辐射场产生的机理是这样的。

从图7中可以看出, 在1MHz频率点, 辐射场信号的频谱中, 幅度较大的频率要达到300MHz以上, 说明其中含有极其丰富的谐波成分。对电源线来说, 即使长度只有0.5m (本次试验中, 连续波模拟器、耦合去耦网络和受试设备之间的连线均在0.5m至1m之间) , 由于长度已可和传输频率的波长相比, 已不能以普通电源线对待, 在线路上面的信号已经有明显的波动效应, 必须考虑传输线效应。

信号在上面传输时, 部分仍通过电源线路进入受试设备 (传导干扰) ;部分要从线路逸出, 成为辐射信号进入受试设备 (辐射干扰) 。故受试设备受到的干扰实际上是传导干扰与辐射干扰的结合。传导干扰与辐射干扰的比例将与电源线长度有关:线路短, 传导多;线路长, 辐射强。

该试验要产生连续不断的试验电磁波, 其频率范围为150k Hz~80MHz。从表2以及图3~图6可以看出, 辐射场信号电平测量结果基本上在逐渐增大。因为当试验电磁波的频率逐步增大达到几十MHz之后, 试验电磁波本身从线路逸出的部分也在增多, 再加上其产生的谐波的频率将更高, 因此辐射将更强。

4 结语

射频场感应的传导骚扰抗扰度试验产生的辐射场, 对电磁环境是一种污染, 对操作人员人身健康和试验设备都造成了不利的影响, 应该考虑采用以下措施进行处理。

(1) 试验布置要合理, 操作人员应和受试设备保持一定距离 (电磁波能量衰减很快) , 试验最好在屏蔽室进行。

(2) 有些受试设备试验时要使用辅助设备, 辅助设备要考虑到能否承受辐射场的影响。比如电能表射频场感应的传导骚扰抗扰度试验中, 是需要记录误差变化的。误差记录仪器就会同时受到传导干扰和辐射干扰的作用, 从而影响读数的准确性。这需要同时在电压采样、电流采样和脉冲采样线路上采取措施, 以降低干扰的影响, 保证读数准确。

摘要：针对射频场感应的传导骚扰抗扰度试验中存在的电磁辐射问题, 以电能表作为受试设备, 利用场强仪和频谱分析仪对电磁脉冲辐射场进行了试验研究。试验结果表明, 射频传导试验中的辐射场具有很大的场强, 在电能表附近位置, 可以达到90V/m。有比较宽的频谱, 主要分布在几十至几百MHz之间。

关键词：射频传导,辐射场,场强,频谱

参考文献

[1] GB/T17626.6～2008, 电磁兼容试验和测量技术.射频场感应的传导骚扰抗扰度[S].

[2] IEC61000～4～6:2006, Electromagnetic compatibility (EMC) ～Part4～6:Testing and measurement techniques～Immu-nity to conducted disturbances induced by radio～frequency fields[S].

[3] 钱振宇.3C认证中的电磁兼容测试与对策[M].北京:电子工业出版社, 2004.

[4] 刘宝殿, 卢民牛, 王南.无绳电话射频场感应传导骚扰抗扰度测试[J].安全与电磁兼容, 2003 (4) :23～29.

[5] GB/T17215.211～2006, 交流电测量设备通用要求、试验和试验条件第11部分:测量设备[S].