利用吉赫兹横电磁波室实现电能表辐射骚扰测量

钟国林，李建明，马轲瀛，郑东冬

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

对电子式电能表的辐射骚扰规定限值并进行测量，在国家标准和IEC等相关标准中早有明确的规定[1]。但鉴于该测量所使用的场地（电波暗室、半电波暗室及开阔场）和设备造价高（高于2000万元），因而长期以来在许多发展中国家或其大多数实验室都不具备这样的测量能力，我国也不例外。我国绝大多数省级实验室都不能进行这样的测量。

20世纪90年代以来，一种新型测量替代场地和接收装置——GTEM小室的研究和开发使用获得长足进展，许多国家和国内的实验室都采用它来进行射频电磁场辐射抗扰度测试，并获得良好的使用效果[2-3]。但利用它来进行辐射骚扰测量见于文献报道的尚不多见。中国测试技术研究院电子所电磁兼容实验室在2001年成功利用GTEM小室进行抗扰度测试的基础上，通过详细的理论探讨和大量的实验研究，成功地利用该小室进行了电能表的辐射骚扰测量[4]。该文介绍测量装置的组成、原理和方法，并介绍测量的特点和存在的问题，望与同行交流与讨论。

1 检测项目及技术要求

1.1 引用标准及检测项目

GB 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》（idt CISPR 22：2006）。

GB/T 17215.211-2006《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》（idt IEC 62052-11：2003）。

检测项目是电能表发出的辐射电磁骚扰，统称电磁干扰（EMI）。

1.2 技术要求

判断被试电能表（EUT）的电磁发射是否合格，强调下述两点：

（1）按规定使用物理量及其测量限值。标准要求测量结果需用dBmV/m或dBmA/m表示电场强度或磁场强度值。

（2）距离修正。根据测量的实验距离的不同，需对骚扰限值增加或降低相应的dB数，以构成新的限值。

2 装置组成、原理和方法

2.1 测量原理

装置组成框图如图1所示。利用GTEM小室对电磁波能量的收集与接收功能（等效为接收天线），将置于小室内的EUT发出的辐射对电磁能量收集并转换为电路的电压或功率电平（U2或P2），经连接到电路中的接收机或频谱分析仪进行检测或测量。按要求，测量结果需用dBmV/m或dBmA/m表示。

为了收到用规定单位表示的测量结果，需事先给出或测出GTEM小室对电磁场强度的接收系数AF（或称转换系数）。该术语类似接收天线的接收系数或天线系数。可表示为

通常采用式（2）作为接收系数AF的测量表达式。式（1）～式（4）中，E1、H1、P1、U1、I1分别表示测量 GTEM小室接收系数时所用到的物理量数值。众所周知，AF 是频率 f的函数，表示为 AF（f）。

须知，AF的测量是事先或事后进行的。EUT发出的辐射电磁能经小室接收生成U2或P2后，被接收机或频谱仪测量，利用式（2）的逆运算即可求及所要求的辐射电场强度E2如下

2.2 装置组成描述

（1）GTEM小室——既作为测量场地使用，又作为骚扰能量的收集转换装置。该文称为接收装置，相应规定了它的接收系数AF。

（2）同轴接收器——50Ω同轴转换接头。

（3）干扰接收机——符合要求的干扰接收机或频谱分析仪。

（4）校准天线组——为测量或校准GTEM小室的接收系数而使用的成套天线，如双脊喇叭天线、对数周期天线等。

（5）场强仪——测量电场强度。

（6）信号源（含功放）——配合测量使用。

（7）彩色打印机——打印测量结果（数据或频谱分析图）。

（8）辅助设备——为被测电能表提供规定工作条件的设备，如电能表校验台。

图1 装置组成框图

2.3 测量方法

该方法与干扰测量中电压或功率的测量基本相同，其特点如下：

（1）属小仪器或微仪器测量。只能采用测量接收机或频谱分析仪进行。

（2）属干扰测量。需采用符合要求的干扰测量接收机或频谱分析仪进行。

（3）GTEM小室接收系数的测量与校准。该步骤可事先或事后进行。为了降低测量不确定度，可在较大场强信号下进行。为使测量结果可比对与可重复，可能需要在测量现场校准小室的接收系数AF，特别是在关键的或关心的频率点上。

（4）本底干扰的识别与扣除。对于测量系统的本底干扰，采用文本推荐的频谱分析方法，很容易识别与扣除。

2.4 装置特点

（1）造价低。国产GTEM小室的造价约10～20万元，比其他测量场地的造价低很多。项目使用的GTEM小室系中国计量科学研究院无线电处于20世纪90年代研制的，性能优越。

（2）占地少。国产长度不超过10m的小室，占地面积约为40～60m2，不需再考虑房间的屏蔽问题。

（3）适于测量便携式仪表。如大量使用的单、三相电子式电能表，其尺寸不超过300×200×100mm3。

（4）利于连线抗干扰处理与铺设。以电能表为例，其辅助设备均置于小室外，对连线的抗干扰处理与铺设易于实施。

3 测量步骤

（1）校准GTEM小室的接收系数AF。可事先进行，亦可事后进行。

（2）连接EUT。按要求布置并连接好EUT。

（3）按要求连接好接收机或频谱仪。

（4）背景干扰处理。测量中需采取一切有效措施识别并排除、降低背景干扰影响。如确定不能降低的背景电平，需按规定进行修正或扣除（须谨慎处理）。

（5）测量并记录电压或功率读数。

（6）数据转化。将测量结果转化为用dBmV/m或dBmA/m表示的值。

（7）距离修正。将实际的测量距离化为对应的dB数与标准规定的限值L1相加、减，其结果作为新的限值L2。

（8）显著值的登记。比较测量结果与新限值L2，把大于（L2-20dB）的至少6个结果及有关参数逐一登记，必要时给在证书中。

4 试验结果[5-9]

试验对象——单相电子式电能表。电能表型号为 DDS2010-1 型，规格为 220 V 10（40）A，供电频率为50 Hz，脉冲常数为1 200 imp/kWh，误差等级为1级。

试验条件——试验应按GB 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》（idt CISPR 22：2006），在下列条件下进行：

（1）作为B级设备；

（2）作为台式设备试验；

（3）电压线路和每个连接器的连接，应使用长度为1m的无屏蔽电缆；

（4）仪表在工作状态：

1）电压线路和辅助线路通以参比电压；

2）电流在0.1Ib（In）与0.2Ib（In）之间（由线性负荷引出并以1m长的无屏蔽电缆连接）。

试验结果满足以下技术指标：

当频率在30～1000MHz范围内，测量距离为10m的辐射骚扰限值见表1。

表1 10m测量距离处的辐射骚扰限值（B级）1-3）

试验数据——该单相电子式电能表在给定条件下的辐射骚扰试验数据在图2中给出。

图2 单相电子式电能表的辐射骚扰试验数据图

GTEM小室接收系数的测量——根据单相电子式电能表的辐射骚扰试验数据，用标准信号发生器及其辅助设备在辐射骚扰试验数据的敏感频率段上对GTEM小室的接收系数进行了测量（定标），其结果如图3所示。

图3 GTEM小室接收系数图

从试验数据综合分析能够得出，该电能表在规定试验频率范围的辐射骚扰已经超过了国家及国际标准规定的限值，为不合格产品。

5 问题与讨论

（1）低频段问题。实验发现在低频段特别是在30～100 MHz内，由于存在感应场带来的影响，使小室接收系数AF的测量与校准存在较大的不确定因素。这些因素为：①天线的形式，如选用哪种天线更好；②天线的尺寸，由于有用空间较小，天线的尺寸受到限制；③天线的布置，包括天线的相对位置、极化方向以及指向等。

（2）小室对电磁波的接收机理问题。该问题应表述为：小室对电磁场能量的收集、传输与转换机理。这不仅是一个理论分析问题，更是一个实践或实验性问题，主要表现为反射影响、天线的指向影响与极化方向影响等。该测量方法采取现场测量或校准小室接收系数AF的步骤，充分利用替代测量技术以降低上述影响，这显然相当有效但也相对有限。

6 结束语

该装置经过一年多的反复试用，证明其使用灵活、操作方便、测量数据稳定、复现性好、对本底干扰易发现并易处理，且采用彩色打印机可为用户打印出分布曲线，便于存档与调用，对于不合格产品，容易针对频谱分析曲线进行有效整改。

[1]GB 9254-2008，信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法（idt CISPR 22：2006）[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]GB/T 17626.3-2006，电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验（idt IEC 61000-4-3:2002）[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3] 全国无线电干扰标准化委员会.电磁兼容标准实施指南[M].北京：中国标准出版社，1999.

[4]GB/T 4365-2003，电磁兼容术语[S].北京：中国标准出版社，2003.

[5]GB/T 17215.211-2006，《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》（idt IEC 62052-11：2003）[S].北京：中国标准出版社，2006.

[6]GB/T 17215.321-2008，交流电测量设备特殊要求第21部分：静止式有功电能表[S].北京：中国标准出版社，2008.

[7]GB/T 17215.301-2007，多功能电能表[S].北京：中国标准出版社，2007.

[8]GB/T 15284-2002，多费率电能表特殊要求[S].北京：中国标准出版社，2002.

[9]GB/T 18460.3-2002，IC卡预付费售电系统第3部分：预付费电度表[S].北京：中国标准出版社，2002.