一種新材料的電磁脈沖屏蔽效能測(cè)試方法

胡小鋒，陳 翔，謝文強(qiáng)，張 龍

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003）

一種新材料的電磁脈沖屏蔽效能測(cè)試方法

胡小鋒，陳 翔，謝文強(qiáng)，張 龍

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003）

提出了一種新的基于法蘭同軸法的材料電磁脈沖屏蔽效能時(shí)域測(cè)試方法，測(cè)量了不同峰值和脈寬的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖源激勵(lì)下加載屏蔽材料后的時(shí)域波形，計(jì)算了材料的頻域屏蔽效能。將計(jì)算結(jié)果與法蘭同軸法頻域測(cè)試結(jié)果比較，分析時(shí)域測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了該方法的改進(jìn)建議。測(cè)試結(jié)果表明，基于法蘭同軸法的屏蔽效能時(shí)域測(cè)試方法，有很好的適用范圍與重復(fù)性，能夠提供比頻域測(cè)試方法更多的細(xì)節(jié)信息。

電磁脈沖；屏蔽效能；時(shí)域測(cè)試；法蘭同軸法

電磁脈沖是一種十分嚴(yán)重的電磁干擾源。電磁脈沖包括核電磁脈沖、雷電電磁脈沖、超寬譜、靜電放電、高功率微波等形式的瞬變電磁場(chǎng)，具有瞬時(shí)性、寬頻帶、高場(chǎng)強(qiáng)、作用范圍大等特點(diǎn)，能夠通過(guò)天線、孔縫、電纜等多種耦合途徑對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生影響［1］。尤其是靜電放電和高功率微波等納秒級(jí)、亞納秒級(jí)快上升沿脈沖電流形成的電磁脈沖場(chǎng)，對(duì)電子設(shè)備、系統(tǒng)的安全性乃至生存能力構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。如何提高電子設(shè)備、系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中特別是電磁脈沖干擾下的生存能力，已經(jīng)成為電子設(shè)備、系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要因素。各種屏蔽材料的使用是提高電子設(shè)備、系統(tǒng)電磁防護(hù)性能的重要措施。目前，隨著各種新手段、新工藝的應(yīng)用，屏蔽材料向著屏蔽效能高、頻率范圍寬、重量輕的方向發(fā)展，但是對(duì)于材料屏蔽效能的測(cè)試方法也僅限于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幾種。目前，各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及常用的材料屏蔽效能測(cè)試方法主要有屏蔽室窗口法和法蘭同軸法［2］，都是在頻域以掃頻的形式進(jìn)行。而對(duì)于材料電磁脈沖屏蔽效能的時(shí)域測(cè)試并不多，且大多是在參考現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上改進(jìn)的［3－5］。

筆者提出了一種新的基于法蘭同軸法的材料電磁脈沖屏蔽效能時(shí)域測(cè)試方法，測(cè)量了不同峰值和脈寬的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖源激勵(lì)下加載屏蔽材料后的時(shí)域波形，計(jì)算了材料的頻域屏蔽效能。將計(jì)算結(jié)果與法蘭同軸法頻域測(cè)試結(jié)果比較，分析時(shí)域測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了該方法的改進(jìn)建議。

1 法蘭同軸法材料屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)

1．1 法蘭同軸測(cè)試原理

法蘭同軸法是利用同軸線中傳播的橫電磁（TEM）波模擬空氣中遠(yuǎn)區(qū)平面波對(duì)材料試樣進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試。把平板型被測(cè)試樣置于兩錐形同軸線的對(duì)接處，即可測(cè)量試樣對(duì)平面波場(chǎng)的屏蔽效能。應(yīng)用傳輸線理論分析其測(cè)試原理如圖1所示。

其中Z0為傳輸線阻抗，ZL為試樣阻抗，ZC為試樣與傳輸線的接觸阻抗，經(jīng)分析可得材料的屏蔽效能為

按照常規(guī)制備試樣測(cè)試要求ZC＜＜ZL，則：

圖1 屏蔽效能測(cè)試原理

GJB6190－2008建議的法蘭同軸法測(cè)試系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和同軸裝置組成，采用掃頻方式測(cè)試材料隨頻率變化的屏蔽效能。圖2為材料屏蔽效能頻域測(cè)試系統(tǒng)照片。

圖2 材料屏蔽效能頻域測(cè)試系統(tǒng)

1．2 材料時(shí)域屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)

為了測(cè)量材料的電磁脈沖屏蔽效能，在GJB6190－2008的基礎(chǔ)上，搭建的基于法蘭同軸法的材料電磁脈沖屏蔽效能時(shí)域測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)配置如圖3所示。主要由方波脈沖源、法蘭同軸裝置和數(shù)字示波器組成。選用的方波源型號(hào)為NOISEKEN：INS－4040，上升沿＜1ns，脈寬在50～1 000 ns范圍內(nèi)可調(diào)；示波器型號(hào)為Tektronix：TDS7154B，帶寬2 GHz，采樣率20 GS／s。試驗(yàn)系統(tǒng)照片如圖4所示。

圖3 屏蔽效能時(shí)域測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2 材料時(shí)頻域屏蔽效能測(cè)試結(jié)果

2．1 頻域測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)選取了一種金屬織物屏蔽材料進(jìn)行測(cè)試。對(duì)材料按照?qǐng)D2所示進(jìn)行頻域測(cè)試，得到其頻域屏蔽效能曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。該種屏蔽材料在300 k Hz～1．5 GHz的頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能約50 dB。

圖4 屏蔽效能試驗(yàn)設(shè)備配置

圖5 材料的屏蔽效能曲線

2．2 時(shí)域測(cè)試結(jié)果

按照?qǐng)D4所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行材料屏蔽效能的時(shí)域測(cè)試，衰減器1為20 d B，25 W的衰減器，有材料時(shí)衰減器2為20 d B，無(wú)材料時(shí)衰減器2為40 d B。

為觀察不同峰值下材料對(duì)電磁脈沖的屏蔽性能，固定方波脈沖的脈寬為100 ns，峰值取400，800，1 200，1 600 V，有無(wú)屏蔽材料時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6a）和圖6c）所示。為觀察不同脈寬下材料對(duì)電磁脈沖的屏蔽性能，固定方波脈沖的幅值為1 000 V，脈寬為150，200 ns，有無(wú)屏蔽材料時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6b）和圖6d）所示。

圖6 有無(wú)材料時(shí)不同峰值與脈寬下的時(shí)域波形

由圖6可知，同軸裝置未加載屏蔽材料時(shí)，方波脈沖源隨著幅值與脈寬的增加逐漸失真，表現(xiàn)為平頂?shù)浼哟蠛统霈F(xiàn)負(fù)過(guò)沖，這可能是由于方波脈沖源的原因引起的失真。從測(cè)試結(jié)果可以看出，加載屏蔽材料后，所測(cè)波型在上升沿處有一個(gè)過(guò)沖振蕩，這將影響屏蔽效能測(cè)試結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)分析

為比對(duì)時(shí)頻域測(cè)試結(jié)果，選取一組脈寬100 ns，峰值400 V的一對(duì)屏蔽與未屏蔽的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換到頻域，然后計(jì)算其頻域屏蔽效能曲線，所得結(jié)果如圖7所示。可以看出與圖7所示的頻域測(cè)試結(jié)果比較吻合，大約50 dB左右。對(duì)不同峰值和脈寬的方波做相同數(shù)據(jù)處理，所得的屏蔽效能曲線與圖7結(jié)果基本一致。特別是其中兩組使用1 200 V和1 600 V方波脈沖源失真時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算的屏蔽效能曲線也是一致的。因此，僅使用一組時(shí)域測(cè)量的數(shù)據(jù)即可以得到材料在一個(gè)寬頻段的屏蔽效能，而且不同幅值與脈寬的方波脈沖對(duì)頻域屏蔽效能的影響不大；同時(shí)也可以確定方波脈沖的失真是脈沖源的問(wèn)題，但這并不影響對(duì)材料屏蔽效能的計(jì)算。

圖7 時(shí)域測(cè)試得出的材料屏蔽效能曲線

從以上結(jié)果分析可知，采用電磁脈沖屏蔽效能的時(shí)域測(cè)試方法，不僅能夠通過(guò)一次時(shí)域測(cè)量得到材料的頻域屏蔽效能，而且能夠得到比直接頻域測(cè)試更多的關(guān)于材料對(duì)電磁脈沖屏蔽性能的細(xì)節(jié)信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）基于法蘭同軸測(cè)試法的時(shí)域屏蔽效能測(cè)試方法，能夠簡(jiǎn)單迅速的進(jìn)行測(cè)量，僅需一次時(shí)域測(cè)量即可以得到材料在寬頻帶上的頻域屏蔽性能，而且能夠得到比直接頻域測(cè)試更多的細(xì)節(jié)信息。不同幅值與脈寬的方波脈沖對(duì)頻域屏蔽效能的影響不大，在實(shí)驗(yàn)中選擇較窄的脈寬和不高的幅值即可。

2）在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以及同軸線能夠傳輸單模TEM的最高頻率成分的條件下，適當(dāng)縮小同軸測(cè)量裝置的尺寸，可以提高同軸裝置時(shí)域屏蔽效能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）利用該測(cè)試系統(tǒng)還可以研究強(qiáng)電磁脈沖作用下材料的電磁屏蔽效能，這是傳統(tǒng)屏蔽效能測(cè)試方法不能實(shí)現(xiàn)的。

4）透射方波脈沖的上升沿過(guò)沖對(duì)時(shí)域屏蔽效能的計(jì)算有重要影響，下一步將重點(diǎn)研究過(guò)沖的影響因素，進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)。

［1］ 周璧華，陳 彬，石立華．電磁脈沖及其工程防護(hù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003．

［2］ GJB6190－2008，電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法［S］．

［3］ KOCH M，CAMP M，KEBEL R，et al．Protection properties of advanced textile shields determined in frequency and time domain［J］．International Zurich Symposium on EMC，2003（2）：16－19．

［4］ KLINKENBUSCH L．On the shielding effectiveness of enclosures［J］．IEEE Trans On Electromagnetic Compatibility，2005，47（3）：589－601．

［6］ HERLEMAN H，KOCH M．Measurement of the transient shielding effectiveness of enclosures using UWB pulses inside an open TEM waveguide［J］．Advances in Radio Science，2007（5）：75－79．

TM935．4；TN781

A

1008－1542（2011）12－0111－04

2011－06－20；責(zé)任編輯：王士忠

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61001050）

胡小鋒（1977－），男，安徽績(jī)溪人，講師，博士，主要從事電磁防護(hù)方面的研究。