關(guān)于聚苯乙烯泡沫試驗桌的分析

劉 巍，劉 建，溫建龍

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

測量不確定度是一個實驗室重要的參數(shù)。在CISPR16-4-2中對測量不確定度的評定有詳細的描述，在2011年以前的版本中，輻射騷擾測量不確定度的影響因素中并沒有考慮試驗桌，隨著對測量結(jié)果可靠性要求越來越高，任何可能影響測量結(jié)果的因素都應(yīng)予以考慮，所以2011年以后的版本中都增加了試驗桌材料的影響因子。那么，如何評定試驗桌的影響呢？在GB/T 6113.104里面有詳細的流程，我們可以按照標準里面的規(guī)定對自己實驗室的試驗桌進行評估測試。

1 試驗桌影響評估方法

基礎(chǔ)標準GB/T 6113.104在第5.5章節(jié)中描述了試驗桌影響的評估流程，并對發(fā)射天線做了規(guī)定，對于1 GHz以下的頻率，應(yīng)在試驗桌上放置總長度小于0.4 m的小雙錐天線，對于1 GHz以上的頻率，應(yīng)使用GB/T6113.104中8.3.31條款規(guī)定的天線（如寬帶偶極子）。

試驗桌應(yīng)放置在試驗場地的典型位置上，其最大尺寸（即矩形試驗桌的對角線，或圓形試驗桌的半徑）應(yīng)面向接收天線方向，如圖1所示。

發(fā)射天線放置時，其水平極化天線參考點與試驗桌表面之間的距離為0.1 m，而且發(fā)射天線的參考點處于接收天線軸線上試驗桌中心與試驗桌邊角之間的中點之上，如圖1和圖2所示，同時要保證發(fā)射天線和接收天線的測量軸位于同一條直線上且振子互相平行。

圖1 矩形試驗桌上天線相對于試驗桌邊緣的位置（俯視圖）示意圖

圖2 試驗桌上天線的位置（側(cè)視）示意圖

為了確保除有/無試驗桌之外測量布置無任何變化，發(fā)射天線以及信號發(fā)生器相連的電纜在空間中的位置應(yīng)始終保持相同，也就是說測量時應(yīng)盡量避免移動除了試驗桌以外的其他設(shè)備。

在試驗場地布置好之后，開始測量流程：

首先，信號源頻率的步進應(yīng)小于或等于所使用的最高頻率的0.5%，同時天線接收到的電壓電平應(yīng)至少高于測量設(shè)備的噪聲電平20 dB。

然后，接收天線和發(fā)射天線之間的距離要與輻射騷擾測量要求的距離相同，3 m或10 m。

標準中規(guī)定，對于頻率低于200 MHz的電磁波，試驗桌的影響忽略不計，所以評估開始頻率是200 MHz。

接收天線應(yīng)按輻射騷擾測量要求的高度范圍內(nèi)進行掃描，也就是1 m升到4 m，步進1 m。

將有試驗桌和無試驗桌兩種配置按照流程各測一遍，然后記錄下每個高度時所有頻點的數(shù)據(jù)，最后從每個頻點對應(yīng)的4個高度的數(shù)據(jù)中找出最大值并記錄下來。

測量數(shù)據(jù)的計算過程如下：

在每一個頻率步進，兩次測量結(jié)果之差值△（f）（單位dB）可由下式計算得到

式中，Vr，有（f）為有試驗桌時在特定頻率測得的最大電壓，單位為分貝（微伏）[dB（μV）]；Vr，無（f）為無試驗桌時在特定頻率測得的最大電壓，單位為分貝（微伏）[dB（μV）]。

整個頻率范圍內(nèi)的最大差值△max（單位dB）可作為評估時的最大偏差。

由試驗桌引入的標準不確定度u試驗桌可由測得的最大差值來進行評估，并假設(shè)其符合矩形分布。因此u試驗桌可由下式計算得到

如此，試驗桌的整個評估過程結(jié)束。

2 相對介電常數(shù)的影響

介電常數(shù)反映的是介質(zhì)的極化特性，屬于物質(zhì)的三個基本電磁參數(shù)之一。介電性能參數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實數(shù)部分稱介電常數(shù)，虛數(shù)部分稱損耗因子，損耗角的正切值tanθ表示材料與微波的耦合能力（是損耗因子與介電常數(shù)之比），損耗正切值越大，表明材料與微波的耦合能力越強。介電常數(shù)ε=ε0εr，其中真空中的介電常數(shù)ε0也叫絕對介電常數(shù)，是一個物理常量，約等于8.8×10-12（F/m）；εr通常稱為相對介電常數(shù)，無量綱，真空的相對介電常數(shù)等于1。已知本實驗室的聚苯乙烯泡沫試驗桌的相對介電常數(shù)為1.05。

為了分析不同相對介電常數(shù)材料的試驗桌造成的影響，我們利用HFSS仿真軟件通過計算來分析。首先建立了對稱陣子天線的模型，工作頻率850 MHz，如圖3所示；將天線放置在高1.1 m，長1.7 m，寬1.2 m的真空盒子中，運行仿真程序，我們得到天線的H面輻射方向圖，天線增益基本在2 dB至3 dB之間，如圖4所示；然后建立了聚苯乙烯泡沫試驗桌的模型，高0.8 m，長1.5 m，寬1 m，相對介電常數(shù)設(shè)置為1.05，如圖5所示。將對稱陣子天線按照第一部分描述的方式配置，運行仿真程序，因為試驗桌的相對介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)相差無幾，所以我們可以看到此時天線的方向圖和剛才得到的方向圖變化不是特別大，如圖6所示，同時還可以查看一下電場在試驗桌表面和內(nèi)部的分布情況，如圖7和圖8所示，從圖中可以看出，在試驗桌表面，電磁場按照天線的E面輻射方向圖分布，在天線的H面內(nèi)，電磁場基本是球面波。

圖3 對稱陣子天線示意圖

圖4 對稱陣子天線H面輻射方向圖

圖5 聚苯乙烯泡沫試驗桌示意圖

圖6 相對介電常數(shù)為1.05時，天線H面輻射方向圖

圖7 相對介電常數(shù)為1.05時，試驗桌表面電場分布

圖8 相對介電常數(shù)為1.05時，試驗桌內(nèi)部電場分布

如果我們改變試驗桌的相對介電常數(shù)，再來看看天線的方向圖如何變化。將相對介電常數(shù)改為2.5，運行仿真程序，此時得到圖9、圖10和圖11。天線H面輻射方向圖跟原來的方向圖就有很大的差別，天線增益在-9 dB至6 dB之間，而且起伏比較大，形成了幾個沒有主次的波瓣。再來看電磁場分布情況，在試驗桌表面以及天線H面內(nèi)，電磁場的分布已經(jīng)不是理想的形狀。

從HFSS仿真的結(jié)果來看，試驗桌的相對介電常數(shù)越小，對天線輻射的影響也就越小。

圖9 相對介電常數(shù)為2.5時，天線H面輻射方向圖

圖11 相對介電常數(shù)為2.5時，試驗桌內(nèi)部電場分布

3 實際測試數(shù)據(jù)分析

聚苯乙烯（Polystyrene，縮寫PS）是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基加聚反應(yīng)合成的聚合物，是一種無明顯極性的材料，損耗角正切值小于0.005，并且不受頻率和環(huán)境溫度、濕度變化的影響，是優(yōu)異電絕緣材料，其相對介電常數(shù)一般為2.6。聚苯乙烯（PS）有多種制作工藝，包括普通聚苯乙烯，發(fā)泡聚苯乙烯（EPS），高抗沖聚苯乙烯（HIPS）及間規(guī)聚苯乙烯（SPS）。發(fā)泡聚苯乙烯（EPS ）的相對介電常數(shù)可以做的很低，且不隨頻率變化，如本實驗室的聚苯乙烯泡沫試驗桌，廠家提供的數(shù)據(jù)就達到了1.05。

相對于聚苯乙烯材料的單一結(jié)構(gòu)，木材的來源是在自然界生長的樹木，木材的質(zhì)地會因為外界環(huán)境的影響而有不同紋理，樹木制成木材時紋理又分為徑向、弦向和順紋三種，同一顆樹的徑向、弦向和順紋具有不同的相對介電常數(shù)，順紋的相對介電常數(shù)大于徑向和弦向，徑向相對介電常數(shù)略大于弦向。另外，木材的含水率、密度、厚度等因素也會影響其相對介電常數(shù)，含水率越高，相對介電常數(shù)也就越大。

將試驗桌和發(fā)射天線按照標準要求放置好，如圖12所示，配置的難度在于如何將發(fā)射天線和接收天線軸線對齊，天線振子互相平行，尤其是高頻喇叭天線的主瓣寬度較窄，很容易對不齊。

等場地布置好以后，按照第一部分描述的流程開始測量。受限于天線的性能，整個測量頻率分成兩段，200 MHz-1000 MHz和1 GHz-6 GHz，其 中200 MHz-1000 MHz的測量又細分為10 m處和3 m處，所得到的數(shù)據(jù)見圖13-圖15，紅色菱形為聚苯乙烯泡沫試驗桌的數(shù)據(jù)，藍色三角形為木質(zhì)試驗桌的數(shù)據(jù)。

對于泡沫試驗桌，從這三組數(shù)據(jù)中可以看出，10 m處低頻的數(shù)據(jù)偏差比較小，3 m處高頻的數(shù)據(jù)偏差最大，造成這種現(xiàn)象的原因除了試驗桌本身影響外，還有擺放精準度和測試距離的因素，距離發(fā)射源越遠、發(fā)射天線波瓣角度越大，電磁波越接近平面波，所以測量距離遠的時候?qū)[放精度不如距離近時要求那么高。

對于木質(zhì)試驗桌，10 m處低頻的偏差比泡沫試驗桌大，3 m處低頻的偏差跟泡沫桌差不多，3 m處高頻的偏差比泡沫試驗桌大，個別頻點偏差特別大，考慮到木質(zhì)試驗桌的厚度只有泡沫桌的三分之一，同等條件下，木質(zhì)桌應(yīng)該會更差。

下面是按照式（2）從三組測量數(shù)據(jù)獲得的最大偏差值：

圖12 試驗桌影響評估配置示意圖

圖13 兩種試驗桌10 m處最大偏差（200 MHz-1000 MHz）

圖14 兩種試驗桌3 m處最大偏差（200 MHz-1000 MHz）

圖15 兩種試驗桌3 m處最大偏差（1 GHz-6 GHz）

由上面的三個最大偏差值，我們可以根據(jù)式（3）得到試驗桌對應(yīng)的標準不確定度值

200 MHz–1 GHz （10 m處泡沫桌）

200 MHz–1 GHz （3 m處泡沫桌）

1 GHz–6 GHz （3 m處泡沫桌）

200 MHz–1 GHz （10 m處木質(zhì)桌）

200 MHz–1 GHz （3 m處木質(zhì)桌）

1 GHz–6 GHz （3 m處木質(zhì)桌）

總體而言，泡沫桌的性能要優(yōu)于木質(zhì)桌。

4 結(jié)束語

我們可以看到木質(zhì)試驗桌的相對介電常數(shù)受制于木材的紋理、含水率和密度，使得木質(zhì)試驗桌的相對介電常數(shù)不具有一致性，即使是同一塊木材制成的試驗桌也是不一樣的，而聚苯乙烯泡沫試驗桌是工業(yè)化的產(chǎn)物，利用相關(guān)的制作工藝能夠保證聚苯乙烯試驗桌的質(zhì)地保持一致，相對介電常數(shù)可以做到一致性，所以聚苯乙烯泡沫試驗桌具有明顯的優(yōu)勢。

目前，通用EMC標準中沒有明確規(guī)定試驗桌的相對介電常數(shù)的取值范圍，但是如果各個實驗室的試驗桌的相對介電常數(shù)趨于一致的話，相對介電常數(shù)也不必最小，就能減小造成實驗室比對數(shù)據(jù)差異的一個影響因子，這個是木質(zhì)試驗桌無法實現(xiàn)的。

當然，聚苯乙烯泡沫試驗桌的價格也是一個不得不考慮的因素，相對木質(zhì)試驗桌，聚苯乙烯試驗桌的價格是其價格的好幾倍甚至十幾倍，在試驗過程中除了性能的考量，還要考慮經(jīng)濟效益，所以各個實驗室可以根據(jù)自己的需求來選擇適合自己的試驗桌。