利用近场探头预判辐射发射测试结果及应用实例

吴瑞豪 陈婉如 田禾箐 / 上海市计量测试技术研究院；上海市在线检测与控制技术重点实验室

0 引言

在电磁兼容测试中，辐射发射测试是考量电子设备对外电磁辐射量大小的重要项目，以保证电子设备在投入实际应用后对外界环境的电磁辐射干扰达到标准规定值以内。通常情况下，为了提高测试准确性，避免外界电磁噪声的影响，辐射发射测试一般在半电波暗室中进行，如图1所示。暗室内五个面上都敷设了吸波材料，另外暗室内还配置了很多自动化设施，如转台系统、天线系统以及监控系统，提高了测试效率。人员在暗室外可以实时了解内部情况，从而为样品测试结果的分析、样品辐射发射整改方案提供可靠的依据。

图1 半电波暗室

目前，电磁兼容检测行业中，半电波暗室按照样品的测试距离分为两种，即3 m半电波暗室以及10 m半电波暗室。前者对场地空间要求低，很多大型的设备研发厂商都建有专门的3 m半电波暗室，可以用于对新研发产品的辐射发射进行评估；而10 m半电波暗室对场地要求高，占地空间大，仅大型正规电磁兼容检测机构有建造与维护10 m半电波暗室的条件。因此，对于大部分研发企业而言，首选3 m半电波暗室作为产品电磁兼容性能评估与预判的场地。当然，其缺点也很明显，即测试准确性会受到一定的近场效应影响，相比在10 m半电波暗室的测试结果准确性要低一些，导致很多电磁兼容问题的评估存在误差。另外，一些尺寸较大的样品不适合在3 m半电波暗室开展辐射发射试验，这也成为很多研发企业在电磁兼容性能评估上的一大难题。

由于开展专业的辐射发射测试费时费力，并且不便于定位样品的发射源位置，很多研发人员设计了一些简单的方法，有针对性地对样品辐射发射情况作出分析，为样品整改提供了更好的方向。

近场探头是一种可以靠近样品测量电磁辐射情况的仪器，配合频谱分析仪或者接收机可以形成近场测试系统，在电磁兼容性能评估中有着重要的作用。相比于直接在3 m半电波暗室进行专业辐射发射测试，近场探头虽然测量准确度较低，但可以快速、准确地定位辐射骚扰源的位置，并且对于场地的要求不高，一般在屏蔽室内即可使用。为大部分中小型研发企业提供了一种低成本、高效的辐射发射预判方法，也是目前主流的辐射发射整改参考手段之一。近场天线结构简单，通常包括电场探头和磁场探头，如图2、图3所示。通常根据实际情况可以合理地选用其中一种探头进行测量，从而得到更准确的结果。

图2 电场探头

图3 磁场探头

1 辐射发射测试中近场与远场的理论转换

辐射骚扰源发出的电磁波包括电场和磁场，由于分布参数的影响，在骚扰源附近的电磁场情况比较复杂，通常由束缚场和辐射场叠加而成，即近场区； 当离开骚扰源一定距离后，束缚场的影响已经微乎其微，空间传播的电磁波主要以辐射场形式存在，即远场区。对于波长为λ的电磁波，近场与远场的分界线一般为

可见，对于频率越低的电磁波，波长越长，其近场区范围也越大。在专业的辐射发射测试中应避免在近场区进行测试，目的为避开束缚场造成的不确定性影响，减小测量误差。例如，辐射发射测试的最低频率为30 MHz，其对应远、近场分界线为1.59 m。因此，国家标准规定必须在3 m或者10 m的距离进行辐射发射测试，方可得到较准确的测试结果。在远场区，由辐射骚扰源发出的波可以看作是平面波，电场强度E与测量距离r的一次方成反比；而在近场区，受到波阻抗以及分布参数的影响，电场强度E与测量距离r的两次方、三次方分别成反比。故对于整个无限大空间，辐射骚扰源的电场强度E可以表示为的线性叠加，即：

式中：A、B、C—— 系数

由式（2）可以看出，在测量距离r较小的近场区域，主导电场E变化的为后两项而测量距离r较大的远场区域，主导电场E变化的为第一项对于相同的辐射骚扰源以及样品，系数A、B、C均为一个恒定值，如可以在近场条件下进行多次测量，反推出系数A、B、C的值，则可以近似模拟辐射源在10 m远场处的电场场强大小，将近场测试结果理论转换至远场，进而达到预判辐射发射测试结果的目的。

若要得到A、B、C3个系数以及场强E(r)的表达式，需要至少测量3次，每次测量尽可能在大于远、近场分界线的位置进行，以减小近场区的不确定因素带来的影响，降低测量误差。根据式（1），可以计算出不同频率段的远、近场分界线距离，从而确定近场探头的测量距离，如表1所示。

从表1可以看出，这种预判测试方法对于较高频率段的信号源比较适用，可以保证在接收足够电场强度的条件下，近场探头放置于远、近场分界线以外开展测试，提高了测试的准确性。根据3次不同距离下测出的场强E以及相应的补偿系数，可以得到关于A、B、C的三元一次方程组，求解并确定E(r)的表达式后，将r= 10 m代入其中，得出辐射发射测试的预判结果，将预判结果与相关标准规定的限值进行比较，可以确定特定辐射骚扰源的发射情况。

表1 不同频率段的辐射骚扰源远近场分界线

实际操作过程中，研发人员或检测人员在屏蔽室中先使用近场探头配合频谱分析仪或示波器对整个样品周围进行扫描，必要时可以添加前置放大器，增强信噪比，得到更稳定、可靠的测试结果。经过预扫描后确定最高发射频率以及发射方向，分析产生干扰的源头，便于后期整改。随后通过该方向与频率点在3次不同距离的测量采集数据，进一步计算并大致预判10 m法半电波暗室的辐射发射测试结果。由于近场探头易于操作，测量时间短，可以在不断整改中结合实时测量，便于研发企业在短时间内找到最合理的整改方案，不必通过第三方检测机构开展测试，节省了大量的时间成本和测试费用，大大缩短了研发周期，提高了研发效率。

2 近场探头预判辐射发射测试结果应用实例

某新研发的医疗康复训练机器人手产品未开展过专业的辐射发射测试，其内部结构主要由气泵、电动机、开关门控制电路、触摸屏控制电路以及时钟电路组成，可能存在低频段的宽带骚扰信号以及高频段的窄带骚扰信号。根据上述分析，使用近场探头配合频谱分析仪对正常工作中样品的周围进行扫描，如图4所示。在其相应的辐射发射测试频率范围内（30 MHz ～ 1 GHz）得到了频率-最大场强值的初步图像，如图5所示。

图4 对样品进行全频段扫描

图5 样品在全频段下频率-最大场强值图像

通过图5可以看出，该康复训练机器人手的辐射发射源主要为中心频率100 MHz的宽频干扰信号以及一些高频干扰信号，前者为整个辐射发射源中的最强信号。因此，对样品进行辐射发射预判时需要优先考察100 MHz频率点的辐射强度，作进一步的测试。

根据表1的数据，100 MHz的干扰源远、近场分界线约为0.48 m，因此，测试中选用0.5 m、0.7 m和0.9 m作为本次预判中的测量距离，在远场区对样品进行测试。将近场探头置于样品发射最强的角度，使用接收机以及内置预放，读取3个测量距离下的准峰值，得到3组数据。根据式（2）中E(r)的表达式可以列出三元一次方程组，求解后得到E(r)的表达式为

将r= 10 m代入式（3）中，得到10 m处的场强E10m= 60.00 μV/m，通过转换可以得出测量准峰值E= 35.56 dBμV/m，即为近场探头预判100 MHz干扰源的辐射发射测试结果。

为了验证上述预判方法的准确性，对该康复训练机器人手进行了专业的辐射发射测试，采集了100 MHz频率点的数据，如图6所示。根据图6中的测试结果，可以看出在100 MHz附近该康复训练机器人手的辐射发射量最大。对100 MHz频率点进行了准峰值检波器的读点，得到最终结果为E= 36.7 dBμV/m。相比于近场探头测量计算的理论值高出1.14 dBμV/m，误差为3.11%，在合理范围内。因此，采用近场探头对样品在较近距离进行测量，并结合一定的理论计算与分析，可以大致预判样品的辐射发射情况，相当于对样品展开了摸底测试。得到预判结果后，设计师与研发人员可以有针对性地改进样品的内部结构或添加滤波、磁环、接地等，使整改的过程更加顺畅、清晰。

图6 样品的辐射发射测试结果

3 结语

近场探头相对于专业的辐射发射天线，虽然测量准确度不高，但具有成本低、测试方法简单的优势，适用于大多数的辐射发射整改项目。若能提高近场探头测量的准确度，使用更科学合理的预判方法，可以通过近场探头预知整改中样品的实际辐射发射测试结果，节省了大量的时间和成本，也为辐射发射整改提供了明确的方向，加快了样品的研发进程。总之，利用近场探头低成本、测量时间短、针对性强的优势，可以迅速地找到辐射发射问题的根源。

目前，近场探头的测量还存在很多问题。例如，测量的随机误差较大，容易受到近场束缚场的干扰，导致测试结果偏离，并且在屏蔽室中也存在一定的反射，相对于半电波暗室，测量到的场强存在更多成分的反射波叠加。此外，由于分布参数的影响，周围的一些导体（如人体）也会间接影响测量准确度，因此，近场探头测试结果仅供参考，并不能代表最终的测试结果。样品在整改完成后还需至有资质的第三方检测机构进行专业的辐射发射测试，确保投入使用的产品可以达到电磁兼容性相关标准的要求。