仿真暗室用作電磁兼容測試場地的評定*

王向陽 何洪濤 洪麗娜

(63880部隊 洛陽 471003)

1 引言

電波暗室作為一種測試場地或設施,近些年得到了廣泛應用。按類型,電波暗室可分為半電波暗室和全電波暗室;按專業領域,不僅用于天線測試、電磁兼容(EMC)測試[1],還用作仿真試驗的場所;按應用領域,不僅用于民用科學研究、認證測試,在國防科研、試驗方面也有著廣泛的應用。不同暗室有其各自的特點,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上鋪貼吸波材料而成,區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內表面鋪貼吸波材料。正是由于應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,從而發揮其最大的效益。本文探索仿真暗室用作電磁兼容測試場地的可行性,正是基于這樣的目的。

2 仿真暗室介紹和電磁兼容測試需求分析

2.1 仿真暗室介紹

仿真暗室是進行射頻仿真試驗的場所,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境。現有仿真暗室為一長方體結構,一側設置有平臺和轉臺,用以裝載被試品,另一側為一天線陣列,用以模擬產生仿真用的電磁信號或環境。除此之外,與一般暗室一樣,暗室內還配備有照明、通風系統、電視監控系統、火情自動報警及消防系統和屏蔽大門等設施。

在仿真暗室設計之初,曾經考慮暗室的綜合利用和功能擴展,使之可用于電磁兼容測試、天線測試和雷達散射截面(RCS)測試等方面。因此在暗室地面中心區域專門規劃了電磁兼容試驗區,用于被試品的電磁兼容性測試。但遺憾的是,在后來的暗室建設中,由于種種原因,并沒有因此對暗室進行相應的工程設計和建設,如在暗室地面中心區域預建轉臺的設想就沒有付諸實踐;還有,吸波材料選用時,也沒有考慮其低頻段的性能等等。

按照最初的設想,當需要進行電磁兼容試驗時,可把電磁兼容試驗區域及其周圍的吸波材料移走,這樣就構建出一個相當于半電波暗室的空間,也就臨時組成了電磁兼容測試場地。當電磁兼容試驗結束后,可把吸波材料擺回原位,就恢復了仿真暗室的原貌,又可繼續開展射頻仿真試驗。

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

2.2 電磁兼容測試需求分析

在被試品的設計定型階段,對其進行電磁兼容試驗或測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標準的規定,為被試品最終的設計定型鑒定提供電磁兼容方面的依據。因此,在被試品設計定型階段開展的電磁兼容試驗或測試應該是鑒定試驗,屬于電磁兼容標準測試。當然,開展被試品電磁兼容性方面的其它工作,如進行電磁兼容故障診斷和排除、進行有關電磁兼容方面的課題研究等也是重要的工作內容。

電磁兼容標準測試不同于研制方在產品研發、生產過程中所進行的電磁兼容預測試[2]。電磁兼容預測試只能應用于研制生產過程中,不能用來對產品電磁兼容性做出鑒定性的評價。電磁兼容標準測試是依據相應的電磁兼容標準,對被試品(設備、分系統或系統)實施的試驗或測試,以評價其是否符合有關研制要求和相應的電磁兼容標準,從而對被試品的電磁兼容性給出具有權威性的評估或鑒定。電磁兼容標準測試進行的測試場所和條件,以及使用的儀器設備的指標和精度都要符合電磁兼容標準的要求,如此才能出具具有法律效力的試驗或測試報告。因此對測試場地和設施的評價也只能參照有關標準進行,其技術指標或條件也應按專用電磁兼容暗室的條件來衡量。

3 評定仿真暗室作為電磁兼容測試場地的主要內容

3.1 有關標準對電磁兼容測試場地的要求

一般而言,進行電磁兼容測試需要在專門的測試場所或場地進行,其理由在GJB2926-97《電磁兼容性測試實驗室認可要求》中表述的很清楚:“在各項電磁兼容測試中,為了防止外界電磁干擾對測試的影響,以及防止測試時對外界造成干擾,應考慮測試場地與周圍的電磁環境和物理環境的隔離[3]。”該標準還因此建議了四種測試場地(或測試裝置),即屏蔽室、半電波暗室、橫電磁波室及開闊測試場地。其中,屏蔽室和半電波暗室最為常用。

按設想的用法,現有仿真暗室可以按半電波暗室來使用,對其評價也應依據有關標準對半電波暗室的要求來進行。那么,評價現有仿真暗室是否適合用作電磁兼容測試場地,需要從那些方面來進行?以及如何進行評定呢?下面將予以詳細分析。

3.2 仿真暗室的評定內容

應該依據有關標準,確定現有仿真暗室的評定內容。根據GJB2926-97《電磁兼容性測試實驗室認可要求》中關于對半電波暗室的要求,評定現有仿真暗室主要應包括五個方面的內容[3]:

1)測試場地的尺寸

為了模擬實際測試場地的測試條件,場地尺寸應滿足GJB152A-97《軍用電子設備和分系統電磁發射和敏感度測量》中相關條目的要求[4]。

2)歸一化場地衰減

若測量距離按3m、10m或30m設計,則測試場地區域內的歸一化場地衰減與理論值的偏差應在±4dB之內[2～3]。

3)屏蔽效能

屏蔽效能是衡量暗室質量的重要特性之一,其屏蔽效能至少應達到[2,5]:

4)場均勻性

若按3m、10m或30m測量距離設計,則對測試空間場均勻性的要求為:在1.5m×1.5m假想垂直平面上75%的場強幅值偏差應在0～+6dB之內[2～3,6]。

5)吸波材料

對吸波材料的要求有兩個方面,一是吸波性能,二是安全性能。對發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)

對發泡型吸波材料而言,安全性能應滿足GB2406和NRL report 8093中規定的要求[3]。

4 評定仿真暗室作為電磁兼容測試場地的主要方法

對現有仿真暗室的評定,應分成兩個步驟進行。第一步,根據確定的評定內容,逐項進行分析或測試,得出分析或測試結果;第二步,根據所有評定內容的分析或測試結果,進行綜合分析,最后給出評定結論。

4.1 各項內容的評定

對于確定的五項評定內容,應按一定的方法分別進行分析或測試,以期得到相應的分析或測試結果。

1)測試場地的尺寸

應根據被試品的物理尺寸、標準的測試配置要求以及選擇的測試方法來確定能夠滿足測試要求的電磁兼容測試場地的最大空間尺寸[4]。這不應局限于仿真暗室設計時建議的電磁兼容測試場地大小,因為現有仿真暗室足夠大,完全可以開辟更大的滿足要求的測試場地空間。

圖1 測試場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的測試方法,按照標準推薦的測試配置要求(見圖1),可以估算出最小的測試場地的空間大小,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的測試場地空間。

測試場地的尺寸確定以后,才能進行諸如歸一化場地衰減和場均勻性等性能的測試和分析。

2)歸一化場地衰減

歸一化場地衰減(NSA)采用場地衰減多點測試的方法,它是在場地衰減單點測試的基礎上,采用“測試空間”的含義,即最大被試品圍繞其中心旋轉360°所占據的空間[2～3]。具體測試方法為:發射天線如圖2布置,分別在20個不同位置進行NSA測試。即在水平面內(暗室的地平面上)五個位置(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)進行測量。

所有測試應用寬帶天線進行,并且以天線中心計算距離,發射天線和接收天線應使其軸線相互平行排列,并與測試軸線正交。

測試時,對于各個頻率點,當發射天線在不同極化、不同空間位置上發射時,接收天線在1～4m的高度范圍內掃描測試,記錄下所測試場強的最大值,再利用該值代入式(1)求出該空間位置上的NSA。

式中,AN為NSA的測量值,VI為發射天線的源電壓,VD為接收天線的終端電壓的第一次讀數,VS為接收天線的終端電壓的第二次讀數,AFT為發射天線系數,AFR為接收天線系數,Δ AFTOT為互阻抗修正系數,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量方法》中關于屏蔽效能的測試是分三個頻段進行的,這三個頻段分別是:9kHz～16MHz、20MHz～300MHz和0.3GHz～18GHz[2,4]。在低頻段(9kHz～16MHz),屏蔽效能的計算公式為:

其中,H1為無屏蔽室的磁場強度,H2為屏蔽室內的磁場強度。在諧振頻段(20MHz～300MHz)和高頻頻段(0.3GHz～18GHz),屏蔽效能的計算公式為:

其中,E1為無屏蔽室的電場強度,E2為屏蔽室內的電場強度。具體測試方法參見標準。

4)場均勻性

測試場均勻性時,應首先在被試品所處區域確定一個假想的垂直平面,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。

測試方法為:將這一假想的垂直平面均勻地劃分為16個點,如圖4所示,將場強傳感器分別置于圖上的每個點上,接收來自發射天線的場強(3～10V/m),發射天線與傳感器的距離至少為1m或3m。

測試時,發射天線的放置位置應能使1.5m×1.5m面積處于發射場主波瓣寬度之內,若被試品表面大于1.5m×1.5m,則發射天線需在不同位置進行測試,從而使得被試品表面在一系列測試中能被覆蓋。測試時,水平極化和垂直極化都應以不大于10%起始頻率的步長進行測試并記錄數據。

若這一確定的假想垂直平面滿足場均勻性要求,則應有75%的點場強幅值偏差在0～+6dB之內(即測試的16個點中至少有12個點在允許范圍之內)。在對測試的16個點結果的分析之后,剔除25%最大偏差的數據點(即16個點中的4個),保留點的場強偏差應在±3dB之內。

5)吸波材料

IEEE推薦的吸波材料吸波性能的常用測試方法有:拱形法、時域測試方法、密閉波導測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,使用時應予以注意。比如,拱形法一般用在1GHz以上的頻段,時域測試方法的適用范圍是30MHz～1GHz等等。具體的測試方法可參閱相關文獻,這里不再贅述。

現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,對它們已經完成了 2GHz～ 18GHz頻段吸波性能的測試,最小反射損耗(垂直入射)數值在40dB～55dB之間。因此,這個頻段的吸波性能無需再重復測試,只需對30MHZ～2GHz頻段的吸波性能進行測試即可。

對吸波材料安全性能的測試應按相關標準規定的方法進行。

4.2 仿真暗室的綜合評定

除了對現有仿真暗室進行以上幾項主要內容的測試和評定外,還應考查其它一些內容,如供電系統安全性、各種濾波器、通風波導和接地等。通過測量和求證,檢驗它們的符合性。另外,還應結合現有仿真暗室的實際,有針對性的進行分析和評定,如吸波材料低頻性能較差、電磁兼容試驗區無預置轉臺等問題。

由于泡沫型吸波材料在低頻段的吸波性能較差,現有仿真暗室又沒有鋪設鐵氧體,所以只是從測試得到的最小反射損耗數據來評價測試場地的低頻段吸波性能,還不能對現有暗室是否適合開展相應的電磁兼容試驗做出全面、合理的界定,還應結合現有暗室的其它方面來予以全面分析。如現有仿真暗室空間開闊,由于測試天線距離暗室側壁較遠,信號在空間的衰減較大,因此可以用信號的空間衰減來等效補償吸波材料在低頻段較差的吸波性能。如果經過分析研究,等效補償過的某些頻段的吸波性能仍不能滿足相關要求,則還有兩個方案可以選擇,一是剔除這個頻段的測試能力,即規定不能在這個頻段進行相關測試;二是采取一定的措施,使這個頻段的吸波性能滿足要求,如臨時搭建使用鐵氧體材料的吸波墻等。

電磁兼容試驗區位于仿真暗室地面中心區域,沒有預置轉臺。為了滿足電磁兼容測試的需要,最好是在電磁兼容試驗區中心設置一個轉臺。但重新設置轉臺,會破壞仿真暗室原有結構,影響仿真暗室的性能及仿真試驗的開展。為了解決這個矛盾,我們應從分析具體任務需求出發,來采取相應的解決辦法。按試驗等級,電磁兼容試驗一般可分為設備、分系統級試驗和系統級試驗[7]。對于設備、分系統級試驗,一般被試品的體積較小、重量較輕,可以使用移動式的小轉臺。需要時,搬進仿真暗室來,完成測試后,移出去即可。對于系統級試驗,被試品較大,這時可不用轉臺,采取移動測試天線的方法進行。電磁兼容系統級試驗,一般不需對被試品進行360°輻射或接收,只需對重點部位或方位進行即可,因此,沒有轉臺,也可以開展系統級試驗。

在對各項內容測試、分析和評定的基礎上,綜合各個方面的因素和影響,最后應給出現有仿真暗室用于電磁兼容測試場地的結論和建議,內容應包括現有仿真暗室作為電磁兼容測試場地的整體性能評價,用作電磁兼容測試場地的可能性評價,開展電磁兼容測試的適用范圍(如測試項目、適用頻率范圍)描述,以及針對現有仿真暗室存在的特點和不足,提出一些建設性意見等。這些結論和建議可以為后續工作的開展提供相應的指導。

5 結語

近幾年,有關被試品電磁兼容性的試驗內容逐漸增多,而我們在研究和解決這方面問題上則缺乏相應的手段和條件,包括硬件設施條件和科研試驗能力方面。為了適應科研試驗任務發展的需要,積極進行以增強單位開展被試品電磁兼容性為主要內容的科研試驗能力和基礎設施建設,將顯得尤為重要和迫切。本文從研究電磁兼容測試場地的角度出發,探索利用現有仿真暗室開展電磁兼容試驗的可行性,并給出了評定現有仿真暗室作為電磁兼容測試場地的主要內容和方法。希望通過本文的分析,為今后科學合理地利用現有仿真暗室開展電磁兼容試驗或測試提供有益的指導和幫助。

[1]蔣全興,王桂華,景莘慧,等.GJB72A-2002電磁干擾和電磁兼容性名詞術語[M].北京:總裝備部軍標出版發行部,2003

[2]陳淑鳳,馬蔚宇,馬曉慶.電磁兼容試驗技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2001

[3]韋錦松,王素英,周開基,等.GJB2926-97電磁兼容性測試試驗室認可要求[M].北京:國防科學技術工業委員會,1997

[4]曲長云,王素英,郭仕恩,等.GJB152A-97軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[M].北京:國防科學技術工業委員會,1997

[5]陳世鋼,蔣全興,張戈,等.GB/T12190-2006電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法[M].北京:中國國家標準化管理委員會,2006

[6]韓玉峰,沈濤,張超,等.GJB6780-2009微波暗室性能測試方法[M].北京:總裝備部軍標出版發行部,2009

[7]吳彥靈,王桂華,胡景森,等.GJB1389A-2005系統電磁兼容性要求[M].北京:總裝備部軍標出版發行部,2005