基于電磁混響技術(shù)的電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合試驗(yàn)技術(shù)

孫月剛，王健

（北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

基于電磁混響技術(shù)的電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合試驗(yàn)技術(shù)

孫月剛，王健

（北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

目的 研究電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合試驗(yàn)方法。方法 針對(duì)裝備電磁環(huán)境與溫度、濕度環(huán)境的多物理場(chǎng)綜合試驗(yàn)需求，基于電磁混響技術(shù)，解決不同環(huán)境模擬相容性問題，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了性能測(cè)試。依據(jù)IEC61000-4-21，分別測(cè)試電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合箱在常溫、高溫和低溫條件下的場(chǎng)均勻性。結(jié)果 綜合場(chǎng)均勻性偏差最大值小于3 dB，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)論 基于電磁混響技術(shù)的綜合試驗(yàn)方法，為裝備在多重環(huán)境應(yīng)力綜合作用下效應(yīng)機(jī)理研究和適應(yīng)性考核提供了手段。

電磁環(huán)境；自然環(huán)境；電磁混響技術(shù)

裝備使用面臨著多種復(fù)雜嚴(yán)酷環(huán)境的影響，不同環(huán)境因素對(duì)裝備的影響機(jī)理各異，同時(shí)各種環(huán)境因素不是孤立的存在，往往共同作用于裝備。由于環(huán)境因素的耦合作用，會(huì)產(chǎn)生大量新的未知故障模式，一般會(huì)放大單一因素的影響。電磁環(huán)境與溫度、濕度環(huán)境的多物理場(chǎng)綜合效應(yīng)將對(duì)裝備的作戰(zhàn)使用造成嚴(yán)重的影響。將電磁環(huán)境和溫度、濕度環(huán)境綜合在一個(gè)環(huán)境中產(chǎn)生，對(duì)考核裝備在多環(huán)境因素綜合作用下的環(huán)境適應(yīng)性會(huì)起到非常重要的作用。

單獨(dú)的電磁環(huán)境試驗(yàn)和溫度、濕度綜合試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，并有專門的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。電磁環(huán)境試驗(yàn)一般在電波暗室中進(jìn)行，近些年來，電磁混響室、TEM室、GTEM室等也得到應(yīng)用。文中基于電磁混響技術(shù)，設(shè)計(jì)了電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合試驗(yàn)箱，并進(jìn)行了三種溫、濕度條件下的場(chǎng)均勻性測(cè)試。結(jié)果表明，綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的電磁性能和溫濕度性能指標(biāo)滿足相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1　技術(shù)途徑

電磁混響技術(shù)是利用金屬墻壁構(gòu)成電磁波的反射，在混響室內(nèi)部裝設(shè)特殊設(shè)計(jì)的攪拌器，將天線發(fā)射的電磁波通過攪拌器和內(nèi)墻面的多次反射，在混響室的有效測(cè)試區(qū)域產(chǎn)生動(dòng)態(tài)均勻的電磁環(huán)境。

電磁混響室由混響室本體、攪拌器、信號(hào)源、大功率發(fā)射系統(tǒng)和場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置等組成?；祉懯覂?nèi)部的攪拌器由裝在軸上的金屬反射面構(gòu)成，通過外部電機(jī)步進(jìn)或連續(xù)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)改變混響室內(nèi)部電磁場(chǎng)的邊界條件，從而改變室內(nèi)的電磁場(chǎng)分布?；祉懯覂?nèi)部的電磁場(chǎng)就是所有反射波的疊加，經(jīng)過攪拌后的場(chǎng)具有空間均勻、各向同性、隨機(jī)極化的特點(diǎn)。另外由于混響室是一個(gè)高 Q值的屏蔽腔體，可以很容易地通過小的輸入功率獲得非常高的場(chǎng)強(qiáng)，特別適合模擬高場(chǎng)強(qiáng)電磁環(huán)境?；祉懯铱捎妙l率可以根據(jù)式（1）估算[13]：

圖1 電磁混響室Fig.1 Reverberation chamber

式中：N為電磁場(chǎng)分布模式個(gè)數(shù)，個(gè)；l，w，h分別混響室的長(zhǎng)寬高，m；f為頻率，Hz；c為光速，3×108m/s。

經(jīng)過計(jì)算后，若混響室內(nèi)可能存在的電磁場(chǎng)分布模式個(gè)數(shù)為N，在給定的頻率上滿足N>100的條件，則可以作為該混響室使用的下限頻率。因此，一個(gè)2 m×1.6 m×2.5 m的混響室，其可用頻率在350M Hz以上，滿足模擬雷達(dá)輻射電磁環(huán)境的要求。

基于電磁混響技術(shù)設(shè)計(jì)的混響室是一個(gè)內(nèi)壁光滑，耐濕、熱的金屬封閉體，與溫濕度試驗(yàn)箱在總體結(jié)構(gòu)上比較一致，具備融合設(shè)計(jì)的基因，是一個(gè)天然的技術(shù)解決途徑。因此，總體設(shè)計(jì)方案是將電磁混響室和溫濕度試驗(yàn)箱集成在一起，共用一個(gè)箱體，同時(shí)解決二者之間的相容性問題。經(jīng)過分析，需要解決的主要問題為：溫濕度試驗(yàn)需要的進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)口與電磁混響室要求六個(gè)面具有良好的電磁波反射性能矛盾的問題；溫濕度試驗(yàn)箱大門氣密與電磁混響室電磁密封的協(xié)同問題；溫濕度試驗(yàn)箱觀察窗不具備電磁反射性能和存在電磁泄漏的問題；溫濕度試驗(yàn)箱傳感器等電磁防護(hù)的問題；電磁環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)溫濕度環(huán)境適應(yīng)性問題；通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)、電磁攪拌器對(duì)溫濕度試驗(yàn)指標(biāo)的影響問題；綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的問題。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于溫濕度試驗(yàn)箱開展，首先要增加電磁攪拌器。由于攪拌器的形狀、大小、位置都會(huì)對(duì)混響室的場(chǎng)均勻性能有很大影響，因此在箱體內(nèi)通過計(jì)算機(jī)電磁仿真，確定了攪拌器的位置、尺寸和結(jié)構(gòu)形式，保證在測(cè)試區(qū)域內(nèi)，有較好的場(chǎng)均勻性，如圖2和圖3所示。

圖2 電磁攪拌器的位置Fig.2 Position of tuner

圖3 電磁攪拌器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of tuner

試驗(yàn)箱的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口采用截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗，如圖4所示。當(dāng)電磁波頻率低于截止頻率時(shí)，電磁波在通風(fēng)口上會(huì)全反射，滿足混響室的反射面要求。通過試驗(yàn)箱的預(yù)期使用頻率，確定截止波導(dǎo)的截面和深度尺寸，同時(shí)計(jì)算通風(fēng)量，滿足溫度試驗(yàn)的通風(fēng)要求。

通風(fēng)波導(dǎo)一般采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)，單個(gè)蜂窩六角

圖4 試驗(yàn)箱通風(fēng)口設(shè)計(jì)前后Fig.4 The air vents of test chamber before and after designing

形的邊長(zhǎng)可以用式（2）估算：

式中：w為單個(gè)六角形的邊長(zhǎng)，cm；fc為截止頻率，Hz。實(shí)際中，取w=3 mm，fc=50 GHz，滿足一般試驗(yàn)頻率18 GHz的要求。

試驗(yàn)箱大門設(shè)計(jì)采用電磁和氣密“三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外兩層橡膠氣密的基礎(chǔ)上，中間增加一層導(dǎo)電橡膠。屏蔽橡膠條采用耐高溫和低溫的摻銀導(dǎo)電橡膠，設(shè)計(jì)為中空形式以增大屏蔽橡膠條的形變量，更好地與門框貼合，在保證原氣密性能的基礎(chǔ)上，增加了電磁屏蔽的能力。

試驗(yàn)箱的觀察窗在內(nèi)部增加一層屏蔽效能達(dá)60 dB的金屬絲網(wǎng)電磁屏蔽玻璃，滿足了混響室表面電磁反射需求和防電磁泄漏要求。

為解決溫濕度傳感器受電磁干擾問題，采用電纜屏蔽和增加低通濾波器進(jìn)行電磁防護(hù)，同時(shí)對(duì)進(jìn)出試驗(yàn)箱的電源線、信號(hào)線采用相應(yīng)的濾波措施，增加光纖波導(dǎo)接口。一般進(jìn)行場(chǎng)均勻性測(cè)試的電場(chǎng)探頭，其溫度使用范圍為5～35 ℃，為滿足-55～+100 ℃環(huán)境下的測(cè)試要求，提出了利用小型參考天線進(jìn)行場(chǎng)均勻性測(cè)試的技術(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3　性能測(cè)試

3.1 常溫下場(chǎng)均勻性測(cè)試

場(chǎng)均勻性是判定混響室性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。隨著攪拌器的不停旋轉(zhuǎn)，混響室內(nèi)邊界條件發(fā)生變化，某一點(diǎn)的電場(chǎng)也會(huì)隨著攪拌器的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。旋轉(zhuǎn)一周后對(duì)某點(diǎn)的電場(chǎng)取最大值，如果各點(diǎn)最大值的變化范圍在在3 dB以內(nèi)[14]，說明混響室場(chǎng)均勻性指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-21。設(shè)定測(cè)試區(qū)為1.5 m×1.4 m×1.8 m的立方體，對(duì)8個(gè)頂點(diǎn)位置進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，如圖5所示。

圖5 場(chǎng)均勻性測(cè)試8個(gè)探頭位置Fig.5 The position of eight probes during field uniformity testing

常溫環(huán)境（溫度為12.0 ℃，相對(duì)濕度為38.0%）下，測(cè)試結(jié)果表明，各方向場(chǎng)強(qiáng)分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差和全部方向的綜合標(biāo)準(zhǔn)偏差均在測(cè)試要求的容限之內(nèi)，綜合場(chǎng)均勻性偏差最大為2.51 dB，滿足3 dB的均勻性指標(biāo)要求。

圖6 常溫環(huán)境下的場(chǎng)均勻性結(jié)果Fig.6 The results of field uniformity testing under the normal temperature

3.2 高、低溫條件場(chǎng)均勻性測(cè)試

按照上述方法，選取了高溫 100 ℃（相對(duì)濕度為0.4%）和低溫-55 ℃（相對(duì)濕度為100%）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從結(jié)果可以看出，高溫、低溫條件下的場(chǎng)均勻性也同樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 高、低溫下場(chǎng)均勻性測(cè)試結(jié)果Fig.7 The results of field uniformity testing under the high/ low temperature

3.3 場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

單位功率場(chǎng)強(qiáng)如圖8所示。

圖8 單位功率場(chǎng)強(qiáng)Fig.8 The field strength inspired by unit power

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，最低的單位功率激發(fā)場(chǎng)強(qiáng)值是96.46 V/m，若要激發(fā)200 V/m的場(chǎng)強(qiáng)，需要功放的瓦數(shù)為4.3 W。由此可見，只要混響室的輸入功率達(dá)到4.3 W，即可激發(fā)出200 V/m的場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)使用200 W功放時(shí)，激發(fā)的場(chǎng)強(qiáng)為：E=1364.15 V/m，可以滿足雷達(dá)高場(chǎng)強(qiáng)電磁輻射環(huán)境的模擬。

3.4 溫度、濕度特性測(cè)試

對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行溫、濕度標(biāo)定[15—17]，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。溫度范圍為-65～100 ℃，相對(duì)濕度范圍為 20%～98%（30～60 ℃時(shí)），溫度均勻性≤1.22 ℃（空載測(cè)試時(shí)），溫度變化率≤5 ℃/min

4　結(jié)論

1) 基于電磁混響技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)試驗(yàn)箱中同時(shí)加載電磁環(huán)境應(yīng)力與自然環(huán)境應(yīng)力的試驗(yàn)方法，在多物理場(chǎng)綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了有益的探索。

2) 解決了電磁環(huán)境與自然環(huán)境兩種試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的相互影響問題，以及兩種環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性問題。

3) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的電磁性能和溫濕度性能指標(biāo)滿足相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為裝備多種環(huán)境應(yīng)力綜合作用機(jī)理研究和試驗(yàn)考核提供了技術(shù)手段。

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The Combined Test Technology of Electromagnetic Environment and Natural Environment Based on the Technology of Electromagnetic Reverberation Chamber

SUN Yue-gang, WANG Jian
(Beijing Institute of Electrical and Mechanical Engineering, Beijing 100074, China)

Objective To study the combined test method of electromagnetic environment and nature environment. Methods As required by equipment combined test of multi-physical fields, electromagnetic environment and temperature/humidity environment, the problem of compatibility of different environmental simulations was solved based on the technology of electromagnetic reverberation chamber. By analyzing and designing key components, the combined test system was tested in compliance with relevant standards. According to IEC61000-4-21, the field uniformity of electromagnetic environment and nature environment combined test chamber was tested under the condition of normal temperature, high temperature and low temperature. Results Results showed that the maximum value of combined field uniformity was less than 3 dB. The performance met the requirements of the standard. Conclusion The combined test method based on the technology of electromagnetic reverberation chamber is provided for effect mechanism study and adaptive test of equipments under combined effects of environmental stress.

electromagnetic environment; natural environment; technology of electromagnetic reverberation chamber

2016-08-08；Revised：2016-09-06

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.008

TJ01；TB114

A

1672-9242(2016)05-0048-06

2016-08-08；

2016-09-06

孫月剛 （1965—），男，山東人，研究員，主要研究方向?yàn)檠b備電磁環(huán)境效應(yīng)。

Biography：Sun Yue-gang（1965—）， Male， from Shandong， Researcher， Research focus: electromagnetic environment effect of equipment