便携式监护仪的电磁辐射抗扰度试验研究

【作 者】袁军，肖冬萍，简鑫

1 第三军医大学 大坪医院，重庆，400042

2 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆，400044

3 重庆大学通信工程学院2406实验室，重庆，400044

0 引言

随着电子信息技术的飞速发展及其在军事领域的广泛应用，现代战场上的作战系统与各种军事设备日趋电子化、信息化，各国对“第5维战场”——电磁空间的角逐日渐激烈，战场电磁环境也随之变得愈来愈复杂[1]。特别是近年来，电磁脉冲武器的研发和运用呈加速趋势，对野战装备电子系统构成巨大威胁[2-3]。当前，对作战飞机、舰船和导弹等重大武器系统的电磁防护研究备受关注，取得了长足进步。但是，作为卫勤保障的急救医疗设备的电磁防护却严重滞后。军队野战配置的急救医疗设备与民用基本相同，在战场复杂电磁环境中存在极大的安全隐患，对野战急救医疗设备进行电磁加固势在必行[4-5]。

监护仪可实时、连续地监测病人的心电信号、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率和体温等重要生命体征参数，为医学临床诊断提供重要参考，是战时救护、医院急救和重症病人监护必不可少的装备[6]。由于人体生理信号极为微弱，测量时极易混入干扰信号而影响诊断。通常情况下，商用多参数监护仪的EMC满足IEC61000系列标准和EN60601-1-2标准，但是否能在战场复杂恶劣的电磁环境中正常工作，还未见相关研究报道。

本研究以某款目前军队医院所使用的便携式监护仪为对象，分别进行了混响室射频辐射试验和超宽带（UWB）电磁脉冲辐射试验，测试其抗干扰能力，为采取特别的抗电磁干扰措施提供依据。

1 混响室射频辐射试验

1.1 试验系统及环境

测试系统由机械搅拌式混响室、信号发生器、功率放大器、定向耦合器、功率计、监控系统、控制电机、发射天线、场强计和相应的控制软件等组成。

混响室是近年来发展起来的一种新的电磁兼容性测试平台[7-8]，提供一种统计均匀、各向同性和随机极化的电磁环境。本试验所用混响室的几何尺寸为10 m×8 m×4.3 m，最大可用测试空间为6.5 m×5.0 m×2.2 m，内置垂直和水平2个机械搅拌器，采用反射板的V型切口，有利于改善低频特性。它主要技术指标达到国际先进水平[9]。

本试验按照IEC61000 - 4 - 21 标准[9]规定的混响室测试方法，对某款军用多参数监护仪进行电磁辐射抗扰度测试。测试系统几何布局如图1所示。

图 1 混响室实验布局示意图Fig.1 Layout sketch of experiment in Reverberation chamber

1.2 试验方法

以心电模拟仪作为监护仪的输入信号，调试为正常工作状态后置于测试台上，直接接受电磁辐射。利用场强计测量监护仪周边的电场强度，在混响室内安置摄像机，对多参数监护仪显示屏实时录像，并传至室外显示。

试验分两部分：一是通过软件控制发射信号频率逐步增大（即称为扫频），以监护仪波形畸变、数据显示紊乱、警报提示和死机等特征为判断依据，标定受试设备的电磁敏感频点；二是设定敏感频点，根据IEC61000-4-21标准，采用步进模式测定多参数监护仪工作出现异常现象时的临界场强值。试验用混响室起始频率为80MHz，按照标准要求，3倍起始频率以下，步进位置为50个；3倍起始频率至6倍起始频率之间，步进位置为18个；6倍起始频率以上，步进位置为12个。

1.3 试验结果与分析

1.3.1 扫频试验结果

受混响室最低可用频率和功率放大器工作范围限制，扫频范围为80 MHZ～1 GHz。软件控制信号发生器的频率逐步提高，观察多参数监护仪的工作状态，当出现波形畸变、数据显示紊乱、警报提示和死机等任一异常现象时，记录该频率为受试设备的敏感频点。通过扫频得到监护仪的敏感频点为：160 MHz、390 MHz、460 MHz、550 MHz、600 MHz、730 MHz、800 MHz、900MHz、1000 MHz。

1.3.2 步进模式试验结果

将信号源设定为某一敏感频点，软件控制信号源电平逐渐增加（即增大入射场强），直到监护仪工作状态首次出现异常，记录此时的电场强度及具体异常现象；然后，改变步进位置继续测试；将所有规定步进位置所得场强取均值后得到在该频点下监护仪的敏感临界场强。试验统计结果如图2所示。

图2 步进模式试验统计结果Fig.2 Statistical result of experiments under step mode

从试验结果可以看出，对于80～390 MHz范围内的电磁干扰，监护仪的敏感临界场强随频率的增大而减小；对于390～900 MHz范围内的电磁干扰，监护仪的临界场强大致随频率的增大而增大。监护仪对频率为390 MHz左右的电磁干扰最为敏感，其临界场强最低，在防电磁干扰加固时需特别重视。

试验中，监护仪受电磁干扰后异常工作状态多集中表现为基线漂移、波形畸变、波形消失和心动周期延长等，统计结果见表1。

表1 步进模式下监护仪故障类型和出现次数统计Tab.1 Statistical results of fault sort and frequency of monitor under step mode

2 UWB电磁脉冲辐射试验

2.1 UWB参数

超宽带（U W B）电磁脉冲的峰值功率大于100MW、上升前沿为10-8或10-12S量级、相对带宽超过25%，其频谱可以从几十MHz伸展到几GHz乃至几十图3～图6为监护仪心电正常显示和几种典型故障显示的对比。GHz，对电子设备具有较强的干扰和破坏效应[11-12]。

图3 正常心电波形Fig.3 Normal ECG waveform

图4 心电波形基线漂移Fig.4 ECG waveform baseline drift

图5 心电波形畸变Fig.5 ECG waveform distortion

图6 心电波形消失Fig.6 ECG waveform disappearance

图7 心动周期延长Fig.7 cardiac cycle prolongation

本试验采用的UWB试验参数满足国际电工委员会的标准，具体参数见表2～4：

表2 UWB脉冲参数Tab.2 Parameters of UWB pulse

表3 脉冲波形参数Tab.3 Parameters of pulse waveform

表4 天线参数Tab.4 Parameters of antenna

2.2 试验方法与试验结果

选择一空旷场地安放UWB发射源，其天线轴线对准监护仪，将监护仪直接暴露于脉冲辐射之中，与脉冲源的距离分别取10m、7.5m和5m。适当选择脉冲强度，确保监护仪不至于不可逆转性损坏。调整脉冲进行单次触发，每个位置各进行5次重复测试，观察并记录监护仪工作状态。试验结果如表5所示。

表5 UWB辐射试验结果Tab.5 Results of UWB radiation experiments

试验表明，UWB脉冲对监护仪具有显著的干扰效应，被测设备与脉冲源的距离越近、辐射场强度越大，干扰越大。

3 结语

通过以上试验结果，可以得出结论：

1）相比于射频连续波，电磁脉冲对监护仪的干扰更严重，需重点进行防护。

2）所选用的监护仪对射频电磁辐射具有一定的抗干扰能力，异常状态多表现为测量波形基线漂移、畸变。

3) 监护仪对于不同频率的电磁干扰具有不同的电磁敏感性，所选用的监护仪对390 MHz左右的电磁干扰最为敏感，其临界场强最低。

致谢：

本实验得到石家庄军械工程学院静电与电磁防护研究所魏明副教授等的支持与配合，在此表示衷心感谢。

[1] 王先义, 陈丹俊, 刘斌, 等. 复杂电磁环境战场频谱管理[J]. 中国电子科学研究院学报, 2008，3(4)：338-344.

[2] 周壁华, 陈彬, 石立华. 电磁脉冲及其工程防护[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003

[3] 刘学观, 蔡文锋, 郭辉萍, 等. 电磁脉冲弹及其防护[J]. 通信技术,2003, 141(9): 112-114.

[4] 霍元义. 电磁干扰及电磁干扰对医疗仪器设备的影响与对策[J].医疗卫生装备, 2004, 25(6): 172-174.

[5] 袁军，张和华，王晴. 医疗卫生装备抗高功率微波技术分析[J]. 中国医学装备, 2009, 6(4)：5-8.

[6] 刘梅. 多参数监护仪典型故障分析及处理方法[J]. 中国医学工程,2009, 17(5): 396-398.

[7] 张林昌. 混响室及其进展[J]. 安全与电磁兼容, 2002, (1): 9-13.

[8] HILL D A..Boundary Fields in Reverberation Chambers[J]. IEEE Trans on EMC, 2005, 47(2): 281-290.

[9] 程二威, 王庆国, 曲兆明, 杨权. 混响室环境下小屏蔽体屏蔽效能的实验研究[J]. 河北师范大学学报（自然科学版）, 2009, 33(5):620-623.

[10] 国际电工委员会标准. IEC61000-4-21测试和测量技术——混响室测试方法[S]. 英国: 国际电工委员会出版, 2003.

[11] http://www.emcchina.com/html/15/1/1220/1.htm

[12] 朱刚. 超宽带（UWB）原理与干扰[M]. 清华大学出版社, 2009.