大型医疗设备电磁兼容现场测试的辐射发射项目因场地差异较大存在不确定度高、复现性差的问题，有效的场地验证是解决此问题的一种措施。该文从归一化场地衰减（NSA）出发，应用使用宽带天线的开阔场和半电波暗室的NSA法基本原理，结合现场测试的实际情况进行转化，构建了一种适用于普通电磁兼容检测实验室的现场测试场地验证的测试方法，并在实验室已有的三米法电波暗室进行验证，及在实际现场测试场地进行测量实践。

 

 

引言

 

对于医用空气加压氧舱、大型灭菌器、医用分子筛制氧系统等大型有源医疗器械，由于其尺寸较大、运输不便、安装相对固定、额定电流大、需用水用气等特点，一般无法在实验室中进行电磁兼容检测，仅能进行现场测试。有源医疗器械在实验室中进行辐射发射测试时，需使用开阔场或电波暗室等标准测试场地，这些场地都会通过计量验证从而保证各个实验室测量结果的可靠性。目前现行标准CISPR11中对于现场测试的场地并没有明确规定其尺寸、材质等相关因素，也没有要求其进行相关的场地验证。现场测试的场地一般由设备供应商提供或为医院等最终使用环境，这些场地的环境条件差异较大，包括不同地面材质的环境条件对于辐射发射测试结果的准确性有非常大的影响，也会导致试验结果无法进行复现。国际无线电干扰特别委员会正在针对大型设备、高功率产品的型式试验测试需求，在国际标准CISPR37中新增规范场地，包含规范场地确认程序、基础场地要求、测量流程等。由于CISPR37标准的制定没有完成，目前没有标准的强制要求，电磁兼容实验室对于辐射发射现场试验无需开展且大部分普通电磁兼容实验室无能力开展场地验证，场地差异对现场试验测试结果的影响也就无法进行评估。测试频段30MHz~1GHz的辐射发射试验是目前大型医疗设备现场测试中辐射发射占比最多的试验，占比超过90%，本文针对此测试频段下的现场测试场地验证技术展开研究。

 

理论模型构建

 

1、基础原理选择

 

分析标准GB/T 6113.104-2021《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第1-4部分：无线电骚扰和抗扰度测量设备 辐射骚扰测量用天线和试验场地》中三种标准场地确认方法。首先是使用调谐偶极子的归一化场地衰减法，这种方法需要使用调谐偶极子，因此对于不同的测试频率需要不断调整调谐偶极子的长度，不具有实际可操作性。其次是使用宽带天线的参考场地法（RSM），这种方法也是目前主流计量机构所使用的方法，但是需要将测试结果与标准的参考场地进行比对，不适合普通的电磁兼容实验室。因此本文选择使用宽带天线的NSA法，这种方法操作相对简单，所使用的的仪器也为电磁兼容实验室的常规配置，具有很好的可操作性。

使用宽带天线的NSA法进行场地确认可以用公式(1)进行简单概括

式中：

—场地与理论值的偏差；

—不使用天线直通下的测量值；

—按照指定测试距离天线扫描后测得的最大值；

—发射天线系数；

—接收天线系数；

—归一化场地衰减理论值。

公式中的和可以直接通过矢量网络分析仪测试得出，和可以查找天线的计量结果得出，因此所需要唯一确认的参数为，而可以通过公式2理论计算得出。

公式(2)中为以MHz为单位的频率值，为最大接收场强，是理论值计算模型中最重要的参数，它的数值为在给定频率给定距离的条件下，发射天线高度固定，接收天线在一定高度范围内扫描所接收到的电场最大值，并且分为水平极化和垂直极化两种极化方式。此外的计算还涉及到直射波行程、反射波行程、地面反射系数等参数，数据量非常大，实际工作中采用手动计算的方式无法实现，本文使用python语言编程实现，通过软件计算得到的值与理论值之间的最大差值为0.1dB，满足实际场地验证的需要。

 

2、理论测试模型

 

现场测试场地因为没有转台，无法满足受试的大型医疗设备360°自由旋转的要求，参考标准GB/T 6113.104-2021的测试布置并结合现场测试实际情况进行模型转化,将发射天线的相位中心放置于现场测试场地的中心点，以此中心点为圆心，以定义的测试距离D为半径做圆，则接收天线的相位中心应落在圆的边界上，通过移动接收天线的方式模拟转台的转动，从而可以得出现场测试场地的特性，具体理论测试模型如图1所示。

图1 理论测试模型

 

测试系统搭建

 

1.硬件平台搭建

 

按照已经建立的理论模型，首先需要对使用的硬件平台进行选型。对于宽带天线，由于复合天线的相位中心随着频率变化具有较大的不确定性，因此选择双锥天线和对数周期天线组合的方式满足30MHz~1GHz频段范围的覆盖。对于和的测试，选择矢量网络分析仪配合预置放大器组合使用的方式，既满足快速测试的要求，同时预置放大器也提供了较好的信噪比，满足不同测试环境的需要。使用的主要硬件为矢量网络分析仪（型号ZNB8）、双锥天线（型号HK116）、双锥天线（型号VHBB9124）、对数周期天线（型号HL223）、对数周期天线（型号VULB9111B）、预置放大器、射频线缆等。

 

硬件系统的连接如图2所示。矢量网络分析仪的信号输出线缆连接预置放大器，预置放大器将放大的信号传输至发射天线，发射天线将信号发送到空间中，接收天线从空间中接收到相应信号并通过信号输入线缆传送回矢量网络分析仪。

图2 硬件系统连接图

 

2.软件平台搭建

 

由于归一化场地衰减理论值只能通过软件进行计算模拟，为方便测试及结果分析，开发了一套自动化测试分析软件用于硬件平台的自动化控制、数据的保存读取、结果的比对分析等。软件所使用的编程语言为python，并具有交互式的UI界面，如图3所示。

图3 测试软件UI界面

软件能够实现矢量网络分析仪相关参数的设置，如起止频率、输出功率、测试类型、分辨率带宽等，满足不同条件不同环境的测试要求；在连接校准件后可以自动化完成直通校准等校准工作；在开始测试后能够实时将测试结果的S参数曲线传送回电脑并显示在当前界面；能够对测试结果的图像和S参数数据在指定的文件夹进行保存；能够对不同测试距离，不同发射天线高度的测试结果进行分析比对，并得出其与归一化场地衰减理论值的偏差。

 

3.测试布置和测试流程

 

测试布置与硬件系统连接布置要求相似，将发射天线放置于所需验证的场地中央，将接收天线放置于所需验证的场地边缘，考虑天线波瓣角和测试距离，至少在正交的四个位置进行验证。发射天线的高度要考虑最终测试的大型医疗设备的高度，最低高度为1m，最高高度应大于等于大型医疗设备的高度，以满足电磁兼容测试静区的要求。在验证过程中需要重点关注以下几个方面。

 

1）测试距离的选择。场地验证测试距离与最终现场辐射发射测试距离应保持一致。随着测试距离的增加，发射和接收天线的3dB波瓣角所覆盖的范围越大，所需要在不同角度测试的次数也越少，但随之带来的问题是辐射发射测试结果对应的限值也会相应降低，对于测试现场的电磁环境要求就会变高，因此在场地验证开始前应对现场的电磁环境进行摸底测试，以免影响后期的现场测试结果。

 

2）预置放大器的使用。对于预置放大器的使用，应注意矢量网络分析仪的输出功率不能过高，以免在进行直通校准时信号通过预置放大器放大后其电平超出矢量网络分析仪输入功率限制，导致仪器损坏。

 

3）测试线缆布置。测试线缆应尽可能远离天线和天线中间的测试区域，并使用铁氧体磁环抑制线缆屏蔽层的感应电流，减少低频电磁环境噪声对于测试结果的影响。

 

4)天线的校对。天线的校对包括天线距离的校对、方向的校对、高度的校对等，这些参数的偏离都会对测试结果造成较大的影响，在条件允许的情况下可以使用激光标线仪对天线状态进行校对。

 

场地验证的测试流程：a）使用矢量网络分析仪连接输入输出射频线缆和预置放大器并使用校准件进行直通连接，设置合适的矢量网络分析参数，使用直通校准功能将线缆的损耗和预置放大器的增益进行校零；b）将输入输出射频线缆分别连接发射天线和接收天线，发射天线和接收天线的极化方向保持一致；c）将发射天线放置于所需验证场地中心并固定在最低高度1m，接收天线放置于所需验证场地边缘并在1m~4m高度进行扫描；d）移动接收天线的位置，重复进行c）步骤的操作，直到接收天线覆盖所有角度；e）将发射天线和接收天线的极化方向改变，重复进行b）、c）、d）的操作。

 

测试系统验证

 

本测试系统的原理是基于GB/T 6113.104-2021的标准场地确认方法转化而来，其也适用于标准场地的确认。在实验室已有且已计量验证的三米法电波暗室中对测试系统进行验证，如果验证的结果满足场地确认要求的小于等于±4dB，则可以说明测试系统满足开发设计的相关要求。测试系统验证按照GB/T 6113.104-2021标准的要求采取了简易验证的方式，选取了发射天线位于转台中心，接收天线位于电波暗室计量标记的测试轴线上，两个天线的相位中心距离为3m，发射天线的高度固定为1m，接收天线的高度为1m~4m进行扫描，分别在水平和垂直两个极化方向上进行测试。测试布置如图4所示。

图4 测试系统验证布置图

对测试所得到的测量结果与归一化场地衰减理论值进行差值，30MHz~200MHz频率范围内的频率间隔为10MHz，200MHz~1GHz频率范围内的频率间隔为50MHz，所得到的场地插入损耗与场地归一化衰减理论值的最大偏差值为-2.94dB，满足≤±4dB的要求，具体验证测试结果如图5所示。

图5 系统验证测试结果

 

现场测试结果

 

因实际现场测试场地与电波暗室具有较大差异，将测试系统放置于实际的工厂安装环境中进行测试，测试布置照片如图6所示。

 

图6 现场安装环境条件下的测试布置

按照图6所示布置进行测试后，测试结果如图7所示，所得到的场地插入损耗与归一化场地衰减理论值的最大偏差值为7.89dB。分析偏差值较大的原因主要为所进行测试的工厂安装环境与电波暗室或开阔场差异较大，四周及顶部无吸波材料且有墙壁遮挡，存在电磁波的反射；地面材料为环氧树脂与电波暗室及开阔场的金属反射地面的电导率存在差异；工厂安装环境的层高低于电波暗室的高度，也会引起电磁波的反射；存在立柱、地面平整度低、存放有其他设备等情况，对电磁波的传播有影响，这些因素导致测试结果与归一化场地衰减理论值的偏差较大。

图7 现场测试结果

 

结论和不足

 

本文所研究的辐射发射现场测试场地验证技术基于普通电磁兼容试验室的基础配置，能够满足大多数实验室对于现场测试场地验证的需求。通过标准测试模型的转化，使其更加适用于现场测试无转台的场地情况；应用NSA的理论计算结合GB/T6113.104中规定的使用宽带天线的NSA法解决了普通电磁兼容实验室无标准参考场地的难题，使验证技术更加适合普通的电磁兼容检测实验室，具有更高的普适性。利用场地验证的结果可以通过改变现场测试的场地布置方式、移动受试设备的安装位置等方式降低因安装场地的差异所带来的测量不确定度的影响，提高测试的准确性。

 

所存在的不足,一是由于场地验证需要在未安装受试设备的状态下进行，因此需要在正式现场测试开始前进行，会导致整个试验周期增加；二是由于天线校对方式为目视校对，存在一定的人为误差；三是NSA理论计算值与理论值也存在最大0.1dB的偏差，这些对与最终的测试结果都会带来一定的影响，下一步将重点对此方面进行研究，以进一步提高验证结果的准确性。

 

引用本文：

 

刘萌,李庆雨,朱明健,张淑溢,朱成科.大型医疗设备辐射发射现场测试场地验证技术研究[J].环境技术,2024,42(10):27-32.

 

 

 

来源：环境技术核心期刊

关键词： 医疗设备辐射发射现场测试