混響室條件下的腔體屏蔽效能測試方法改進

劉逸飛，陳永光，程二威

（1.西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西西安710024；

2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094；3.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊050003）

混響室條件下的腔體屏蔽效能測試方法改進

劉逸飛1，陳永光2，程二威3

（1.西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西西安710024；

2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094；3.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊050003）

介紹了頻率攪拌混響室法腔體屏蔽效能的測試原理與方法，在此基礎上，對某開縫腔體的屏蔽效能進行了實測。針對測試中暴露出的單一頻率攪拌測試精度不高這一技術難題，從提升樣本容量角度出發，采用一種基于機械攪拌與頻率攪拌相結合的復合攪拌方式，提升了攪拌帶寬內的獨立樣本數量，降低了測試結果的不確定度。從數據處理方法入手，提出一種基于數字低通濾波獲取混響室場量均值曲線的方法，在有效保留峰值信息的同時，能夠獲得較理想平滑的場量均值曲線，提升了數據處理的精確度。相比兩種改進方法，前者需要與機械攪拌配合使用，適用較大腔體屏蔽效能測試；后者不必過多關心樣本容量大小，且無需增加額外輔助測試設備，更具應用價值。

兵器科學與技術；混響室；屏蔽效能；頻率攪拌；嵌套混響室；復合攪拌

0 引言

電子設備的屏蔽殼體既能夠有效消除外部電磁干擾的威脅，又可以避免自身電磁波向外部泄露形成的電磁污染，其屏蔽能力直接影響著電子設備的電磁兼容性能，因此合理評價設備殼體的屏蔽效能（SE）尤為重要［1］。一般而言，基于散熱、通風等需要，殼體開有的各種不同孔縫，這成為影響其屏蔽效應的主要因素，而電磁波穿透孔縫的能力與入射角度、極化方式有著極大的關系，傳統電磁波垂直輻照腔體的SE測試結果能否表征其真實的電磁屏蔽能力存有疑問；并且腔體內部受諧振效應的影響，傳統方法下箱體內部測試點的選取也不夠合理［2］。

針對上述問題，利用混響室這一新興的電磁兼容測試場地開展腔體SE測試成為當前的研究熱點。混響室能夠提供隨機極化、各向同性的電磁環境，測試環境更加貼近腔體實際面臨的電磁環境［3］，而基于統計意義的SE測試方法也能夠有效避免諧振效應的影響，使得測試結果更加合理，這也使得混響室法腔體屏蔽效能測試技術成為當前評價腔體屏蔽能力的發展趨勢，并受到國內外學者的廣泛關注。

在國際上，IEC 61000-4-21標準給出了殼體SE的測試方法［4］，其原理是在測試腔體內部安裝攪拌器，將其等效為一個小混響室，利用攪拌器的轉動得到腔體內外的場強均值，但是小尺寸屏蔽體由于沒有足夠的空間安裝攪拌器，使得該測試標準存在一定的局限性。針對這一問題，國內的程二威等于2009年提出了基于“多點平均”的SE測試方法，該方法利用箱體內部的導軌移動場強計，得到不同位置處的場強值，利用空間場強均值比計算其SE值，拓展了可測箱體的下限尺寸［5］。2007年Holloway等創新性的將混響室頻率攪拌技術應用到腔體的SE測試中來［6］，由于無須在腔體內部安裝額外的輔助設備，這種基于電學攪拌的測試方法有效地實現了對小尺寸箱體SE的測試，并極大地減少了測試所需時間。該方法一經報道，就引起了國內外學者的廣泛關注與研究，隨后有學者進一步提出利用安裝在腔體內壁的單極子天線檢測場強值，以降低可測箱體的尺寸［7］；也有學者提出將輻射源放置于箱體內部，通過內部頻率攪拌、外部機械攪拌的方法，以獲得更加均勻的場環境［8］。目前，頻率攪拌技術應用于腔體SE測試已被國內外學者廣泛認可，但測試方法不夠完善，測試精度也不夠高，IEEE 299工作組也一直致力于混響室環境下腔體SE的測試研究，但尚未發布最終版的測試標準。

頻率攪拌為混響室條件下腔體屏蔽效能的測試開辟了一個新的技術途徑，針對測試過程中暴露出的測試精度有待提高這一不足之處，本文從提高樣本數量和改進數據處理方法兩方面入手，提出了復合攪拌測試方法和基于濾波的數據處理方法，用于提高測試結果的精確度。兩種不同的技術手段在提高混響室腔體SE測試精確方面均取得了顯著效果，并具有一定的推廣價值。

1 頻率攪拌混響室法腔體SE測試

1.1 頻率攪拌混響室法測試原理

頻率攪拌的實現方式并不唯一，利用線性掃頻信號激勵混響室，不失為一種簡便、快捷的實現方法，其在混響室法腔體SE測試中也得到了廣泛應用。如果從激勵信號的時-頻特征加以分析，不難理解線性掃頻方式的混響原理，激勵信號輸出的正弦波頻率隨時間線性變化，使得工作頻率對應的品質因數帶寬隨之發生移動，因此品質因數帶寬內的模式組合也會發生變化，最終導致多模疊加后的場環境隨時間發生變化，從而在掃頻帶寬內形成統計均勻的場環境。如果將線性掃頻攪拌方式與機械攪拌方式類比，機械攪拌方式依靠攪拌器的轉動改變混響室的物理邊界尺寸，而線性掃頻攪拌方式則是依靠輸出的正弦波不斷改變混響室的電學尺寸，這在實現統計均勻場環境的功能上有異曲同工的效果。

將屏蔽腔體放置于混響室的測試區域，控制激勵信號在一定帶寬內掃頻，可在外部大混響室內獲得統計均勻場，此時將屏蔽腔體，視為一個小型混響室，耦合進入小混響室內的電磁波頻率也會隨激勵信號的變化而變化，同樣形成統計均勻場。通過對比攪拌帶寬內大、小混響室的功率平均值，即可獲得箱體的SE:

式中:Pi、Po分別腔體內、外部的功率值（用上標i、o區分屏蔽箱體內、外部的數據，下同）；〈·〉代表對攪拌周期內的數據取平均。這就是頻率攪拌嵌套混響室法箱體SE的測試原理。

根據線性掃頻攪拌方式的特點與SE的定義，可利用矢量網絡分析儀（VNA）實現頻率攪拌混響室法腔體SE測試。將VNA的兩個端口P1、P2分別與發射、接收天線相連，收、發天線間的散射參數S21（S21為接收功率與入射功率的比值）與混響室場值呈正比（比例系數這里不做討論），因此可通過對S21參數的測量實現腔體SE的計算。基于VNA的頻率攪拌混響室法腔體SE測試方案如圖1所示。

圖1 頻率攪拌混響室法箱體SE測試布局Fig.1 Setup of enclosure SE test using frequency-stirred RC method

將輻射天線置于外部大混響室，利用VNA分別測量屏蔽腔體內外部的散射參數和，因此箱體的SE表達式可改寫為

測試過程中，受屏蔽腔體體積等限制，通常會在腔體內部采用小型接收天線。由于天線效率不同，同樣場環境下不同天線測得的S21參數不同，導致測試結果失真，此外即使同一天線在不同頻段內的天線效率也不盡相同，因此為消除天線效率的影響，可將其歸一化［9］。天線效率η定義為天線輻射功率與入射波功率的比值，描述為η=1-|S22|2，S22為天線饋源端口的反射功率與入射功率的比值。根據天線的互易定理可知，歸一化后的S21理論均值〈C21〉為

因此修正天線系數影響后的腔體SE計算式可寫為

1.2 試驗測試與結果分析

根據1.1節中的測試方案，在某大型混響室內對體積為1 m×0.8 m×0.7 m箱體SE開展測試試驗。測試箱體的最大面開有20 cm×4 cm大小的縫隙，將其視為小混響室時，其起始工作頻率約為900 MHz.網絡分析儀N5230A工作頻帶20 MHz～20 GHz；收、發天均采用喇叭天線，其工作頻帶1～18 GHz.試驗場景如圖2所示。

圖2 箱體SE實測場景圖Fig.2 Scene graph of enclosure SE test

試驗中設置VNA的輸出功率5 dBm，掃頻間隔5 s，分別測試1～10.6 GHz下大、小混響室內的S21參數，圖3給出了對應的測試結果。從圖3中可以看出，隨著頻率的變化，S21參數圍繞某一均值上下波動，證明了頻率攪拌調節場環境分布的有效性。參考頻率攪拌方式下攪拌帶寬大小的選取原則，這里取100個樣本數據進行平均，并將其視為中心頻率點下混響室的均值場強，據此可以得到圖3中所示的較為平滑的S21均值曲線。

由于試驗選取的受試天線均為喇叭天線，因此無需考慮天線效率對SE結果的影響，可直接利用（2）式計算箱體的SE值。圖4給出了箱體SE的測試結果，從圖中可以看出，在該測試頻段內，箱體的SE基本穩定在15 dB左右。如果將SE測試曲線的局部放大，能夠看出該曲線存在很多細小的毛刺并不平滑，如同添加了噪聲一般，噪聲幅值大小約為3dB.

針對該問題，如果增大頻率攪拌的帶寬，選取更多的樣本數據平均，獲得的電場均值將愈加趨近于理論值，使得均值曲線更為平滑，然而增大攪拌帶寬勢必會造成測得的SE曲線失去某些峰值信息，因此單一頻率攪拌在SE測試精度方面存在一定的局限性。因此本著提高測試精度的原則，有必要對該問題做進一步的研究，并加以改善。

圖3 S21參數測試曲線Fig.3 Curves of test parameters S21

圖4 SE測試結果Fig.4 SE test result

2 基于復合攪拌的測試方法改進

在攪拌帶寬不變的前提下，可以減小掃頻間隔獲取更多的樣本數據，然而過小的掃頻間隔很容易導致樣本數據彼此相關，而這在統計學中是不允許的。為此，首先想到采用增強攪拌效率的技術手段，用于擴大帶寬內的獨立樣本數量，以獲取更為精確的場量均值。

2.1 復合攪拌及其攪拌效率分析

攪拌效率可由一個攪拌周期內提供的獨立樣本數量來衡量，樣本是否獨立則由彼此間的相關性系數決定。前期的研究結果表明，混響室在機械攪拌方式下，單一攪拌器的攪拌效率要明顯弱于水平攪拌器與垂直攪拌共同工作時的攪拌效率，并且隨著二者轉速比的提升，攪拌效率增強。

對上述現象進行深入分析，兩攪拌器共同轉動時，提供了更為豐富的攪拌位置組合，使得邊界條件改變方式更為豐富，因此兩攪拌器共同轉動時的攪拌效率勢必高于單一攪拌器轉動。當攪拌器的轉速比提升時，轉速快的攪拌器旋轉完一周提供了全部的獨立樣本數據，而轉速慢的攪拌器因只提供了一部分獨立樣本數據。因此可以假設一種理想情況，即慢攪拌器只步進一個獨立攪拌位置時，快攪拌器就旋轉完畢一周，當慢攪拌器轉動一周完畢后，能夠提供的所有獨立攪拌位置均會出現，此時提供的獨立樣本數據最大，攪拌效率也達到最高。假設混響室內有M個攪拌器，每個攪拌器能提供的獨立樣本數據量為Nind（m），理論上機械攪拌方式能夠提供的最大獨立樣本數量為

基于上述分析，可以借鑒多個攪拌器工作在不同轉速下提供的不同邊界條件組合位置的思想，采取一種機械攪拌與頻率攪拌相結合的復合攪拌方式，從而在不增大攪拌帶寬的前提下增大獨立樣本數量。復合攪拌的具體實現方法如下:機械攪拌器工作在步進攪拌方式，在不同的步進位置下，激勵源采用線性掃頻攪拌方式激勵混響室從而實現復合攪拌［10］。假設攪拌器步進M個獨立的攪拌位置，每一個攪拌位置下的頻率攪拌所能提供的獨立樣本數量為Nind（m），因此復合攪拌能提供的最大獨立樣本數量為

顯然這種復合攪拌相對單一頻率攪拌，可提供的獨立樣本數量將隨攪拌器的步進數成倍提升，這將大大提升攪拌帶寬內的獨立樣本數量，進一步降低場量均值曲線的測試誤差。

2.2 復合攪拌SE測試與結果分析

基于復合攪拌方式開展腔體的SE測試，需要在被測腔體內部安裝攪拌器，以保證嵌套小混響室內同樣能夠實現復合攪拌。為此，在1.2節的被測腔體內部安裝了一個小型的垂直攪拌器，攪拌扇葉寬為15 cm，高為80 cm，由安裝在箱體頂部的步進電機控制轉動，攪拌器結構如圖5所示。

圖5 被測腔體攪拌器Fig.5 Mechanical stirrer in test enclosure

在復合攪拌方式下，設置大、小混響室內的攪拌器每次步進角度為20°，攪拌器相對初始位置轉動5次，每個步進位置下均進行頻率攪拌。因此共獲得復合攪拌方式下的6組測試數據。對總的樣本數據進行處理，圖6給出了復合攪拌方式下箱體內、外部的S21均值曲線，并將其與單一頻率攪拌測得的S21均值曲線進行了對比。從圖6中可以看出，復合攪拌方式下的S21均值曲線在很好地保留峰值信息的同時，較原始數據平滑了許多，通過局部放大圖可以看到，平滑掉的“噪聲”誤差能達到1.5 dB，取得了很好的效果。

圖6 頻率攪拌與復合攪拌下的S21均值曲線Fig.6 Mean curves of S21tested by frequency and combined stirring modes

圖7給出了復合攪拌方式下的箱體SE測試曲線，同樣與原始的SE測試曲線進行了對比，可以看到復合攪拌下的SE曲線同樣要好于原始測試曲線，大部分噪聲被平滑掉了。這證明了復合攪拌方式在改善測試精度方面的有效性，具有較強的工程實踐意義。

圖7 頻率攪拌與復合攪拌下的箱體SE曲線Fig.7 SE curves tested by frequency and combined stirring modes

3 基于濾波的數據處理方法改進

復合攪拌方式增加了樣本數量，降低了測試的不確定性，有效改善了SE曲線的平滑度。然而該方法需要為腔體安裝攪拌器，一方面增加了測試難度，另一方面也不適用于小尺寸腔體的SE測量。因此考慮是否可從數據處理方法入手，在有限量樣本數據的基礎上，獲取更為精確的場量均值曲線。

3.1 傳統數據處理與遞推平均濾波等效性分析

如果從工程測試的角度進行分析，假設電場均值曲線是所關心的被測信號，混響室內電場值在各種攪拌方式下沿場量均值上下波動，使得“場均值”這一有用信號被淹沒在了人為攪動起來的“噪聲”之中［11］。在頻率攪拌方式下，對于一組基于線性掃頻的測試數據，將每一個采樣頻點都視為中心工作頻率，并取相鄰帶寬內的數據取平均，即可獲得混響室內電場均值隨頻率變化的一條連續曲線。而這種對“場均值”的處理方法，實際上是電子工程領域常用的一種降噪方法，即“遞推平均濾波算法”。遞推平均濾波算法又稱滑動平均濾波法，對連續的采樣數據，取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入到隊尾中去，并扔掉隊首的一個數據，即先進先出原則。然后把隊列中的N個數據進行算數平均運算，即可獲得濾波結果。

根據上述分析，如果將場值的波動視為干擾噪聲，利用濾波手段對采集到的樣本數據進行處理，并濾除掉噪聲部分，那么所關心的“場均值”曲線就能夠被很好地還原出來，因此選用一種比遞推平均濾波更合適的濾波方法來處理數據，勢必能夠更好地減小測試誤差。

3.2 基于有限沖擊響應數字低通濾波的測試結果分析

除遞推平均濾波法外，目前常用的一些數字濾波算法還有中位值平均濾波法、加權遞推平均濾波法、1階慣性濾波法等。這些方法雖較前者均有一定的改進，然而相對于具有非零攪拌帶寬的頻率攪拌方式而言并不適用，因為頻率攪拌不適于提供更多樣本數據進行平均。對采集到的樣本曲線進行特征分析可知，所關心的“場均值”曲線相對平緩，其頻譜相對被攪拌起來的噪聲信號頻率要小很多，因此可設計合理的數字低通濾波器，在濾除掉高頻噪聲的同時，有效保留想要的低頻“場均值”信息。

低通濾波器的種類多種多樣，特性也不盡相同，有限沖擊響應（FIR）濾波器是數字信號處理中最常用的一種濾波器，且Matlab中的濾波工具箱方便對FIR濾波過渡帶等參數的修改和設計，這里通過設計FIR數字低通濾波結合漢明窗對原始測試數據進行處理，低通濾波后的處理結果如圖8所示，圖8中同時給出了遞推平均濾波得到的均值曲線。從中可以看出，采用低通濾波方式獲取的S21均值曲線有效的濾除掉了更多的噪聲部分，在保持均值波形不變、保留峰值信息的前提下，極大地平滑了測試曲線。

圖8 低通濾波處理的S21均值曲線Fig.8 Mean curves of S21processed by low-pass filter

在此基礎上，圖9給出了采用該數據處理方法得到的箱體SE曲線，并取得了令人滿意的效果。

利用低通濾波的數據處理方法，能夠更加準確地獲得電場的均值曲線，這使得研究人員在頻率攪拌SE測試中，不必過多地關注攪拌帶寬，理論上來講，只需保證掃頻間隔足夠小（采樣率足夠高），即可還原得出電場均值曲線。該方法無需增加測試系統的復雜度和測試的工作量，很好地保留了頻率攪拌的測試優勢，因此在一定程度上來講，該方法相比復合攪拌方式的應用空間更為廣闊，并更具推廣價值。

圖9 低通濾波處理得到的SE曲線Fig.9 SE curves processed by low-pass filter

4 結論

本文對頻率攪拌混響室法腔體SE的測試原理進行了闡述，針對試驗測試中暴露處的單一頻率攪拌方式測試精度不高的技術難題，提出了基于復合攪拌的腔體SE測試技術，與一種基于數字低通濾波的數據處理方法，用于改善混響室條件下腔體SE的測試精度。兩種方法均起到了較好的效果，并得到了以下結論:

1）頻率攪拌技術能夠很好地用于混響室條件下的腔體SE測試，較傳統的機械攪拌方式測試方法，在簡化測試系統的同時大大的縮短了測試時間。

2）復合攪拌腔體SE測試方法在不增大攪拌帶寬的基礎上，可成倍提升獨立樣本數量，進而減小均值估計區間，提高測試精確度。但該方法需要機械攪拌配合使用，適用范圍受到限制。

3）基于FIR數字低通濾波的數據處理方法在還原均值信號波形與保留峰值信息的同時，能夠獲得較理想的平滑均值曲線，提升了數據處理的精確。該方法無需過多關心樣本容量，且不受腔體體積的限制，在混響室法腔體SE測試中更具應用與推廣價值。

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Improved Test Method for Shielding Effectiveness of Enclosures in Reverberation Chamber

LIU Yi-fei1，CHEN Yong-guang2，CHENG Er-wei3
（1.National Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，Shaanxi，China；2.Beijing Institute of Tracking and Technology，Beijing 100094，China；3.Electrostatic and Electromagnetic Protection Institute，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China）

The principle of testing the shielding effectiveness（SE）of enclosures in reverberation chamber（RC）using frequency-stirred method is introduced briefly.Based on this，the shielding effectiveness of a slotted enclosure is measured.As to the low metering accuracy exposed in test，a combined stirring test technology is proposed，which can significantly increase the sample size in stirring bandwidth，thus reducing the uncertainty of test result.A new method based on digital low-pass filtering is presented to get the mean curves of electric field.The proposed method can effectively retain the peak information and obtain the desired smooth of electric field，so it enhances the accuracy of data processing.Compared with the two method，the combined stirring test method needs to combine mechanical stirring with frequency stirring，which is more suitable for large cavity test.The digital low-pass filtering is careless of the sample size and does not need additional test equipment.

ordnance science and technology；reverberation chamber；shielding effectiveness；frequency stirring；nested reverberation chamber；combined stirring

TM152

A

1000-1093（2016）07-1245-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.07.012

2015-06-09

國家自然科學基金項目（51107147、51177174）；西北核技術研究所預先研究項目（11131501）

劉逸飛（1985—），男，助理研究員，博士。E-mail:liuyifei@nint.ac.cn