強電磁場環境下屏蔽效能測試新方法

張 龍 魏光輝 胡小鋒 崔耀中 張勇強

(1.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊 050003；2.空軍第四飛行學院模擬訓練中心，河北 石家莊 050081)

引 言

隨著軍用雷達、通信設備日益增多、占用頻帶逐漸拓寬，特別是電子戰裝備的廣泛應用和電磁脈沖武器、高功率微波武器的出現[1]，戰場空間的電磁環境日趨惡劣，裝備面臨著巨大的電磁威脅.電磁屏蔽作為電磁脈沖防護的重要措施[2-4]，不僅能有效衰減強電磁場對武器裝備內部電磁敏感單元的破壞作用，也能減少武器裝備控制系統本身的電磁泄漏，提高武器裝備的抗電磁干擾和防信息泄露能力，是保障現代武器裝備作戰效能和人員健康的重要手段[5]，因此研究電磁屏蔽效能測試方法具有重要的應用價值.

屏蔽效能是反映電磁屏蔽材料性能的重要參數，其測試方法關系到能否對電磁屏蔽材料的屏蔽效果進行客觀準確地評價，不同的測試方法對測試結果影響較大[6].對于電磁屏蔽材料屏蔽效能測試方法的研究，國外尤其是歐美等發達國家開始較早，對平板型復合屏蔽材料屏蔽效能的測量，美國國家標準局(National Bereau of Standand,NBS)和美國材料試驗協會(American Society for Testing MaterialsASTM)等機構早有研究，他們通過理論分析和大量試驗驗證，推出了較成熟的測量方法.概括起來可分為兩大類：“近場法” 和“遠場法”.“近場法”主要用來測量材料對電磁波近場的屏蔽效能，近場法主要有ASTM于1983年推出了“ASTM-ES-7雙盒測試裝置”，以及改進的MIL-STD-285法.“遠場法”主要用來測量材料對電磁波遠場平面波的屏蔽效能.遠場法主要有ASTM于1983年推薦的ASTM ES7-83同軸傳輸線法和美國NBS推薦的法蘭同軸法.

上述介紹的測試方法都是基于弱電磁場輻照條件下測試材料的屏蔽效能，并根據弱電磁場作用下測試結果估計材料對強電磁場的屏蔽能力.對于線性材料，材料的屏蔽能力與輻照場強的大小沒有關系，采用弱場輻照下的屏蔽效能測試結果能夠評價材料對于強電磁場的屏蔽能力；而對于非線性材料或某些特種材料，材料的屏蔽效能與輸入場強的大小有關，這樣采用弱場輻照下的測試結果將難以真實評價材料對強電磁場的屏蔽能力.因此，對于未知材料，采用不同強度的電磁場作為輻照源進行測試能夠真實地模擬實際惡劣電磁環境，測試結果也能夠更加準確可靠地評價材料的屏蔽能力.文獻[7]提出了箱式屏蔽效能測試方法，其測試范圍主要針對頻率為1～18 GHz.本文在箱式屏蔽效能測試方法的基礎上進一步改進，提出了在GTEM室內放置屏蔽箱的屏蔽效能測試方法，即屏蔽箱法.由于GTEM室輸入信號既可以選用連續波，也可選用脈沖信號，因此應用該方法不僅適用于材料在連續波作用下的屏蔽效能測試，也適用于材料在強電磁脈沖作用下的屏蔽效能測試.通過輸入強電磁場信號，逼真模擬惡劣電磁環境，測試材料在強電磁場作用下的屏蔽效能，測試結果真實反映測試材料對強電磁場的屏蔽能力.

1 屏蔽箱法

為測試材料在強電磁場輻照下的屏蔽效能，把屏蔽箱置于GTEM室內，利用GTEM室內的強電磁場輻照屏蔽箱測試窗上的測試材料，通過測試裝載測試材料前后箱體內部的場強，達到獲得被測材料屏蔽效能的目的.

1.1 測試原理

根據國軍標GJB6190-2008，屏蔽效能定義為，在同一激勵電平下，無屏蔽材料時接收到的場強或功率與有屏蔽材料時接收到的場強或功率之比，并以對數表示，其計算公式為

(1)

式中：SE為屏蔽效能；E0、P0為無屏蔽材料時空間某點的電場強度和接收功率；E1、P1為加屏蔽材料后該點的電場強度和接收功率.

在國軍標GJB6190-2008介紹的屏蔽室法測試屏蔽效能時，信號發射設備主要是標準信號源和天線，接收設備主要是天線和頻譜儀或示波器.本文所提出的屏蔽箱法信號產生設備主要是標準信號源、功率放大器和GTEM室，信號接收設備采用場強儀.將一個帶測試窗的箱體(相當于一個縮小的屏蔽室)置于GTEM室內，通過測試裝載測試材料前后箱體內某點的場強，計算得到材料的屏蔽效能.測試系統如圖1所示.

圖1 屏蔽箱法示意圖

屏蔽箱置于GTEM室內，當測試材料在連續波作用下的屏蔽效能時，設定信號源的頻率和功放增益，首先通過場強儀測試箱體沒有裝載測試材料時箱體內某點的電場強度E0，然后裝載測試材料，注意場強儀的位置保持不變，測試裝載測試材料后箱體內同一位置的電場強度E1.根據公式(1)計算材料的屏蔽效能.調整信號源頻率，保持信號源功率和功放增益不變，測試裝載測試材料前后不同頻率下的電場強度，計算得到材料屏蔽效能.當測試材料在電磁脈沖作用下的屏蔽效能時，輸入信號為脈沖信號，通過脈沖傳感器測試裝載測試材料前后箱體內中心位置的波形，通過脈沖波形的峰值計算得到材料對于電磁脈沖的屏蔽效能.

1.2 測試設備

1) GTEM室

吉赫橫電磁波傳輸室(Gigahertz Transverse Electromagnetic cell，GTEM ecll)工作頻率范圍可從直流至數吉赫茲以上，內部可用場區大，綜合了開闊場地、屏蔽室、TEM室的優點，克服了各種方法的局限性，具有質量高、價格低的優點.

2) 信號源

采用SML-01型信號發生器，能夠產生9.1 kHz～1.1 GHz的正弦信號.

3) 功放

采用美國AR公司的4 000W/1 000型寬帶功率放大器，工作帶寬為80 MHz～1 GHz.

4) 場強儀

為方便讀數，場強儀通過光纖連接到GTEM室外的監測計算機上.場強儀采用EMR-200型，具有適時測量以及光纖輸出數據的功能，配合TYPE-8型探頭，可以測量100 kHz～3 GHz的電場，測量范圍為0.6～800V/m.

5) 高壓脈沖源

脈沖源采用日本NOISENKEN公司的高頻噪聲模擬發生器，Model：INS-4040，能夠產生峰值不大于4 kV，上升沿時間少于1 ns，脈寬可選的方波脈沖.

6) 脈沖傳感器

采用光纖傳輸式脈沖電場傳感器，測試帶寬10 MHz～1 GHz，動態范圍為40 dB，具有良好線性度的脈沖傳感器.

1.3 屏蔽箱的研制

測試材料的屏蔽效能時，屏蔽箱置于GTEM室中，為了盡可能地減少箱體在GTEM室內引起的反射，屏蔽箱設計成具有一定楔形的腔體，箱體表面的傾斜角度與GTEM室張角相當，箱體實際模型如圖2所示.屏蔽箱頂部開口0.6 m×0.6 m，底部尺寸為0.8 m×0.9 m，高度為1 m.根據測試材料面積大小，屏蔽箱設計成兩種測試窗口，0.6 m×0.6 m窗口和0.3 m×0.3 m窗口.當測試頻率下限較低時，采用0.6m×0.6 m窗口，屏蔽箱頂部安裝法蘭用于固定測試材料；當測試頻率下限較高時，采用0.3 m×0.3 m窗口，設計一個邊長為0.64 m方形金屬蓋板，并在蓋板的中間上挖一個0.3 m×0.3 m窗口并設置法蘭，用于固定測試材料，把帶有窗口的金屬蓋板固定在0.6 m×0.6 m窗口上，即可采用0.3 m×0.3 m窗口測試材料，這樣通過一個箱體，可根據需要選擇不同窗口來測試材料的屏蔽效能.為了抑制電磁波在箱體內的諧振，在屏蔽箱底部粘貼錐形吸波材料.

圖2 屏蔽箱模型

屏蔽箱本身需具備較高的屏蔽效能，這樣才能確保不會因為測試系統的限制降低屏蔽材料本身的屏蔽效能.一般要求電磁屏蔽箱的屏蔽效能大于屏蔽材料的理論屏蔽效能6 dB以上.按照圖1連接測試設備，屏蔽箱測試窗未裝載測試材料，把場強儀置于屏蔽箱體中心處，標準信號經高功率放大器放大輸入GTEM室，用場強儀測試屏蔽箱內中心處場強E0；用一個金屬蓋板代替測試材料置于測試窗口，蓋板四周進行電磁密封處理，測試屏蔽箱內同一位置的場強E1，根據公式(1)得到屏蔽箱的屏蔽效能.

2 仿真分析

為了驗證屏蔽箱法測試結果是否準確及可靠，并分析不同測試方法導致的誤差，下面從仿真角度分析屏蔽室法、法蘭同軸法和屏蔽箱法測試同一種材料的屏蔽效能，達到驗證屏蔽箱法進行屏蔽效能測試的可行性.

2.1 仿真模型

屏蔽箱法和法蘭同軸法仿真模型如圖3所示，仿真模型按實際尺寸進行建模，箱體材料和同軸材料都采用PEC理想材料.為盡可能減小信號進入箱子后的反射和諧振，箱子內部填充方錐形吸波材料.三種方法測試材料相同，材料厚度為0.001 m，相對介電常數為1，相對磁導率為1，電導率為1 000 S/m.仿真軟件采用基于時域有限積分的CST-MWS軟件[8].

(a) 屏蔽箱法 (b) 法蘭同軸法圖3 仿真模型

2.2 仿真結果

對同一測試材料采用不同測試方法仿真，通過計算材料屏蔽效能如圖4所示.從圖中可知不同的測試方法測試結果不同，屏蔽箱法和屏蔽室法仿真結果相近，主要是因為兩種方法都是在殼體內測試電場強度，吸波材料不能把電磁波全部吸收，因而存在電磁波諧振現象，導致曲線不如法蘭同軸裝置法測試曲線平滑.屏蔽室法的測試曲線比屏蔽箱的測試曲線平滑主要是由于屏蔽室法仿真模型設置成全電波暗室，并且體積較大，而屏蔽箱法由于箱體較小，只在屏蔽箱一面添加吸波材料，因而導致屏蔽箱法測試曲線較差些.法蘭同軸裝置法是利用同軸線中傳播的橫電磁波模擬空氣中的遠區平面波對材料進行屏蔽效能測試，不存在諧振問題，仿真波形較好.

表1 屏蔽效能測試結果

圖4 三種方法仿真結果比較

總的來說，三種測試方法仿真結果有一定差異，一方面因為仿真模型不同，另一方面因為不同的測試方法測試結果存在一定的差異.從測試結果的對比可知屏蔽箱法下限頻率為200 MHz，對于大于200 MHz的信號，屏蔽箱法測試結果和屏蔽室法相差較小，因此屏蔽箱法的測試結果基本能夠反映材料的屏蔽效能，說明這種測試方法合理，技術可行.在此基礎上，通過實驗驗證屏蔽箱法主要用于測試材料對于強電磁場的屏蔽效能測試.

3 實驗驗證

采用仿真方式分析三種測試方法是在測試材料為線性材料、輸入信號為弱電磁場的基礎上，但是屏蔽箱法主要針對于強電磁場作用下測試材料屏蔽效能，重點在于一些特種材料，如非線性材料，即屏蔽效能與輸入場強大小有關的材料，下面從實驗方面進一步驗證該方法的可靠性.

3.1 頻域強場測試

采用圖1測試系統，選定一種被測材料測試其屏蔽效能，測試窗采用0.6 m×0.6 m窗口，GTEM室內屏蔽箱有無裝載測試材料如圖5所示.

(a) 未裝載測試材料 (b) 裝載測試材料圖5 GTEM室內箱體

未裝載測試材料時，場強儀置于箱體中心處，并用光纖連接顯示器，裝載測試材料后，用法蘭把材料固定好.為使GTEM室內的場強足夠高，選用4 000W/1 000型功率放大器，其工作頻段為80 MHz～1 GHz，所以實際測試中只能針對該頻段范圍內測試材料的屏蔽效能，測試結果如表1所示.

從表1中可以看出，沒有裝載測試材料時，耦合進入屏蔽箱內的場強達到幾百V/m，國際電工委員會標準IEC61000-2-13將電場強度超過100 V/m的電磁環境稱為高功率電磁環境[9]，所以材料的屏蔽效能是在輸入高場強電磁波輻照下測試出來的.在未裝載測試材料時，耦合進入屏蔽箱的信號場強隨頻率的增大而增大(個別頻點除外，主要是由于箱體的諧振引起場強增大)，這是由于隨著頻率增大，波長減小，耦合進入箱體的場強增大，符合電磁場理論.材料的屏蔽效能基本上隨頻率的增大而增大，這與平面材料的屏蔽效能計算公式相一致[10].

3.2 測試結果比較

為了進一步驗證屏蔽箱法測試結果的可行性，針對同一種測試材料，下面采用標準中介紹的法蘭同軸裝置法和屏蔽室法分別測試材料的屏蔽效能，并把該測試結果與表1的測試結果相比較，以驗證屏蔽箱法的可靠性.對比結果如圖6所示.

圖6 三種方法實驗測試結果比較

從圖中可以看出：1) 不同的測試方法屏蔽效能測試結果不同，這與仿真結果相同.2) 在250 MHz附近，屏蔽箱法和屏蔽室法都有一個峰值部分，在仿真測試中屏蔽箱法也是在250 MHz附近有個峰值，分析原因是因為無論屏蔽室還是屏蔽箱，都是一個封閉的殼體，存在諧振，導致出現這種測試結果.3) 法蘭同軸裝置法工作頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz，測試結果比較連續平滑，尤其在頻率較低時，測試結果優于屏蔽室法和屏蔽箱法.4) 總的來說，在200 MHz～1 GHz頻率范圍內，三種測試方法測試結果比較接近，說明屏蔽箱法測試結果能夠反映材料的屏蔽效能.因此，屏蔽箱法測試方法合理，技術可行.

3.3 典型材料測試

上述實驗材料為線性材料，材料的屏蔽效能與輸入場強沒有關系，所以三種測試方法的實驗結果相一致.由屏蔽箱法測試方法可知：測試材料是在GTEM室內的強電磁場作用下進行的屏蔽效能測試，有利于測試非線性材料，如具有能量選擇結構(Energy Selective Structure， ESS)的材料[11]，這種材料能夠讓能量密度低的電磁波通過，而對于能量密度高的電磁波則呈現空間限幅作用，從而對敏感系統起到保護作用.該種材料內部由若干個二極管特性的元件組成網格，在強場作用下，二極管感應空間電場，產生激勵源致使導通，使能量選擇表面類似金屬絲織網，對入射的強電磁信號起到反射作用；在弱場作用下，二極管處于截止狀態，能量選擇表面對電磁波傳輸呈現透波特性，基本沒有屏蔽作用[12].應用該測試方法對能量選擇表面材料測試結果如圖7所示.

圖7 能量選擇表面屏蔽效能測試結果

由圖7可知：當輻照場強低于1.1 kV/m時，能量選擇表面對輸入信號的屏蔽能力較差，說明二極管還沒有導通，未起到屏蔽作用；而當輻照場強達到1.3 kV/m時，能量選擇表面的屏蔽效能顯著增大，主要是因為組成材料的二極管感應強電磁場，感應電壓達到二極管導通電壓，二極管導通后相當于金屬線相連接，對輻照信號反射能力增強，屏蔽效能增大，說明該材料只對強電磁場呈現屏蔽作用，同時能夠得到材料的屏蔽效能與輻照場強的關系.

對于這種特種材料，測試時電場極化方向應與二極管導通方向一致，這樣二極管才能在強場作用下出現導通，所以輻照電場的極化方向對材料屏蔽能力也有影響.采用屏蔽箱法能夠分析被測材料的屏蔽效能與輸入場強的關系，反映其屏蔽效能隨外加電場的變化規律.并且屏蔽箱法測試屏蔽效能模擬惡劣的電磁環境，從而實現材料在接近實際強電磁場環境下進行屏蔽效能測試，達到準確掌握材料屏蔽效能的目的.

3.4 時域強場測試

屏蔽箱法的另一個顯著特點是能夠進行時域測試，屏蔽箱置于GTEM室內，利用脈沖源和GTEM室產生的強電磁脈沖輻照屏蔽箱測試窗上的測試材料，通過測試裝載測試材料前后箱體內部的脈沖波形，獲得被測材料對于電磁脈沖的屏蔽效能.

測試屏蔽效能輸入信號為峰值3 kV、脈寬50 ns的方波脈沖，由于屏蔽箱放置位置處距芯板高度為2 m，所以測試材料是在場強約為1.5 kV/m強電磁脈沖作用下進行屏蔽效能測試.脈沖輸入波形及裝載測試材料前后箱體內的脈沖波形如圖8所示.

從圖8中可知，盡管輸入脈沖波形為完整的方波脈沖，進入到屏蔽箱后，脈沖波形發生了較大變化，主要是因為屏蔽箱窗口較小，低頻信號難以進入，因此進入到屏蔽箱內的信號主要是方波脈沖上升沿和下降沿對應的高頻信號.裝載測試材料前后脈沖波形主要是脈沖幅度發生了變化，而脈沖波形基本沒有發生改變.參考屏蔽效能的定義，根據裝載測試材料前后脈沖波形的最大峰值變化計算可得到材料的屏蔽效能約為15.8 dB.

(a) GTEM室內沒有屏蔽箱時測試波形

(b) 屏蔽箱未裝栽測試材料時測試波形

(c) 屏蔽箱裝載測試材料后測試波形圖8 時域測試波形

3.5 討 論

屏蔽箱法時域測試時，屏蔽效能是在強電磁脈沖輻照下根據脈沖波形的峰值變化計算得到的.通過輸入峰值較大的脈沖信號，可在GTEM室得到強電磁脈沖場，模擬惡劣的強電磁環境，獲得材料在接近實際所防護場強環境下的屏蔽效能，這是采用屏蔽室法難以達到的，也是屏蔽箱法測試屏蔽效能的主要優點.

采用法蘭同軸法通過改變輸入信號為脈沖信號，輸出端用示波器接收也能夠進行脈沖屏蔽效能測試，但是同軸內部的電場極化方向為徑向，并且場強大小與同軸的半徑成反比，其作用在材料上的場強為不均勻場，越接近同軸內導體場強越強.這種場環境不適合測試材料的屏蔽效能與輸入場強或極化方向有關系的材料，如能量選擇表面屏蔽材料.當測試這些特種材料的屏蔽效能時，屏蔽箱法顯示出了其優點.

4 結 論

本文提出了一種基于強電磁場輻照的屏蔽效能測試方法，并通過仿真和實驗測試對比分析了屏蔽室法、法蘭同軸裝置法和屏蔽箱法的屏蔽效能測試結果.通過典型材料測試，驗證了屏蔽箱法在強電磁場環境下測試屏蔽效能的可行性，突出了屏蔽箱法的優點，彌補了屏蔽室法和同軸法強電磁脈沖屏蔽效能測試的不足.

1) 利用正弦信號產生器和高功率功放在GTEM室內產生強電磁場測試材料的屏蔽效能，能夠分析材料的屏蔽效能與輸入場強的關系.并且在強場輻照下屏蔽效能測試結果更貼近實際值，減少了基于弱場環境測試材料屏蔽效能來評估材料對于強場屏蔽能力所產生的誤差.

2) 屏蔽箱法相對于屏蔽室法的優點是能夠進行脈沖屏蔽效能時域測試，通過調整輸入脈沖的峰值電壓，可在GTEM室內產生強電磁脈沖場，測試材料在強電磁脈沖作用下的屏蔽效能，這是屏蔽室法難以實現的.

3) 采用屏蔽箱法測試強電磁脈沖作用下的屏蔽效能時，可分析不同場強和極化方向的強電磁脈沖對材料屏蔽效能的影響.而同軸法測試時，由于同軸腔體內部場極化方向為徑向和場強不均勻的原因，難以分析材料的屏蔽效能與場強大小和極化方向的關系.這是屏蔽箱法測試材料在電磁脈沖作用下屏蔽效能時相對于同軸法的優點.

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