超小型高屏效金屬盒體的屏效測試技術

摘 要：為解決工程中超小型、高屏效金屬盒體的屏蔽效能測量問題，測試天線必須具備尺寸小、頻帶寬以及輻射強度高的特點。使用HFSS對天線尺寸參數進行優選，采用雙錐和套筒結構分別覆蓋100 MHz~2 GHz和2~5 GHz兩個頻段，由該天線所構成的測試系統的動態范圍比早期的球形偶極子天線提高了50 dB左右。最后對3種不同的機箱狀態在半電波暗室中進行了屏蔽效能測試，試驗獲得的數據為今后的機箱屏蔽設計提供了依據。

關鍵詞：超小型;機箱;屏蔽效能;寬帶天線

中圖分類號：TN820.1 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1614703

Technology of the Shielding Performance Measurement of Microminiature Metallic Cabinets

WANG Kun

(Xi′an Missile Equipment Military Representative Office of Navy，Xi′an，710065，China)

Abstract： In order to solve the shielding performance of microminiature metallic cabinets，the antenna should be have with minimized size，broad band and high eradiation ability.In this paper，HFSS from Ansoft software corporation is used to design and optimize the antenna，then the biconical and the cylinder shaped antenna are chosen to cover the band from 100 MHz~2 GHz and the band from 2~5 GHz.The measuring system composed of the new antennas expand its dynamic speciality 50dB more than the spherical dipole antenna used before.At last，3 instances of different chassis are tested in the EMC laboratory，the data obtained provide some valuable gist for future design of chassis of embedded aerospace computer.

Keywords：microminiature;cabinet;shielding performance;broad band antenna

屏蔽，尤其是電磁屏蔽是提高電子設備電磁兼容性能的重要措施之一。MilStd461E^［1］規定，美軍所采購的各種電子設備必須進行RE102（輻射發射）和RS103（輻射敏感度）2項測試，雖然該標準中并沒有對機箱的屏蔽效能提出明確要求，但機箱電磁屏蔽性能的優劣，將直接影響這兩項試驗的測試結果。

根據電磁屏蔽效能的定義，機箱的電磁屏蔽效能可以定義為在同一電磁環境中，空間同一點在屏蔽前(電場強度為E0)和屏蔽后(電場強度為E1)空間場強的比值，該數值通常用分貝(dB)表示，屏蔽效能的計算公式如式(1)所示。SEdB=20lg(E0/E1)(1) 理想屏蔽體在工程中不存在。由于電源線、信號線的穿入穿出以及散熱等因素需要在面板上開孔，屏蔽效能將會顯著下降。關于各種穿孔金屬板的屏效計算，國內外資料給出的計算公式差異較大，公式(2)在工程中使用較多.\\。但迄今為止，并沒有哪個公式得到普遍認可。SE=Aα+Rα+Bα+K<1+K2+K3(2) 由于計算方法上的不成熟，在實踐研究中發現，不僅不同屏蔽計算公式所得出的數值不同，即使同一公式在不同算例中得出的結果也存在較大的差異。正如美國肯塔基大學的C.R.Paul教授所言^［3］：“對于最后的成功驗證，也許沒有任何其他領域像電磁兼容那樣強烈地依賴于測量。”因此實際屏蔽體的屏蔽效能的測量是工程實踐中必須解決的一個問題。

1 國內外的研究背景

根據IEC 615873^［4］（草案）（第三部分：IEC 60917和IEC 60297系列機箱、機柜和插箱屏蔽性能試驗）的描述，19英寸標準機柜屏蔽效能的測量可以在開闊場地或半電波暗室內進行。測量頻率范圍為30 MHz～1 GHz，該標準給出的屏蔽指標見表1。

國內相關行業也對電子機柜的屏蔽性能給出了要求，詳見表2。

此外，MILSTD285和NSA656也給出了相應的屏蔽效能測試方法。

但遺憾的是，以上各標準均沒有給出完成測試所需的關鍵部件-天線的具體要求，如種類、尺寸、頻帶、駐波比等。搜索國內外天線研制單位或供應商，也沒有合適的成品可以直接采購，需要自行研制。

表1 IEC 615873的機柜屏蔽效能指標

性能

級別平面波最低屏效30～230 MHz230～1 000 MHz120 dB10 dB240 dB30 dB360 dB50 dB

表2 行業標準對機箱屏蔽效能的要求

類別屏效頻率范圍一類屏蔽>40～60 dB根據需要二類屏蔽>30～40 dB根據需要

前期，研究小組采用純銅制造了直徑為Φ180的球形偶極子天線。該天線的輻射體主要由2個半球銅殼構成，內部采用干電池供電方式，其輻射能力較為有限，30 MHz～1 GHz頻段輻射強度處于40～50 dBμV之間，個別頻點甚至低于40 dBμV。參照IEC 615873屏蔽指標，測試系統的動態范圍至少需要大于60 dB，并不能滿足最高測試要求，需要重新設計寬帶天線。需要指出的是，按航天電磁兼容試驗要求，測試距離為Mil_Std461E規定的1 m，而IEC 615873給出的測試距離為3 m。

2 小型金屬盒體的屏效測試要求

2.1 頻率

根據Mil_Std461E中關于RE102的頻段要求，測試頻率上限應為EUT最高工作頻率的10倍頻或1 GHz（取大值），但最高不超過18 GHz。

2.2 尺寸

典型的金屬機箱內部尺寸通常不大于210 mm×180 mm×180 mm，考慮天線的安裝間隙、電纜延伸、極化方向調整等因素，放置在機箱內部的寬帶天線最大尺寸以不超過160 mm為宜。

2.3 駐波比

為了提高天線輻射效能并防止在測試過程中因能量反射而損壞功率放大器等設備，必須對測試頻段內天線的駐波比提出要求。研究小組最后確定在100 MHz～4.5 GHz范圍內，駐波比不大于4。個別頻段不能滿足時，可采用匹配網絡進行調整。

2.4 輻射強度

在功率放大器許可的范圍內，系統的動態范圍越大越好，至少高于80 dB。

2.5 測試系統

擬采用標準電磁兼容暗室和EMC測試系統進行測試。要求天線能與EMC測試系統的標準天線接口兼容。

3 小型化寬帶天線的設計

3.1 寬帶天線設計方法

小型化寬帶天線的設計技術主要有以下幾個方面：

(1) 采用機電結合方法，精心設計天線結構，使之適應寬頻帶工作。這種方法由于是機械伸縮，因而應用范圍受到一定限制。

(2) 利用插入阻抗元件或網絡展寬天線的工作帶寬。這種方式稱為天線加載。加載元件可以是有源的或是無源的，可以是分布參數元件，也可以是集總參數元件。

(3) 旋轉對稱結構的寬帶振子天線及錐形天線。錐角大的雙錐天線，或由它演變而成的盤錐天線，屬于寬帶天線之列，獲得了廣泛的應用。

(4) 寬頻帶行波天線系列。某些行波天線具有寬頻帶特性的原因就在于，天線完成將導波能量轉換為自由電磁場能量的轉換過程是一次性的，即沒有反射波返回電源端而形成多次循環的過程。

考慮到在實際應用特點，必須選擇形式簡單、易于加工、方便實用且造價低廉的全向天線，雙錐天線(見圖1)和套筒單極子天線就具有這樣的特點，它們是振子天線的變形，結構簡單，分別具有水平極化和垂直極化的特性，比較適合于該種測量應用。

圖1 雙錐天線示意圖3.2 雙錐天線

根據天線設計理論，推導可得無限長雙錐天線的輸入阻抗為：Zin=Z0=120Ln(ctanθ02)(3) 根據計算可見，當θ0在30°附近時能與50 Ω同軸線達到良好的匹配。由于受到尺寸限制，考慮到天線的固定、安裝需要占用空間，實際的雙錐部分要比該尺寸還要小，因此優化設計時限定條件進一步減小尺寸。最后優化所得天線參數為：單錐高為45 mm，錐頂直徑為55 mm的雙錐天線，此時半錐角為31.4°，對應的無限長雙錐天線輸入阻抗為59.2 Ω。

采用Ansoft公司的HFSS計算該天線的駐波比。圖2顯示：該天線僅在400 MHz~2.5 GHz頻段內可以滿足駐波比小于4的設計要求。當頻率降低時，駐波比急劇上升，這是由于天線在低頻段電尺寸較小，頂端反射電流較大的緣故，低頻段(<400 MHz)需要進行阻抗匹配。

圖2 HFSS仿真所得雙錐天線駐波比曲線圖3和圖4分別給出該天線在500 MHz和2 000 MHz時天線E面的方向圖，可見在整個頻帶內方向圖的一致性保持的非常好。

圖3 500 MHz時天線E面方向圖按照計算結果，天線材料選用鋁，錐頂鏤空一小段以減小電流的反射，兩錐固定于開口的介質方塊上，采用50 Ω同軸電纜饋電。制作完成后用AV1481c型微波毫米波矢量網絡分析儀對天線進行了測試，達到了天線設計的要求。

圖4 2 500 MHz時天線E面方向圖3.3 套筒天線

套筒天線是在粗振子外面加加上一個與之同軸的金屬套筒，采用同軸不對稱的結構形式進行饋電，可以起到類似電路中的參差調諧的作用，能夠將頻帶展寬。圖5所示為套筒單極子天線的結構示意圖。

4 試驗測試

設計完成后，制作了天線樣件并在某標準EMC試驗室內進行以下測試：

(1) 機箱表面分別鍍覆A，B，C三種涂層的屏蔽效能對比；

圖5 套筒天線結構示意圖(2) 使用某導電襯墊前后的機箱屏蔽效能對比；

(3) 三種不同螺釘間距的機箱屏蔽效能對比。

試驗頻率的切換采用手動方式進行，測試結果見圖6~圖10。

圖6 鍍層A，B的屏效對比圖7 鍍層A，C的屏效對比圖8 加裝導電襯墊前后的屏效對比圖9 螺釘間距21 mm與63 mm的屏效對比圖10 螺釘間距63 mm與126 mm的屏效對比5 結 語

試驗數據顯示：由新研制的寬帶天線所構成的機箱屏蔽效能測試系統的動態范圍大于100 dB，完全滿足小型金屬盒體屏蔽效能的測試要求，實現了預期的研究指標。鍍層A，C的屏蔽效能相當，但鍍層C的成本只有A的1/10左右，而且C與有機涂料的結合力更強，更適用于大批量生產；在鍍覆鍍層C的機箱縫隙處加裝導電襯墊效果并不明顯，考慮產品需要長期貯存和成本等因素，不建議在設計中選用該導電襯墊；螺釘間距<63 mm就可滿足一般超小型金屬盒體的屏蔽設計要求，設計中尺寸優選50 mm。

參 考 文 獻

［1］陳窮，蔣全興.電磁兼容性工程設計手冊\\.北京：國防工業出版社，1993.

［2］陳淑鳳.電磁兼容試驗技術\\.北京：北京郵電大學出版社，2001.

［3］白同云，呂曉德.電磁兼容設計\\.北京:北京郵電大學出版社，2001.

［4］王慶斌，劉萍，尤利文，等.電磁干擾與電磁兼容技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］康軍，趙偉.微機化儀器電磁兼容性設計［J］.電測與儀表，2002(12):1318.

［6］史勇，謝曉霞.測控系統中軟件抗干擾技術\\.現代電子技術，2006（19）：99101.

［7］丁健.計算機控制系統的可靠性技術研究\\.計算機工程與設計，2007（2）：985987.

［8］吳文斗，周兵.計算機測控系統中的可靠性技術\\.云南大學學報，2006（7）：132135.

［9］潘光斌.自動控制系統中的傳導干擾問題\\.計量技術，2004（4）：1214.

作者簡介 王 堃 男，1983年出生，助理工程師。研究方向為軍用計算機產品軍檢驗收和質量監督。

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