Philip F. Keebler AND Kermit O. Phipps

    什么是E3项目？在军事环境，美国宇航局和电信产业以外，电磁环境效应的研究和频谱管理并没有被充分理解并做到，以确保工业设施，商业机构，医疗设施和数据中心电磁环境的电磁兼容（EMC）。在这些地方，电磁兼容是必不可少的，特别是当先进的电子设备引入到这些环境——如数字处理器，数字测试设备，路由器，交换机，电力电子，电子控制，高科技医疗设备，电脑显示器和电子照明系统。

    这篇文章讨论了MIL-STD-461E（子系统和设备电磁干扰特性的控制要求）1中的辐射测试技术，使用不同天线时这些测试技术的特定用途（由尺寸确定），以及天线用于建立E3项目的位置和方式，该E3项目是为了会因为EMI而造成停机的关键设备而建立的。本文也提出了IEEE 473（电磁现场测量（10kHz-10GHz）2的IEEE推荐规程）的用途，其作为用多种天线进行EMC现场测试的指南，其中，包括了推荐使用单宽带盘锥天线对未知EMI源的现场进行辐射测试。也将可用于监测电磁环境的其他天线与盘锥天线进行了比较。

    在这篇文章中，将医疗和数据中心产业作为用最简单方法进行EMC测试的受益者。IEEE 473推荐了当在医疗和数据中心环境中进行EMC测试时，EMC审查人应遵循的标准的测试方法。除了IEEE 473中介绍的方法，MIL-STD-461E（子系统和设备电磁干扰特性的控制要求）和IEC 61000系列中的EMI/RFI测试方法可以用于评估传导和辐射EMI/RFI现象以分析敏感医疗设备的使用环境。然而，在一个医疗设施内，EMC审查者应从MIL-STD-461E或IEC 61000系列中选择测试方法，但在进行测试时方法不能交叉（或是推荐的天线用途）。三种标准中，461E覆盖了更宽的频率范围，但它不是设计用来当进行现场测试时分析设备和设施的辐射。它只是用来测量设备的辐射和抗扰度的——而不是测量环境本身。而且，盘锥天线不在MIL-STD-461E和IEC 61000推荐的天线之列。

    另一方面，IEEE 473推荐现场测试使用盘锥天线和其他类型的天线，如MIL-STD-461E和IEC 61000列出的天线类型。比较包括盘锥天线在内的四种天线，结果表明使用盘锥天线与使用MIL-STD-461E和IEC 61000推荐的天线得到的结果相似。盘锥天线成为推荐的天线是由于它较宽的频率设置范围和适用于如医疗和数据中心行业里的有限空间，或拥挤区域里其他种类的设施。

    然而，在提出各种EMC标准应用和天线选择以前，我们先概括介绍一下E3原理，目的在于让前面提到的将受益于E3项目的行业设施经理有所了解。

E3和频谱管理原理

    E3概念并不是指导方针，而是一个包括很多广为接受的EMC规律的基本原理，这些规律确保了共存设备间以及设备和电磁环境间有效的电磁兼容。电子设备产生的能量越来越多地拥入有限的电磁频谱。有的电子设备是有意进行电磁辐射的源，而有的是非有意源。不管是哪一种类型，它们都会产生电磁干扰问题（EMI）。克服这些问题的推荐方法是通过频谱管理——监视或控制使用同一频段的设备的辐射。

    E3概念有助于确保电子和电气设备至少满足最小置信水平的抗扰度要求和限制有意及非有意的辐射。军标如MIL-STD-461E已极为成功地用于确保军事和其他关键系统及子系统的电磁兼容。

    确保系统满足一个军事及/或商业标准只能满足E3项目的部分要求，不管那个标准描述的是测量设备辐射的方法还是测量设备内辐射量的方法。满足其它部分要求可以通过监视和保持总的电磁环境中的频谱成分来实现。但是保持频谱成分会带来些什么呢？

    首先，E3项目需要监控感兴趣的电磁环境以确定频谱成分处于何种强度及频段。而且，E3项目在确定关键设备工作的电磁环境的方法上很有竞争力。E3项目的实行者可能会得出结论：以前监测频谱成分的努力是值得的但没有完全实现对频谱成分的监控。因为可能并没有考虑到辐射的所有潜在源。例如，如果敏感电子设备安装在脉冲负载或某种按照负载命令周期性开关的负载附近，应包括负载周期性测试。

    在一个E3项目中，要考虑到一个有效电磁环境的所有参量。这些参量包括确信要求的抗扰度电平，（在一个受控的实验室环境下）测得的设备辐射电平，（当设备运行在一个自由环境下）在设备区域内测得的辐射电平，设备位置，设备安装的类型，设备类型，与其他设备的接口类型（如果有的话），以及过去EMI问题的纪录。

    对于不同设备和不同环境的EMC要求是不同的。有的企业基于操作的重要程度将这些要求分类。例如，病人使用呼吸设备的保健设施区域内，以及正在用连接病人的设备和图像系统对病人进行诊断测试和诊断测试包括小信号的区域，都要坚持比商业和工业企业更高的EMC要求。在数据中心环境，设施和通信工程师可能并没有意识到对于服务器，路由器和交换机等建立EMC要求的重要性。确保一个电磁环境内可靠性操作的重要性同样适用于静电开关，电池充电系统和不间断电源。然而，当已有的设备控制、动作程序执行中升级或者安装了新设备时，任何设备的频谱都应受到监控。周期性监控应该集中在1）设备安装点2）关键控制的所在区域3）必须进行可靠的有关安全的操作的区域4）过程需高度关注的区域，如手术服，加护病房和急诊室。一旦测完设备安装点处的环境，它的电磁环境的背景电平就能很容易的与相似环境的电平及安装设备的抗扰度电平相比较，这些电平可由MIL-STD-461E及它的先前标准MIL-STD-461D，或其他另一种EMC抗扰度标准确定。

    对EMC辐射测试结果进行比较，可以确定存在某一区域的频谱成分，而不能确定存在于非常相似区域的频谱成分。即使两个设备很相似，一个设备的测试结果也不能用于反映另一个设备电磁环境。一个设备的测试数据最多能够对发生在另一设备的情况提供参考。不管使用哪种类型的设备，设备安装，设备负载，电线和信号电缆的走线，建筑的相似性（砖和灰泥）对测试结果影响都很小，而金属物体的种类和位置（机柜，机板，管道，电缆桥架等）对形成局部区域和设备的辐射影响很大。

已接受的测量方法

MIL-STD-461E方法

    MIL-STD-461E，子系统和设备电磁干扰特性控制的国防部标准要求（1999年八月），是一个源于20世纪40年代的军事标准，20世纪40年代正是早期军事射频通信系统和平台发展的鼎盛时期。该标准运用于保持美国军事武器和通信平台的系统集成及兼容，经过60年的试验和错误分析后，终于发展成为一个成熟的标准。在20世纪80年代早期，在海陆空三军中开展联合演习的困难，以及许多失败的发生，包括不成熟的武器发射，都推动改变来产生一个完全成熟的标准。

    在原有内容之上，MIL-STD-461E取代了MIL-STD-461D3和MIL-STD-4624一族，将两个文件合为一个标准。MIL-STD-461E是全面的，在于它包括了产生潜在干扰辐射的设备和可能受扰于那些干扰的设备。461E的目的是建立边界和相关要求1）确定对可能产生EMI问题的电子设备和子系统产生的辐射的控制2）确定设备对攻击设备的环境辐射不敏感。标准说明了控制辐射和确定设备级和子系统级抗扰度的技术要求。尽管如此，标准并不能覆盖所有类型的电子设备和子系统。

    有的机构依赖于应用MIL-STD-461E抗扰度限值和/或它替代了的标准取得的设备测试结果，作为确定理想电磁环境或设备安装环境内的受限辐射。然而，这个标准没有发展用来描述设备环境和设备安装点的特性。进而，它的目的是通过测试设备自身的辐射和抗扰度特性，建立EMI控制要求。标准涉及的设备包括电子，电气和电机设备，以及为美国国防部使用设计或实现的子系统。

IEEE 473方法

    IEEE EMC 协会负责电磁环境的第3技术委员会开发了IEEE 473标准。该标准发布于1981年，它认为在EMC协会中应以正规的方式对电磁环境进行监测。尽管这些监测中的目标，安装设备和场地细节变化很大，但是所有的监测都有共同性，IEEE 473标准文件为这些变化做出了规定。因此，标准推荐了一个规定的实施流程，也允许在不可避免的情况下对其进行改变。实施流程标准化以及允许各种类型的监测设备，为E3项目保持和控制辐射提供了有效数据。

    IEEE 473标准用于指导频率范围为10kHz到10GHz的周期和随机电磁场辐射和传导测试。473标准的指导路线是明确和透彻的。它们为EMC审查人提供了信息，这些信息是进行EMC现场测试需要的，包括选择正确的天线，怎样放置天线，选择测试设备和他们的探测器，以及怎样处理收集到的所有数据。遵循这个标准给出的描述电磁环境的测试方针，审查人就能够确定基本的场地参量值——例如信号频率，幅度和频谱成分的发生频率——通过EMC监测设备进行信号抽样。那么，审查人能够把他们对于子系统数据分析的发现备案并可对任何必需的行为作出评论。

    为了计划和安排监测，473标准对监测的传统过程提供了指导： 

    表1 用于现场测试的天线类型及其频率范围和大概尺寸