醫用微波設備輻射發射測試方法的改進與應用

【作 者】王占碩，許偉，胡志偉，楊建剛，高山天津市醫療器械質量監督檢驗中心，天津市，300384

0 引言

我國醫療器械強制性行業標準YY 0505—2012《醫用電氣設備 第1-2部分：安全通用要求 并列標準電磁兼容 要求和試驗》已于2014年1月1日起正式實施。該標準旨在控制產品電磁兼容指標，營造良好的電磁兼容環境，其中包括兩個方面：一是產品在其電磁環境中能夠正常工作，二是不對該環境中的其他事物造成不能忍受的電磁干擾。其中，第二個方面主要規范醫療器械的輻射發射對周圍無線電設備的干擾，并根據相關標準（比如，GB 4824《工業、科學和醫療（ISM）射頻能量騷擾特性 限值和測量方法》）對發射電平進行了發射限值的規定。

微波治療儀主要是利用微波能量對患者的病變部位進行輻射，從而達到治療的目的，由于微波的特性，它具有輻射能量方向性好，穿透深度大等優點。國家規定醫用的微波的頻率為：2 450 MHz，5 800 MHz和24.125 GHz。目前，大多數產品的微波工作頻率為2 450 MHz。微波產品，從最初低功率的理療設備，發展到現在大功率（比如100 W，200 W）的治療設備[1]。

由于微波設備的以上特點，其輻射騷擾場強在特定頻段會比較高。輻射發射涉及周圍無線電和公眾的健康及安全，因此備受關注。

1 現有輻射發射測試方法中存在的問題

輻射發射作為電磁兼容測試中的一項重要試驗，主要考察被測設備向周圍空間傳播的輻射騷擾場強，可以分為磁場輻射和電場輻射。對于微波治療設備，測試頻段涵蓋了150 kHz～30 MHz的磁場測試和30 MHz～1 GHz，1 GHz～18 GHz的電場測試。

發射電平的限值和測試方法，主要依據是GB 9706.6—2007和GB 4824—2013。其中GB 9706.6—2007對測試中的負載情況進行了特殊說明：測試過程中各個輻射器需要在一個標準鹽水體模下進行測試。而GB 4824—2013則給出了輻射發射電平的限值和通用的測試方法[2-3]。

國內醫療器械電磁兼容檢測起步晚，經驗少，并沒有意識到此類產品的特殊性，基本參照一般的設備進行測試，導致絕大多數的測試結果都不能滿足GB 4824的要求。特別是在2015年實施新版GB 4824—2013之后，增加了1 GHz～18 GHz頻段的測試，這種現象更加突出。 如圖1所示，為一個磁控管型微波治療儀的1 GHz～18 GHz頻段的測試結果。從測試結果圖看，各倍頻均超出標準規定的限值。

圖1 常規測試結果圖Fig.1 Test results of conventional test system

然而，引起絕大多數被測設備的測試結果超過標準規定限值的原因，是被測設備自身問題，還是測試系統中存在不足之處，還需進一步分析驗證。

2 測試方法的改進和效果

2.1 問題分析

鑒于被測設備的測試結果絕大多數都超出標準規定限值這個普遍現象，引起這個現象的問題可能出在測試系統上。下面就常規的測試系統進行分析。

圖2為常規測試系統圖。測試系統基本上由喇叭天線、前置放大器、接收機以及連接線纜組成。

圖2 測試系統圖Fig.2 Test system diagram

對于該系統中存在的問題，可以以放大器為例進行說明。任何一個放大器均可以由下面的框圖表示。

圖3 傳輸網絡Fig.3 Transmission network

其中x(t)為輸入信號，y(t)為輸出信號，h(t)為傳輸函數。一個理想的線性網絡的傳輸函數為：

其中G為網絡增益。

這樣理想的網絡只能用無源器件來實現，例如電阻性衰減器。當實際網絡存在有源器件時，例如放大器及混頻器等，就會存在非線性，此時傳遞函數將近似成一系列功率分量的組合：

以一個單音頻信號為例，由于非線性，輸出信號為（截止到三次分量）：

由此可見，由于非線性的存在，除了基波信號之外，將在nf處產生各次諧波。

圖4 非線性圖例Fig.4 Nonlinear example

對于圖1中使用的放大器而言，它有一個線性動態范圍，傳輸函數接近于理想的線性網絡。其中輸出功率和輸入功率之比為放大器的增益G。但是隨著輸入功率的繼續增大，放大器將進入非線性區。輸出功率不在隨著輸入功率的增大而增大。此時，將會產生比較嚴重的非線性效應。通常把增益下降到比理想線性增益低1 dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點[5]，如圖5所示。

圖5 1 dB壓縮點Fig.5 1 dB Compression

由于微波設備的特殊性，射頻能量大，輸出功率高，很容易超過 1 dB壓縮點，這樣就會使測試鏈路中的測試部件（例如，放大器）過載或者飽和，進入非線性工作區域。

例如，一臺輸出功率100 W的工作在2 450 MHz頻段的微波設備，主頻率在3 m距離處產生的場強約為146 dBμV/m。喇叭天線轉換為電平大概為120 dBμV。對于這樣的電平，測試鏈路上的很多設備會由于輸入信號過大產生過載，并呈現非線性響應。以前置放大器為例，某增益為40 dB的前置放大器在該頻段的輸出1 dB壓縮點為10 dBm，對應的最大輸入電平-30 dBm。對于上面提到的120 dBμV已經遠遠高于該前置放大器的最大輸入電平。這樣的后果就是，引起前置放大器過載，并產生諧波。

雖然2 400 MHz～2 500 MHz在GB 4824—2013中并沒有限值要求，但是前置放大器產生的諧波分量會和被測樣品（EUT）自身的諧波分量相互疊加，導致測試結果失真，甚至造成結果的誤判。以圖1為例，從結果可以看到，二次諧波、三次諧波、四次諧波等諧波頻點均已經超出標準要求的限值。按照原有的思路，這種結果只能判定不合格。實際上，這些諧波分量并不是被測產品真實的輻射水平，而是測試鏈路的諧波分量和EUT自身的諧波分量疊加的結果。

2.2 測試方法改進

從2.1的分析得知引起測試系統進入非線性區，并產生諧波失真，從而導致測試結果失真的根本原因在于微波設備的主頻率發射功率過高，能量過大。目前微波設備的主發射頻率均在GB 4824—2013表1中規定的范圍之內，比如2 400 MHz～2 500 MHz。對于這些頻率的基波以及頻段內的其他頻率分量最大輻射限值不受限制[3]。

從前面章節了解到，現有測試系統中產生諧波失真的器件是前置放大器。解決此問題最直接的方法是在鏈路中去掉前置放大器進行測試。但是鏈路中不使用前置放大器可能會產生兩個結果：①測試系統背景噪聲過高，尤其對于頻率較高的頻段不能滿足標準要求的“背景噪聲電平應比相應的限值至少低10 dB”[3]。②過高的射頻能量有導致接收機飽和甚至損壞的可能。如果能保證上述兩種情況不發生，可以考慮不使用前置放大器進行測試。而實際情況往往是以上兩種情況都發生。

因此，可以通過抑制主頻的方法來降低測試鏈路的輸入功率，從而避免非線性效應和諧波失真。以下為改進后的測試系統圖。

圖6 改進后的測試系統圖Fig.6 Improved test system diagram

通過和圖2對比，可以發現，改進后的測試系統新增了兩個設備：帶阻濾波器和高通濾波器。其中核心部件就是帶阻濾波器，功能就是抑制主頻分量。鑒于現有器件的特性，帶阻濾波器的截止頻率一般不會太高，比如3 GHz，因此3 GHz以上頻率需要高通濾波器。改進后的系統，能有效抑制主頻能量，盡量減少非線性的影響。如圖7所示，抑制主頻之后，高輸入功率引起的系統非線性也得到了抑制，更能夠真實準確的反應被測設備的實際輻射情況。

圖7 改進后的測試結果圖Fig.7 Test result of improved test system

3 結語

微波治療設備作為一類特殊的醫療器械，由于其自身特點，導致其輻射發射測試備受關注。測試結果的準確性不僅僅關系到醫療器械廠家的生存，更關系到我們所處的無線電環境的安全。本文通過查找原有測試方法中存在的問題，有針對性的進行改進，保證了測試結果的準確性。但是系統還存在一些需要改進的地方，比如帶阻濾波器的邊帶處理，這也是以后研究的重點。

[1] 張和華, 王晴, 袁軍. 微波治療儀的研究和應用新進展[J]. 中國醫學裝備, 2009, 6(3): 53-57.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB 9706.6—2007 醫用電氣設備 第二部分: 微波治療設備安全專用要求[S].

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB 4824—2013 工業、科學和醫療（ISM）射頻設備 騷擾特性 限值和測量方法[S].

[4] 蔣輝. 功率放大器非線性技術分析及解決辦法[J]. 科技創新導報, 2007(30): 37-38.

[5] 甘璐. 寬帶射頻功率放大器的數字預失真技術研究 [D]. 成都:電子科技大學, 2009.