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大型醫(yī)療設(shè)備電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的輻射發(fā)射項(xiàng)目因場(chǎng)地差異較大存在不確定度高、復(fù)現(xiàn)性差的問(wèn)題，有效的場(chǎng)地驗(yàn)證是解決此問(wèn)題的一種措施。該文從歸一化場(chǎng)地衰減（NSA）出發(fā)，應(yīng)用使用寬帶天線的開(kāi)闊場(chǎng)和半電波暗室的NSA法基本原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)際情況進(jìn)行轉(zhuǎn)化，構(gòu)建了一種適用于普通電磁兼容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地驗(yàn)證的測(cè)試方法，并在實(shí)驗(yàn)室已有的三米法電波暗室進(jìn)行驗(yàn)證，及在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量實(shí)踐。

 

 

引言

 

對(duì)于醫(yī)用空氣加壓氧艙、大型滅菌器、醫(yī)用分子篩制氧系統(tǒng)等大型有源醫(yī)療器械，由于其尺寸較大、運(yùn)輸不便、安裝相對(duì)固定、額定電流大、需用水用氣等特點(diǎn)，一般無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行電磁兼容檢測(cè)，僅能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。有源醫(yī)療器械在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)，需使用開(kāi)闊場(chǎng)或電波暗室等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)地，這些場(chǎng)地都會(huì)通過(guò)計(jì)量驗(yàn)證從而保證各個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的可靠性。目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CISPR11中對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的場(chǎng)地并沒(méi)有明確規(guī)定其尺寸、材質(zhì)等相關(guān)因素，也沒(méi)有要求其進(jìn)行相關(guān)的場(chǎng)地驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的場(chǎng)地一般由設(shè)備供應(yīng)商提供或?yàn)獒t(yī)院等最終使用環(huán)境，這些場(chǎng)地的環(huán)境條件差異較大，包括不同地面材質(zhì)的環(huán)境條件對(duì)于輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性有非常大的影響，也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)正在針對(duì)大型設(shè)備、高功率產(chǎn)品的型式試驗(yàn)測(cè)試需求，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CISPR37中新增規(guī)范場(chǎng)地，包含規(guī)范場(chǎng)地確認(rèn)程序、基礎(chǔ)場(chǎng)地要求、測(cè)量流程等。由于CISPR37標(biāo)準(zhǔn)的制定沒(méi)有完成，目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制要求，電磁兼容實(shí)驗(yàn)室對(duì)于輻射發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)無(wú)需開(kāi)展且大部分普通電磁兼容實(shí)驗(yàn)室無(wú)能力開(kāi)展場(chǎng)地驗(yàn)證，場(chǎng)地差異對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響也就無(wú)法進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試頻段30MHz~1GHz的輻射發(fā)射試驗(yàn)是目前大型醫(yī)療設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中輻射發(fā)射占比最多的試驗(yàn)，占比超過(guò)90%，本文針對(duì)此測(cè)試頻段下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地驗(yàn)證技術(shù)展開(kāi)研究。

 

理論模型構(gòu)建

 

1、基礎(chǔ)原理選擇

 

分析標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6113.104-2021《無(wú)線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范 第1-4部分：無(wú)線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備 輻射騷擾測(cè)量用天線和試驗(yàn)場(chǎng)地》中三種標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地確認(rèn)方法。首先是使用調(diào)諧偶極子的歸一化場(chǎng)地衰減法，這種方法需要使用調(diào)諧偶極子，因此對(duì)于不同的測(cè)試頻率需要不斷調(diào)整調(diào)諧偶極子的長(zhǎng)度，不具有實(shí)際可操作性。其次是使用寬帶天線的參考場(chǎng)地法（RSM），這種方法也是目前主流計(jì)量機(jī)構(gòu)所使用的方法，但是需要將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的參考場(chǎng)地進(jìn)行比對(duì)，不適合普通的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室。因此本文選擇使用寬帶天線的NSA法，這種方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，所使用的的儀器也為電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)配置，具有很好的可操作性。

使用寬帶天線的NSA法進(jìn)行場(chǎng)地確認(rèn)可以用公式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)單概括

式中：

—場(chǎng)地與理論值的偏差；

—不使用天線直通下的測(cè)量值；

—按照指定測(cè)試距離天線掃描后測(cè)得的最大值；

—發(fā)射天線系數(shù)；

—接收天線系數(shù)；

—歸一化場(chǎng)地衰減理論值。

公式中的和可以直接通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得出，和可以查找天線的計(jì)量結(jié)果得出，因此所需要唯一確認(rèn)的參數(shù)為，而可以通過(guò)公式2理論計(jì)算得出。

公式(2)中為以MHz為單位的頻率值，為最大接收?qǐng)鰪?qiáng)，是理論值計(jì)算模型中最重要的參數(shù)，它的數(shù)值為在給定頻率給定距離的條件下，發(fā)射天線高度固定，接收天線在一定高度范圍內(nèi)掃描所接收到的電場(chǎng)最大值，并且分為水平極化和垂直極化兩種極化方式。此外的計(jì)算還涉及到直射波行程、反射波行程、地面反射系數(shù)等參數(shù)，數(shù)據(jù)量非常大，實(shí)際工作中采用手動(dòng)計(jì)算的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本文使用python語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟件計(jì)算得到的值與理論值之間的最大差值為0.1dB，滿足實(shí)際場(chǎng)地驗(yàn)證的需要。

 

2、理論測(cè)試模型

 

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地因?yàn)闆](méi)有轉(zhuǎn)臺(tái)，無(wú)法滿足受試的大型醫(yī)療設(shè)備360°自由旋轉(zhuǎn)的要求，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6113.104-2021的測(cè)試布置并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際情況進(jìn)行模型轉(zhuǎn)化,將發(fā)射天線的相位中心放置于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地的中心點(diǎn)，以此中心點(diǎn)為圓心，以定義的測(cè)試距離D為半徑做圓，則接收天線的相位中心應(yīng)落在圓的邊界上，通過(guò)移動(dòng)接收天線的方式模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以得出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地的特性，具體理論測(cè)試模型如圖1所示。

圖1 理論測(cè)試模型

 

測(cè)試系統(tǒng)搭建

 

1.硬件平臺(tái)搭建

 

按照已經(jīng)建立的理論模型，首先需要對(duì)使用的硬件平臺(tái)進(jìn)行選型。對(duì)于寬帶天線，由于復(fù)合天線的相位中心隨著頻率變化具有較大的不確定性，因此選擇雙錐天線和對(duì)數(shù)周期天線組合的方式滿足30MHz~1GHz頻段范圍的覆蓋。對(duì)于和的測(cè)試，選擇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配合預(yù)置放大器組合使用的方式，既滿足快速測(cè)試的要求，同時(shí)預(yù)置放大器也提供了較好的信噪比，滿足不同測(cè)試環(huán)境的需要。使用的主要硬件為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（型號(hào)ZNB8）、雙錐天線（型號(hào)HK116）、雙錐天線（型號(hào)VHBB9124）、對(duì)數(shù)周期天線（型號(hào)HL223）、對(duì)數(shù)周期天線（型號(hào)VULB9111B）、預(yù)置放大器、射頻線纜等。

 

硬件系統(tǒng)的連接如圖2所示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)輸出線纜連接預(yù)置放大器，預(yù)置放大器將放大的信號(hào)傳輸至發(fā)射天線，發(fā)射天線將信號(hào)發(fā)送到空間中，接收天線從空間中接收到相應(yīng)信號(hào)并通過(guò)信號(hào)輸入線纜傳送回矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

圖2 硬件系統(tǒng)連接圖

 

2.軟件平臺(tái)搭建

 

由于歸一化場(chǎng)地衰減理論值只能通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算模擬，為方便測(cè)試及結(jié)果分析，開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)化測(cè)試分析軟件用于硬件平臺(tái)的自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)的保存讀取、結(jié)果的比對(duì)分析等。軟件所使用的編程語(yǔ)言為python，并具有交互式的UI界面，如圖3所示。

圖3 測(cè)試軟件UI界面

軟件能夠?qū)崿F(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，如起止頻率、輸出功率、測(cè)試類型、分辨率帶寬等，滿足不同條件不同環(huán)境的測(cè)試要求；在連接校準(zhǔn)件后可以自動(dòng)化完成直通校準(zhǔn)等校準(zhǔn)工作；在開(kāi)始測(cè)試后能夠?qū)崟r(shí)將測(cè)試結(jié)果的S參數(shù)曲線傳送回電腦并顯示在當(dāng)前界面；能夠?qū)y(cè)試結(jié)果的圖像和S參數(shù)數(shù)據(jù)在指定的文件夾進(jìn)行保存；能夠?qū)Σ煌瑴y(cè)試距離，不同發(fā)射天線高度的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，并得出其與歸一化場(chǎng)地衰減理論值的偏差。

 

3.測(cè)試布置和測(cè)試流程

 

測(cè)試布置與硬件系統(tǒng)連接布置要求相似，將發(fā)射天線放置于所需驗(yàn)證的場(chǎng)地中央，將接收天線放置于所需驗(yàn)證的場(chǎng)地邊緣，考慮天線波瓣角和測(cè)試距離，至少在正交的四個(gè)位置進(jìn)行驗(yàn)證。發(fā)射天線的高度要考慮最終測(cè)試的大型醫(yī)療設(shè)備的高度，最低高度為1m，最高高度應(yīng)大于等于大型醫(yī)療設(shè)備的高度，以滿足電磁兼容測(cè)試靜區(qū)的要求。在驗(yàn)證過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

 

1）測(cè)試距離的選擇。場(chǎng)地驗(yàn)證測(cè)試距離與最終現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試距離應(yīng)保持一致。隨著測(cè)試距離的增加，發(fā)射和接收天線的3dB波瓣角所覆蓋的范圍越大，所需要在不同角度測(cè)試的次數(shù)也越少，但隨之帶來(lái)的問(wèn)題是輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)的限值也會(huì)相應(yīng)降低，對(duì)于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境要求就會(huì)變高，因此在場(chǎng)地驗(yàn)證開(kāi)始前應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境進(jìn)行摸底測(cè)試，以免影響后期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。

 

2）預(yù)置放大器的使用。對(duì)于預(yù)置放大器的使用，應(yīng)注意矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出功率不能過(guò)高，以免在進(jìn)行直通校準(zhǔn)時(shí)信號(hào)通過(guò)預(yù)置放大器放大后其電平超出矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入功率限制，導(dǎo)致儀器損壞。

 

3）測(cè)試線纜布置。測(cè)試線纜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離天線和天線中間的測(cè)試區(qū)域，并使用鐵氧體磁環(huán)抑制線纜屏蔽層的感應(yīng)電流，減少低頻電磁環(huán)境噪聲對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。

 

4)天線的校對(duì)。天線的校對(duì)包括天線距離的校對(duì)、方向的校對(duì)、高度的校對(duì)等，這些參數(shù)的偏離都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成較大的影響，在條件允許的情況下可以使用激光標(biāo)線儀對(duì)天線狀態(tài)進(jìn)行校對(duì)。

 

場(chǎng)地驗(yàn)證的測(cè)試流程：a）使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接輸入輸出射頻線纜和預(yù)置放大器并使用校準(zhǔn)件進(jìn)行直通連接，設(shè)置合適的矢量網(wǎng)絡(luò)分析參數(shù)，使用直通校準(zhǔn)功能將線纜的損耗和預(yù)置放大器的增益進(jìn)行校零；b）將輸入輸出射頻線纜分別連接發(fā)射天線和接收天線，發(fā)射天線和接收天線的極化方向保持一致；c）將發(fā)射天線放置于所需驗(yàn)證場(chǎng)地中心并固定在最低高度1m，接收天線放置于所需驗(yàn)證場(chǎng)地邊緣并在1m~4m高度進(jìn)行掃描；d）移動(dòng)接收天線的位置，重復(fù)進(jìn)行c）步驟的操作，直到接收天線覆蓋所有角度；e）將發(fā)射天線和接收天線的極化方向改變，重復(fù)進(jìn)行b）、c）、d）的操作。

 

測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

 

本測(cè)試系統(tǒng)的原理是基于GB/T 6113.104-2021的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地確認(rèn)方法轉(zhuǎn)化而來(lái)，其也適用于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地的確認(rèn)。在實(shí)驗(yàn)室已有且已計(jì)量驗(yàn)證的三米法電波暗室中對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證的結(jié)果滿足場(chǎng)地確認(rèn)要求的小于等于±4dB，則可以說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)滿足開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證按照GB/T 6113.104-2021標(biāo)準(zhǔn)的要求采取了簡(jiǎn)易驗(yàn)證的方式，選取了發(fā)射天線位于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，接收天線位于電波暗室計(jì)量標(biāo)記的測(cè)試軸線上，兩個(gè)天線的相位中心距離為3m，發(fā)射天線的高度固定為1m，接收天線的高度為1m~4m進(jìn)行掃描，分別在水平和垂直兩個(gè)極化方向上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試布置如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證布置圖

對(duì)測(cè)試所得到的測(cè)量結(jié)果與歸一化場(chǎng)地衰減理論值進(jìn)行差值，30MHz~200MHz頻率范圍內(nèi)的頻率間隔為10MHz，200MHz~1GHz頻率范圍內(nèi)的頻率間隔為50MHz，所得到的場(chǎng)地插入損耗與場(chǎng)地歸一化衰減理論值的最大偏差值為-2.94dB，滿足≤±4dB的要求，具體驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

 

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

 

因?qū)嶋H現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地與電波暗室具有較大差異，將測(cè)試系統(tǒng)放置于實(shí)際的工廠安裝環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試布置照片如圖6所示。

 

圖6 現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境條件下的測(cè)試布置

按照?qǐng)D6所示布置進(jìn)行測(cè)試后，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，所得到的場(chǎng)地插入損耗與歸一化場(chǎng)地衰減理論值的最大偏差值為7.89dB。分析偏差值較大的原因主要為所進(jìn)行測(cè)試的工廠安裝環(huán)境與電波暗室或開(kāi)闊場(chǎng)差異較大，四周及頂部無(wú)吸波材料且有墻壁遮擋，存在電磁波的反射；地面材料為環(huán)氧樹(shù)脂與電波暗室及開(kāi)闊場(chǎng)的金屬反射地面的電導(dǎo)率存在差異；工廠安裝環(huán)境的層高低于電波暗室的高度，也會(huì)引起電磁波的反射；存在立柱、地面平整度低、存放有其他設(shè)備等情況，對(duì)電磁波的傳播有影響，這些因素導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與歸一化場(chǎng)地衰減理論值的偏差較大。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

 

結(jié)論和不足

 

本文所研究的輻射發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地驗(yàn)證技術(shù)基于普通電磁兼容試驗(yàn)室的基礎(chǔ)配置，能夠滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地驗(yàn)證的需求。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型的轉(zhuǎn)化，使其更加適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無(wú)轉(zhuǎn)臺(tái)的場(chǎng)地情況；應(yīng)用NSA的理論計(jì)算結(jié)合GB/T6113.104中規(guī)定的使用寬帶天線的NSA法解決了普通電磁兼容實(shí)驗(yàn)室無(wú)標(biāo)準(zhǔn)參考場(chǎng)地的難題，使驗(yàn)證技術(shù)更加適合普通的電磁兼容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，具有更高的普適性。利用場(chǎng)地驗(yàn)證的結(jié)果可以通過(guò)改變現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的場(chǎng)地布置方式、移動(dòng)受試設(shè)備的安裝位置等方式降低因安裝場(chǎng)地的差異所帶來(lái)的測(cè)量不確定度的影響，提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。

 

所存在的不足,一是由于場(chǎng)地驗(yàn)證需要在未安裝受試設(shè)備的狀態(tài)下進(jìn)行，因此需要在正式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開(kāi)始前進(jìn)行，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)周期增加；二是由于天線校對(duì)方式為目視校對(duì)，存在一定的人為誤差；三是NSA理論計(jì)算值與理論值也存在最大0.1dB的偏差，這些對(duì)與最終的測(cè)試結(jié)果都會(huì)帶來(lái)一定的影響，下一步將重點(diǎn)對(duì)此方面進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提高驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

 

引用本文：

 

劉萌,李慶雨,朱明健,張淑溢,朱成科.大型醫(yī)療設(shè)備輻射發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地驗(yàn)證技術(shù)研究[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(10):27-32.