一種降低電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試測(cè)量誤差的方法

瞿 丹，張建國(guó)，周 暢

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一種降低電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試測(cè)量誤差的方法

瞿 丹，張建國(guó)，周 暢

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，武漢 430064）

隨著電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量誤差已經(jīng)成為評(píng)估測(cè)試是否符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵性指標(biāo)。為了降低軍用設(shè)備的電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試的測(cè)量誤差，本文對(duì)誤差偏高問(wèn)題的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)要因提出在天線周圍放置吸波材料及對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，使得測(cè)量誤差大大降低，從而保證了軍用設(shè)備的電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

電磁兼容試驗(yàn) 測(cè)試誤差 輻射發(fā)射測(cè)試

0 引言

電磁兼容是研究在有限空間、有限時(shí)間、有限頻譜資源條件下，各種用電設(shè)備或系統(tǒng)能夠正常工作，相互不受干擾。電磁兼容測(cè)試技術(shù)是電磁兼容研究的領(lǐng)域的重要方面，正如國(guó)際著名學(xué)者美國(guó)肯塔基大學(xué)的C.R.Paul教授所說(shuō)：“對(duì)于最后的成功驗(yàn)證，也許沒(méi)有任何其他領(lǐng)域象電磁兼容那樣強(qiáng)烈的依賴于測(cè)量！”

1 概況

為了保證軍用裝備在總體電磁兼容環(huán)境中能夠正常工作，不相互干擾，各裝備必須具有良好的電磁兼容性能，因此需根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行一系列的電磁兼容測(cè)試。電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試是GJB151A/152A的一項(xiàng)電磁兼容測(cè)試，通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試可以掌握設(shè)備及其有關(guān)電纜的電場(chǎng)發(fā)射是否超過(guò)規(guī)定要求[1]。其測(cè)試原理圖如下圖1所示：

圖1 電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試原理圖

隨著電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量誤差已經(jīng)成為評(píng)估測(cè)試是否符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵性指標(biāo)。若測(cè)試結(jié)果的誤差過(guò)大，將可能對(duì)設(shè)備的電磁兼容性能產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致艦船內(nèi)各電子設(shè)備相互干擾而不能正常工作，影響艦船戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。同時(shí)測(cè)量誤差也是實(shí)驗(yàn)室測(cè)量能力的表現(xiàn)，測(cè)量誤差越大，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性、有效性越低，則試驗(yàn)室的檢測(cè)能力也越低。

在GB-T6113《無(wú)線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范》中規(guī)定“電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試的最大誤差不超過(guò)5dB”。采用與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)比的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試的測(cè)量誤差進(jìn)行了實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1，最大誤差值約為8dB，超過(guò)了5dB的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 電場(chǎng)輻射發(fā)射誤差測(cè)試結(jié)果

2 誤差分析

對(duì)電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試誤差偏高的問(wèn)題分別從電磁環(huán)境、測(cè)量方法、測(cè)試人員、測(cè)試系統(tǒng)以及測(cè)試場(chǎng)所這幾個(gè)方面進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)檢查試驗(yàn)確認(rèn)誤差偏高是由于屏蔽室壁面對(duì)電磁波的反射，導(dǎo)致屏蔽室的場(chǎng)地均勻性較差，從而給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)較大誤差。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 場(chǎng)地均勻性測(cè)試結(jié)果

在屏蔽室均勻選取9個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試在不同頻率的最大場(chǎng)強(qiáng)與最小場(chǎng)強(qiáng)之差△E，由圖可知，△E的最大值達(dá)到16 dB/10 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足IEC61000關(guān)于測(cè)試場(chǎng)地均勻性不超過(guò)6 dB的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 降低測(cè)量誤差的方法和效果

針對(duì)電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試誤差要因，傳統(tǒng)的減小屏蔽室壁面反射的方法是在屏蔽室四周加裝吸波材料，但這種方法造價(jià)較高。為節(jié)省經(jīng)費(fèi)同時(shí)又能有效地減小屏蔽室壁面反射，提出了一種全新的方法，并編制了對(duì)策表，如下表2所示。

表2 減小屏蔽室壁面反射對(duì)策表

3.1 在接收天線周圍放置吸波材料

措施一：選擇吸波材料

結(jié)合屏蔽室實(shí)際情況，提出了3種吸波材料的選擇方案。

1） 泡沫尖劈材料

由聚氨酯類的泡沫塑料在碳膠溶液中滲透而成，具有較好的阻燃特性；通常設(shè)計(jì)成棱錐狀、圓錐狀和契形；角錐長(zhǎng)度與吸收的電磁波頻率成反比，高頻吸波性能好，若要提高其低頻吸波性能，則體積較大；價(jià)格低廉，但維護(hù)費(fèi)用高[2]所示

2） 鐵氧體材料

直接將鐵氧體片貼于壁板上，利用其磁性能吸收電磁波。該材料低頻吸波性能好，體積小，性能穩(wěn)定可靠，安裝方便，維護(hù)費(fèi)用小。

3） 泡沫—鐵氧復(fù)合材料

將泡沫尖劈和鐵氧體制成復(fù)合材料，該材料兼顧了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，工作頻帶寬，吸波性能好，價(jià)格較為昂貴。

根據(jù)以上分析，從吸波性能、工作頻寬、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性這四個(gè)方面對(duì)這三種材料進(jìn)行綜合評(píng)估[3]，結(jié)果如下表3。

從表可看出，泡沫—鐵氧復(fù)合材料綜合得分最高，故選用泡沫—鐵氧復(fù)合材料。

措施二：設(shè)計(jì)隔離室的結(jié)構(gòu)

隔離室的結(jié)構(gòu)采用最簡(jiǎn)單有效的U型框。基于幾何光學(xué)和電磁波射線理論，以及GJB151A規(guī)定的被測(cè)設(shè)備必須位于接收天線的半功率帶寬范圍內(nèi)的原則，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)U型隔離室進(jìn)行了設(shè)計(jì)，尺寸為（長(zhǎng)）=1.8 m，(寬)=2.1 m，（高）=1.9 m，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及模型圖如下圖3所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)的U型隔離室結(jié)構(gòu)，采用CST電磁仿真軟件對(duì)屏蔽室在的場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行了仿真，圖5為頻率500 MHz的的仿真結(jié)果。由圖4可知，隔離室的局部均勻性得到改善，可見(jiàn)該設(shè)計(jì)合理可行[3]。

表3 吸波材料評(píng)估表

★表示1分

圖3 隔離室的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及模型圖

圖4 未加隔離室（左）和加隔離室后（右）的場(chǎng)強(qiáng)分布

對(duì)策一實(shí)施完畢后，在隔離室內(nèi)均勻選取了6個(gè)點(diǎn)對(duì)其場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如下表4所示。圖5為加裝隔離室前后場(chǎng)地均勻性對(duì)比圖。

從表4可以看出，測(cè)試中的6個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)幅值偏差在6dB范圍內(nèi)，滿足IEC61000關(guān)于場(chǎng)地均勻性的標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖5可知，對(duì)策一實(shí)施后，隔離室內(nèi)的局部均勻性得到了明顯的改善。

3.2 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)

措施一：實(shí)施校準(zhǔn)試驗(yàn)

測(cè)試結(jié)果校準(zhǔn)的原理是在相同測(cè)試系統(tǒng)不同測(cè)試環(huán)境中找出測(cè)試結(jié)果的差異，以來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差。具體方法如圖6的校準(zhǔn)測(cè)試流程。

在30 MHz～1 GHz頻段內(nèi)選擇需要測(cè)試的頻點(diǎn)，在測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試布置不變的前提下，分別在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室和屏蔽室內(nèi)對(duì)同一頻率不同發(fā)射功率信號(hào)源的受試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如圖7為頻率為300 MHz的不同功率的校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

表4 場(chǎng)地均勻性測(cè)試結(jié)果（加裝隔離室后）

圖6 校準(zhǔn)測(cè)試流程

圖7 300 MHz頻率下的校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)

措施二：編制測(cè)試校準(zhǔn)軟件

在校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)未校準(zhǔn)的頻點(diǎn)通過(guò)插值方法生成環(huán)境校準(zhǔn)曲線。插值方法包括線性插值、二次插值、三次插值，分別采用三種算法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了處理，三種方法的誤差分別為2 dB、3 dB、3.5 dB，由此可知，線性差值算法誤差最小。采用線性插值算法編寫了《軍用電子設(shè)備電磁兼容測(cè)試校準(zhǔn)軟件》。

采用測(cè)試校準(zhǔn)軟件對(duì)5個(gè)不同受試件的電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了校準(zhǔn)，其中最大誤差不超過(guò)4 dB。

4 結(jié)論

電磁兼容性能是軍用電子、電氣設(shè)備重要的性能之一。通過(guò)本方法提高了電磁兼容實(shí)驗(yàn)室電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試的的測(cè)試質(zhì)量，保證了軍用設(shè)備的電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，給艦船總體電磁兼容的管理、設(shè)計(jì)以及評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

[1] 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì), 1997.

[2] 孟東林等. 電波暗室用吸波材料的性能優(yōu)化和選用[J]. 安全和電磁兼容, 2015(10).

[3] 鄭長(zhǎng)進(jìn)等. 吸波材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景[J]. 宇航材料工藝, 2014(5).

[4] 胡申. 小屏蔽室環(huán)境下輻射發(fā)射測(cè)試誤差的研究[J]. 西安電子科技大學(xué), 2010,(1).

A Method of Reducing Measure Error of Electromagnetic Emission Measurement

Qu Dan，Zhang Jianguo, Zhou Chang

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China）

2018-06-01

TM397

A

1003-4862（2018）10-0061-04

瞿丹（1986-），女，碩士研究生，工程師。研究方向：電磁兼容試驗(yàn)與研究。

E-mail: 272140803@qq.com