試驗品附屬設備金屬外殼對電磁兼容測量結果的影響

陳虹財

北海市產品檢驗檢測中心 廣西北海 536000

電磁兼容應用十分廣泛，幾乎所有的現代工業包括通信、軍工、計算機等都必須解決電磁兼容問題。各國這一領域的科學工作者也經過多年的努力，研發出先進的電磁干擾測量設備，如Keysight的射頻信號源和頻譜分析儀、Rohde&Schwarz的接收機、Schwarzbeck的抗干擾能力（EMS）發射天線等。同時也制定出相應的測量方法，如DINEN55022-2011、EN55013-2013等。在IEEE出版的《Effects of test table materials for EMC measurement above1GHz》論文中也分析了木材、泡沫塑料和空氣等臺面材料對頻率在1GHz以上范圍的電磁兼容測量結果的影響[1]，但是，目前的檢測方法及前人的研究結果尚無對試驗品附屬設備金屬外殼做出明確規定或分析，這個問題如不引起足夠重視將會導致測量結果的誤判。本文在十米法的半電波暗室環境條件下，從試驗品附屬設備金屬外殼入手對測量結果的準確性評價進行研究，得出了試驗品附屬設備金屬外殼對測量結果有明顯影響的結論，對產品電磁兼容測量結果準確性評價有極好的參考價值。

1 十米法半電波暗室及測量系統

1.1 十米法及半電波暗室

信號源的電磁干擾測量實驗是在十米法、半電波暗室環境條件下進行的，布置框圖見圖1，實際的電磁兼容測試場地見圖2。

圖1 布置框圖

圖2 電磁兼容測試場地圖

1.2 測量系統

測量系統包括：待測物轉臺、天線架（天線升降塔）、雙通道控制器等。

2 實驗方法及設計

2.1 實驗設計

本實驗電磁波信號以輻射場的方式在十米法的半電波暗室暗室中傳播，并垂直入射到接收機天線。試驗品為4GHz的射頻信號發生器，外接附屬設備有功率放大器、直流電源（試驗品附屬設備）等。其中直流電源的外殼為金屬材質。實驗現場按照GB/T 9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》中要求布置[2]，試驗品放到試驗臺中央位置。由于需要給射頻信號發生器進行供電，需將直流電源與信號發生器連接好，并一同放置在實驗現場。實驗過程中，直流電源分別擺放在試驗臺左上角和右上角位置，然后在進行參數設置操作。

2.2 實驗步驟

對射頻信號發生器進行電磁兼容測量，將直流電源置于試驗臺左上角和右上角，然后分別測量并記錄實驗數據，其具體實驗步驟如下：

將直流電源置于試驗臺左上角。

（1）給射頻信號發生器供電。

（2）設置射頻信號發生器的輸出頻率和輸出功率。

（3）將接收機天線調到最佳接收狀態。

（4）測量輻射值，并記錄數據。

（5）將電源設備置于試驗臺右上角，重復步驟（2）到（5）。

2.3 實驗結果

2.3.1直流電源擺放在試驗臺左上角的測量結果

試驗品1#、2#輸出的射頻信號頻率為4.4GHz，輸出功率為5dBm，對射頻信號發生器供電的直流電源擺放在試驗臺的左上角，射頻信號發生器輸出不外接功率放大器的情況下，測得的輻射值，如表1所示。

表1 左上角的輻射值

2.3.2直流電源擺放在試驗臺右上角的測量結果

試驗品1#、2#輸出的射頻信號頻率為4.4GHz，輸出功率為5dBm，對射頻信號發生器供電的直流電源擺放在試驗臺的右上角，射頻信號發生器無外接輸出功率放大器的情況下，測得的輻射值，如表2所示。

表2 右上角的輻射值

3 試驗結果分析

3.1 誤差分析

表1和表2為同一個試驗品的測量結果，即把直流電源分別放置在試驗臺左上角和右上角，在相同的頻率下，測量出的輻射值，明顯存在較大誤差。水平方向和垂直方向絕對誤差都大于3dB（uV/m）。從輻射值數據結果來看，直流電源擺放在左上角的輻射值要比在右上角的輻射值小。

3.2 影響測量準確度的因素

為了明晰導致上述測量誤差的因素，我們的初步判斷是射頻電磁波輻射附屬設備金屬外殼上造成二次同頻電磁輻射到接收機天線所致。為此，這里引入微波射頻信號多徑輻射理論展開討論[3]。

（1）首先將電磁波輻射到接收機天線的路徑用圖3加以展示。圖3是射頻信號的電磁波E+或H+通過空氣（媒質1）垂直入射到金屬外殼邊界面上（媒質2），這個界面用xy平面表示。并假設媒質2是理想導體，電導率γ為無窮大。那么，電磁波不能穿過該媒質而形成反射。

圖3 電磁波垂直入射與反射

式(4.2.1)和式(4.2.2) 中的字母右上角的“+”為入射波，“-”為反射波，+mE和-mE是邊界條件確定的常數，j為媒介表面電流密度，β為相位系數，z為常數，η為媒介的本征阻抗。

兩個方向相反的行波合成的結果形成了駐波，而根據右手螺旋關系，還要考慮坡印廷矢量進來，在分界面左方媒介1中的平均坡印廷矢量為：

可見，駐波不能傳輸電磁能量，而只存在電場能和磁場能的相互轉換。因此，在這種情況下，信號能量反饋不到接收機天線，不會引起測量誤差。

（2）其次是射頻信號的電磁波E+或H+通過空氣（媒質1）以一定的斜角入射到金屬外殼邊界面上（媒質2），見圖4。此刻，電磁波輻射作用在媒介2上，會產生平行極化或垂直極化分量。這里以平行極化波的斜入射為例進行分析。

圖4 平行極化波的斜入射

從式（4.2.4）可以看出，斜入射到附屬裝置殼體的電磁波經折射后作用在接收機天線上將產生干攏信號，斜入射角的不同，接收機天線上產生干攏信號幅值是不同的。由此可知直流電源擺放在試驗臺左、右上角的位置，造成射頻信號發生器與附屬設備金屬外殼有一定的角度，致使射頻信號會以一定的斜入射角方向在附屬設備金屬外殼上形成二次同頻電磁輻射到接收機天線，且不同角度，二次同頻電磁輻射值也不同，從而導致測量結果出現偏差。

3.3 消除干擾的方法及技術措施

經上述分析得知，影響測量準確度的因素是射頻電磁波輻射附屬設備金屬外殼上造成二次同頻電磁輻射到接收機天線。為此，采取如下措施：

第一，附屬設備金屬外殼與十米半電波暗室的金屬地板連接（即接地），然后敷設吸波材料；

第二，對試驗品供電線路增加屏蔽；

第三，試驗品和附屬設備擺放位置要在一條水平線上。

通過采取這些措施，能有效消除試驗品附屬設備金屬外殼引起的二次電磁波輻射到接收機天線造成的測量誤差[4]。

4 結語

通過對試驗品附屬設備金屬外殼引起在十米法的半電波暗室進行電磁兼容測量造成誤差的原因進行了實驗和理論分析研究，試驗品附屬金屬外殼的擺放位置會對測量準確性有影響，引起誤差達到3dB(uV/m)～4dB(uV/m)。必須加以重視，避免金屬外殼二次電磁波輻射造成測量結果偏差，導致測量結果誤判。