仿真暗室用作電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的評(píng)定*

王向陽 何洪濤 洪麗娜

(63880部隊(duì) 洛陽 471003)

1 引言

電波暗室作為一種測(cè)試場(chǎng)地或設(shè)施,近些年得到了廣泛應(yīng)用。按類型,電波暗室可分為半電波暗室和全電波暗室;按專業(yè)領(lǐng)域,不僅用于天線測(cè)試、電磁兼容(EMC)測(cè)試[1],還用作仿真試驗(yàn)的場(chǎng)所;按應(yīng)用領(lǐng)域,不僅用于民用科學(xué)研究、認(rèn)證測(cè)試,在國防科研、試驗(yàn)方面也有著廣泛的應(yīng)用。不同暗室有其各自的特點(diǎn),但也有一些共性,比如半電波暗室和全電波暗室均是在屏蔽殼體的基礎(chǔ)上鋪貼吸波材料而成,區(qū)別僅在于半電波暗室是在除了地面的其它五面鋪貼吸波材料,而全電波暗室是在所有六個(gè)內(nèi)表面鋪貼吸波材料。正是由于應(yīng)用于不同用途的電波暗室之間存在諸多共性,這就使得可以通過簡單的技術(shù)改造或采取一定的措施,使一種電波暗室兼顧多種功能,從而發(fā)揮其最大的效益。本文探索仿真暗室用作電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的可行性,正是基于這樣的目的。

2 仿真暗室介紹和電磁兼容測(cè)試需求分析

2.1 仿真暗室介紹

仿真暗室是進(jìn)行射頻仿真試驗(yàn)的場(chǎng)所,其類型為全電波暗室,即六面均鋪有吸波材料,模擬的是電磁波自由空間的傳播環(huán)境?，F(xiàn)有仿真暗室為一長方體結(jié)構(gòu),一側(cè)設(shè)置有平臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái),用以裝載被試品,另一側(cè)為一天線陣列,用以模擬產(chǎn)生仿真用的電磁信號(hào)或環(huán)境。除此之外,與一般暗室一樣,暗室內(nèi)還配備有照明、通風(fēng)系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)、火情自動(dòng)報(bào)警及消防系統(tǒng)和屏蔽大門等設(shè)施。

在仿真暗室設(shè)計(jì)之初,曾經(jīng)考慮暗室的綜合利用和功能擴(kuò)展,使之可用于電磁兼容測(cè)試、天線測(cè)試和雷達(dá)散射截面(RCS)測(cè)試等方面。因此在暗室地面中心區(qū)域?qū)ｉT規(guī)劃了電磁兼容試驗(yàn)區(qū),用于被試品的電磁兼容性測(cè)試。但遺憾的是,在后來的暗室建設(shè)中,由于種種原因,并沒有因此對(duì)暗室進(jìn)行相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)和建設(shè),如在暗室地面中心區(qū)域預(yù)建轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)想就沒有付諸實(shí)踐;還有,吸波材料選用時(shí),也沒有考慮其低頻段的性能等等。

按照最初的設(shè)想,當(dāng)需要進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)時(shí),可把電磁兼容試驗(yàn)區(qū)域及其周圍的吸波材料移走,這樣就構(gòu)建出一個(gè)相當(dāng)于半電波暗室的空間,也就臨時(shí)組成了電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地。當(dāng)電磁兼容試驗(yàn)結(jié)束后,可把吸波材料擺回原位,就恢復(fù)了仿真暗室的原貌,又可繼續(xù)開展射頻仿真試驗(yàn)。

當(dāng)然,以上是設(shè)想的理想情況。但是,根據(jù)仿真暗室目前的情況,是否適合開展電磁兼容測(cè)試?以及開展什么類型的電磁兼容測(cè)試呢?在搞清楚這些問題之前,有一個(gè)事情必須明確,那就是電磁兼容測(cè)試需求。

2.2 電磁兼容測(cè)試需求分析

在被試品的設(shè)計(jì)定型階段,對(duì)其進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)或測(cè)試的主要目的是考核被試品電磁兼容性是否符合研制總要求或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,為被試品最終的設(shè)計(jì)定型鑒定提供電磁兼容方面的依據(jù)。因此,在被試品設(shè)計(jì)定型階段開展的電磁兼容試驗(yàn)或測(cè)試應(yīng)該是鑒定試驗(yàn),屬于電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。當(dāng)然,開展被試品電磁兼容性方面的其它工作,如進(jìn)行電磁兼容故障診斷和排除、進(jìn)行有關(guān)電磁兼容方面的課題研究等也是重要的工作內(nèi)容。

電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試不同于研制方在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)過程中所進(jìn)行的電磁兼容預(yù)測(cè)試[2]。電磁兼容預(yù)測(cè)試只能應(yīng)用于研制生產(chǎn)過程中,不能用來對(duì)產(chǎn)品電磁兼容性做出鑒定性的評(píng)價(jià)。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試是依據(jù)相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),對(duì)被試品(設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng))實(shí)施的試驗(yàn)或測(cè)試,以評(píng)價(jià)其是否符合有關(guān)研制要求和相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),從而對(duì)被試品的電磁兼容性給出具有權(quán)威性的評(píng)估或鑒定。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試進(jìn)行的測(cè)試場(chǎng)所和條件,以及使用的儀器設(shè)備的指標(biāo)和精度都要符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求,如此才能出具具有法律效力的試驗(yàn)或測(cè)試報(bào)告。因此對(duì)測(cè)試場(chǎng)地和設(shè)施的評(píng)價(jià)也只能參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,其技術(shù)指標(biāo)或條件也應(yīng)按專用電磁兼容暗室的條件來衡量。

3 評(píng)定仿真暗室作為電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的主要內(nèi)容

3.1 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的要求

一般而言,進(jìn)行電磁兼容測(cè)試需要在專門的測(cè)試場(chǎng)所或場(chǎng)地進(jìn)行,其理由在GJB2926-97《電磁兼容性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可要求》中表述的很清楚:“在各項(xiàng)電磁兼容測(cè)試中,為了防止外界電磁干擾對(duì)測(cè)試的影響,以及防止測(cè)試時(shí)對(duì)外界造成干擾,應(yīng)考慮測(cè)試場(chǎng)地與周圍的電磁環(huán)境和物理環(huán)境的隔離[3]。”該標(biāo)準(zhǔn)還因此建議了四種測(cè)試場(chǎng)地(或測(cè)試裝置),即屏蔽室、半電波暗室、橫電磁波室及開闊測(cè)試場(chǎng)地。其中,屏蔽室和半電波暗室最為常用。

按設(shè)想的用法,現(xiàn)有仿真暗室可以按半電波暗室來使用,對(duì)其評(píng)價(jià)也應(yīng)依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半電波暗室的要求來進(jìn)行。那么,評(píng)價(jià)現(xiàn)有仿真暗室是否適合用作電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地,需要從那些方面來進(jìn)行?以及如何進(jìn)行評(píng)定呢?下面將予以詳細(xì)分析。

3.2 仿真暗室的評(píng)定內(nèi)容

應(yīng)該依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),確定現(xiàn)有仿真暗室的評(píng)定內(nèi)容。根據(jù)GJB2926-97《電磁兼容性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可要求》中關(guān)于對(duì)半電波暗室的要求,評(píng)定現(xiàn)有仿真暗室主要應(yīng)包括五個(gè)方面的內(nèi)容[3]:

1)測(cè)試場(chǎng)地的尺寸

為了模擬實(shí)際測(cè)試場(chǎng)地的測(cè)試條件,場(chǎng)地尺寸應(yīng)滿足GJB152A-97《軍用電子設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量》中相關(guān)條目的要求[4]。

2)歸一化場(chǎng)地衰減

若測(cè)量距離按3m、10m或30m設(shè)計(jì),則測(cè)試場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)的歸一化場(chǎng)地衰減與理論值的偏差應(yīng)在±4dB之內(nèi)[2～3]。

3)屏蔽效能

屏蔽效能是衡量暗室質(zhì)量的重要特性之一,其屏蔽效能至少應(yīng)達(dá)到[2,5]:

4)場(chǎng)均勻性

若按3m、10m或30m測(cè)量距離設(shè)計(jì),則對(duì)測(cè)試空間場(chǎng)均勻性的要求為:在1.5m×1.5m假想垂直平面上75%的場(chǎng)強(qiáng)幅值偏差應(yīng)在0～+6dB之內(nèi)[2～3,6]。

5)吸波材料

對(duì)吸波材料的要求有兩個(gè)方面,一是吸波性能,二是安全性能。對(duì)發(fā)泡型吸波材料的最低吸波性能要求為[3]:

頻率 最小反射損耗(垂直入射)

對(duì)發(fā)泡型吸波材料而言,安全性能應(yīng)滿足GB2406和NRL report 8093中規(guī)定的要求[3]。

4 評(píng)定仿真暗室作為電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的主要方法

對(duì)現(xiàn)有仿真暗室的評(píng)定,應(yīng)分成兩個(gè)步驟進(jìn)行。第一步,根據(jù)確定的評(píng)定內(nèi)容,逐項(xiàng)進(jìn)行分析或測(cè)試,得出分析或測(cè)試結(jié)果;第二步,根據(jù)所有評(píng)定內(nèi)容的分析或測(cè)試結(jié)果,進(jìn)行綜合分析,最后給出評(píng)定結(jié)論。

4.1 各項(xiàng)內(nèi)容的評(píng)定

對(duì)于確定的五項(xiàng)評(píng)定內(nèi)容,應(yīng)按一定的方法分別進(jìn)行分析或測(cè)試,以期得到相應(yīng)的分析或測(cè)試結(jié)果。

1)測(cè)試場(chǎng)地的尺寸

應(yīng)根據(jù)被試品的物理尺寸、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試配置要求以及選擇的測(cè)試方法來確定能夠滿足測(cè)試要求的電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的最大空間尺寸[4]。這不應(yīng)局限于仿真暗室設(shè)計(jì)時(shí)建議的電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地大小,因?yàn)楝F(xiàn)有仿真暗室足夠大,完全可以開辟更大的滿足要求的測(cè)試場(chǎng)地空間。

圖1 測(cè)試場(chǎng)地空間尺寸分析示意圖

例如,若被試品的最大物理尺寸為10m×10m×5m,選擇3m的測(cè)試方法,按照標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)試配置要求(見圖1),可以估算出最小的測(cè)試場(chǎng)地的空間大小,長度為:0.3+10+3+0.3=13.6m,寬為:0.3+10+0.3=10.6m,高為:5+0.3=5.3m,也即13.6m×10.6m×5.3m的測(cè)試場(chǎng)地空間。

測(cè)試場(chǎng)地的尺寸確定以后,才能進(jìn)行諸如歸一化場(chǎng)地衰減和場(chǎng)均勻性等性能的測(cè)試和分析。

2)歸一化場(chǎng)地衰減

歸一化場(chǎng)地衰減(NSA)采用場(chǎng)地衰減多點(diǎn)測(cè)試的方法,它是在場(chǎng)地衰減單點(diǎn)測(cè)試的基礎(chǔ)上,采用“測(cè)試空間”的含義,即最大被試品圍繞其中心旋轉(zhuǎn)360°所占據(jù)的空間[2～3]。具體測(cè)試方法為:發(fā)射天線如圖2布置,分別在20個(gè)不同位置進(jìn)行NSA測(cè)試。即在水平面內(nèi)(暗室的地平面上)五個(gè)位置(中心、左、右 、前、后)二種(水平 、垂直)極化方式和二種高度(水平1m、2m;垂直1m、1.5m)進(jìn)行測(cè)量。

所有測(cè)試應(yīng)用寬帶天線進(jìn)行,并且以天線中心計(jì)算距離,發(fā)射天線和接收天線應(yīng)使其軸線相互平行排列,并與測(cè)試軸線正交。

測(cè)試時(shí),對(duì)于各個(gè)頻率點(diǎn),當(dāng)發(fā)射天線在不同極化、不同空間位置上發(fā)射時(shí),接收天線在1～4m的高度范圍內(nèi)掃描測(cè)試,記錄下所測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)的最大值,再利用該值代入式(1)求出該空間位置上的NSA。

式中,AN為NSA的測(cè)量值,VI為發(fā)射天線的源電壓,VD為接收天線的終端電壓的第一次讀數(shù),VS為接收天線的終端電壓的第二次讀數(shù),AFT為發(fā)射天線系數(shù),AFR為接收天線系數(shù),Δ AFTOT為互阻抗修正系數(shù),CT和CR為電纜損耗,單位均為dB。

3)屏蔽效能

GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法》中關(guān)于屏蔽效能的測(cè)試是分三個(gè)頻段進(jìn)行的,這三個(gè)頻段分別是:9kHz～16MHz、20MHz～300MHz和0.3GHz～18GHz[2,4]。在低頻段(9kHz～16MHz),屏蔽效能的計(jì)算公式為:

其中,H1為無屏蔽室的磁場(chǎng)強(qiáng)度,H2為屏蔽室內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在諧振頻段(20MHz～300MHz)和高頻頻段(0.3GHz～18GHz),屏蔽效能的計(jì)算公式為:

其中,E1為無屏蔽室的電場(chǎng)強(qiáng)度,E2為屏蔽室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度。具體測(cè)試方法參見標(biāo)準(zhǔn)。

4)場(chǎng)均勻性

測(cè)試場(chǎng)均勻性時(shí),應(yīng)首先在被試品所處區(qū)域確定一個(gè)假想的垂直平面,其面積定為1.5m×1.5m,離地面高度為0.8m[2～3,5],如圖 3所示。

測(cè)試方法為:將這一假想的垂直平面均勻地劃分為16個(gè)點(diǎn),如圖4所示,將場(chǎng)強(qiáng)傳感器分別置于圖上的每個(gè)點(diǎn)上,接收來自發(fā)射天線的場(chǎng)強(qiáng)(3～10V/m),發(fā)射天線與傳感器的距離至少為1m或3m。

測(cè)試時(shí),發(fā)射天線的放置位置應(yīng)能使1.5m×1.5m面積處于發(fā)射場(chǎng)主波瓣寬度之內(nèi),若被試品表面大于1.5m×1.5m,則發(fā)射天線需在不同位置進(jìn)行測(cè)試,從而使得被試品表面在一系列測(cè)試中能被覆蓋。測(cè)試時(shí),水平極化和垂直極化都應(yīng)以不大于10%起始頻率的步長進(jìn)行測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。

若這一確定的假想垂直平面滿足場(chǎng)均勻性要求,則應(yīng)有75%的點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)幅值偏差在0～+6dB之內(nèi)(即測(cè)試的16個(gè)點(diǎn)中至少有12個(gè)點(diǎn)在允許范圍之內(nèi))。在對(duì)測(cè)試的16個(gè)點(diǎn)結(jié)果的分析之后,剔除25%最大偏差的數(shù)據(jù)點(diǎn)(即16個(gè)點(diǎn)中的4個(gè)),保留點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)偏差應(yīng)在±3dB之內(nèi)。

5)吸波材料

IEEE推薦的吸波材料吸波性能的常用測(cè)試方法有:拱形法、時(shí)域測(cè)試方法、密閉波導(dǎo)測(cè)試法和低頻同軸反射法等。每種方法分別具有不同的適用情況,使用時(shí)應(yīng)予以注意。比如,拱形法一般用在1GHz以上的頻段,時(shí)域測(cè)試方法的適用范圍是30MHz～1GHz等等。具體的測(cè)試方法可參閱相關(guān)文獻(xiàn),這里不再贅述。

現(xiàn)有仿真暗室選用的吸波材料均是泡沫型聚氨酯吸波材料,一共有四種尺寸,分別是 8″、12″、26″和36″的,對(duì)它們已經(jīng)完成了 2GHz～ 18GHz頻段吸波性能的測(cè)試,最小反射損耗(垂直入射)數(shù)值在40dB～55dB之間。因此,這個(gè)頻段的吸波性能無需再重復(fù)測(cè)試,只需對(duì)30MHZ～2GHz頻段的吸波性能進(jìn)行測(cè)試即可。

對(duì)吸波材料安全性能的測(cè)試應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行。

4.2 仿真暗室的綜合評(píng)定

除了對(duì)現(xiàn)有仿真暗室進(jìn)行以上幾項(xiàng)主要內(nèi)容的測(cè)試和評(píng)定外,還應(yīng)考查其它一些內(nèi)容,如供電系統(tǒng)安全性、各種濾波器、通風(fēng)波導(dǎo)和接地等。通過測(cè)量和求證,檢驗(yàn)它們的符合性。另外,還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有仿真暗室的實(shí)際,有針對(duì)性的進(jìn)行分析和評(píng)定,如吸波材料低頻性能較差、電磁兼容試驗(yàn)區(qū)無預(yù)置轉(zhuǎn)臺(tái)等問題。

由于泡沫型吸波材料在低頻段的吸波性能較差,現(xiàn)有仿真暗室又沒有鋪設(shè)鐵氧體,所以只是從測(cè)試得到的最小反射損耗數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)測(cè)試場(chǎng)地的低頻段吸波性能,還不能對(duì)現(xiàn)有暗室是否適合開展相應(yīng)的電磁兼容試驗(yàn)做出全面、合理的界定,還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有暗室的其它方面來予以全面分析。如現(xiàn)有仿真暗室空間開闊,由于測(cè)試天線距離暗室側(cè)壁較遠(yuǎn),信號(hào)在空間的衰減較大,因此可以用信號(hào)的空間衰減來等效補(bǔ)償吸波材料在低頻段較差的吸波性能。如果經(jīng)過分析研究,等效補(bǔ)償過的某些頻段的吸波性能仍不能滿足相關(guān)要求,則還有兩個(gè)方案可以選擇,一是剔除這個(gè)頻段的測(cè)試能力,即規(guī)定不能在這個(gè)頻段進(jìn)行相關(guān)測(cè)試;二是采取一定的措施,使這個(gè)頻段的吸波性能滿足要求,如臨時(shí)搭建使用鐵氧體材料的吸波墻等。

電磁兼容試驗(yàn)區(qū)位于仿真暗室地面中心區(qū)域,沒有預(yù)置轉(zhuǎn)臺(tái)。為了滿足電磁兼容測(cè)試的需要,最好是在電磁兼容試驗(yàn)區(qū)中心設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)。但重新設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái),會(huì)破壞仿真暗室原有結(jié)構(gòu),影響仿真暗室的性能及仿真試驗(yàn)的開展。為了解決這個(gè)矛盾,我們應(yīng)從分析具體任務(wù)需求出發(fā),來采取相應(yīng)的解決辦法。按試驗(yàn)等級(jí),電磁兼容試驗(yàn)一般可分為設(shè)備、分系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)和系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)[7]。對(duì)于設(shè)備、分系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn),一般被試品的體積較小、重量較輕,可以使用移動(dòng)式的小轉(zhuǎn)臺(tái)。需要時(shí),搬進(jìn)仿真暗室來,完成測(cè)試后,移出去即可。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn),被試品較大,這時(shí)可不用轉(zhuǎn)臺(tái),采取移動(dòng)測(cè)試天線的方法進(jìn)行。電磁兼容系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn),一般不需對(duì)被試品進(jìn)行360°輻射或接收,只需對(duì)重點(diǎn)部位或方位進(jìn)行即可,因此,沒有轉(zhuǎn)臺(tái),也可以開展系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。

在對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容測(cè)試、分析和評(píng)定的基礎(chǔ)上,綜合各個(gè)方面的因素和影響,最后應(yīng)給出現(xiàn)有仿真暗室用于電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的結(jié)論和建議,內(nèi)容應(yīng)包括現(xiàn)有仿真暗室作為電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的整體性能評(píng)價(jià),用作電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的可能性評(píng)價(jià),開展電磁兼容測(cè)試的適用范圍(如測(cè)試項(xiàng)目、適用頻率范圍)描述,以及針對(duì)現(xiàn)有仿真暗室存在的特點(diǎn)和不足,提出一些建設(shè)性意見等。這些結(jié)論和建議可以為后續(xù)工作的開展提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

5 結(jié)語

近幾年,有關(guān)被試品電磁兼容性的試驗(yàn)內(nèi)容逐漸增多,而我們?cè)谘芯亢徒鉀Q這方面問題上則缺乏相應(yīng)的手段和條件,包括硬件設(shè)施條件和科研試驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫?。為了適應(yīng)科研試驗(yàn)任務(wù)發(fā)展的需要,積極進(jìn)行以增強(qiáng)單位開展被試品電磁兼容性為主要內(nèi)容的科研試驗(yàn)?zāi)芰突A(chǔ)設(shè)施建設(shè),將顯得尤為重要和迫切。本文從研究電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的角度出發(fā),探索利用現(xiàn)有仿真暗室開展電磁兼容試驗(yàn)的可行性,并給出了評(píng)定現(xiàn)有仿真暗室作為電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地的主要內(nèi)容和方法。希望通過本文的分析,為今后科學(xué)合理地利用現(xiàn)有仿真暗室開展電磁兼容試驗(yàn)或測(cè)試提供有益的指導(dǎo)和幫助。

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