電波暗室歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試的優(yōu)化

周毅，李軍，徐曉光，張棟，周海波，吳紹精，李瀅舟

（1.深圳海關(guān)工業(yè)品檢測(cè)技術(shù)中心，深圳 518067； 2.深圳市檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院，深圳 518045）

引言

由于自然界中電磁噪聲的廣泛存在，電波暗室成為電磁兼容輻射騷擾和抗擾度測(cè)試的重要替代場(chǎng)地[1]。按照不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，暗室劃分為全電波暗室和半電波暗室。全電波暗室用于模擬自由空間，半電波暗室比全電波暗室多一塊反射面，用于替代開闊場(chǎng)測(cè)試。

為了判斷電波暗室是否適用于輻射騷擾測(cè)試，歸一化場(chǎng)地衰減（NSA）被用作衡量電波暗室場(chǎng)地性能的重要指標(biāo)。該指標(biāo)同時(shí)適用于全電波暗室和半電波暗室[2]。其他幾個(gè)指標(biāo)包括場(chǎng)地電壓駐波比、場(chǎng)均勻性和背景噪聲。NSA是電波暗室的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)，其結(jié)果決定了暗室的場(chǎng)地性能以及是否適合用于輻射騷擾測(cè)試[3]。

目前實(shí)驗(yàn)室對(duì)電波暗室普遍采用寬帶天線進(jìn)行場(chǎng)地驗(yàn)證，在NSA的計(jì)算中，有的只考慮了互耦因子，有的將互耦因子假設(shè)為零，這就影響了場(chǎng)地驗(yàn)證的測(cè)試結(jié)果，也增加了輻射騷擾的測(cè)量誤差。本文使用特定幾何校正因子（GSCF）對(duì)NSA測(cè)量結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，以提高暗室場(chǎng)地驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，同時(shí)減小輻射測(cè)量誤差。

1 歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)量原理

歸一化場(chǎng)地衰減是場(chǎng)地有效性指標(biāo)，只是說明該場(chǎng)地是否適合用來做輻射騷擾測(cè)試，并不是說NSA符合條件的實(shí)驗(yàn)室做出來的測(cè)試數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。中美兩國的檢測(cè)機(jī)構(gòu)就曾對(duì)本國檢測(cè)機(jī)構(gòu)的電波暗室進(jìn)行過比對(duì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同樣測(cè)試距離的實(shí)驗(yàn)室，場(chǎng)地都滿足NSA要求，但是對(duì)同一樣品得到測(cè)試結(jié)果卻表現(xiàn)出高度的離散性，測(cè)試結(jié)果可能相差很大。

按照ANSI C63.4-2014的定義，場(chǎng)地衰減（SA）是指在指定的天線極化、天線間隔以及電磁反射平面以上高度的條件下，一個(gè)匹配、平衡、無損的調(diào)諧偶極子輻射器的輸入功率與其類似的匹配、平衡、無損的調(diào)諧偶極子接收天線的輸出功率之比。歸一化場(chǎng)地衰減則是指場(chǎng)地衰減除去收發(fā)天線系數(shù)之后剩下的部分[4]。

NSA的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)很成熟。1982年，Smith等人首次提出了NSA理論計(jì)算模型[5]。

式中：

NSATH—NSA理論值；

fm—頻率；

EDMAX—天線最大接收?qǐng)鰪?qiáng)。

NSA的測(cè)量方法是對(duì)測(cè)試空間中的5個(gè)位置，2種天線高度和2種天線極化狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)ANSI C63.4a-2017[6]，對(duì)于調(diào)諧偶極子天線，NSA用式（2）計(jì)算：

對(duì)于其他天線（如雙錐天線和對(duì)數(shù)周期天線），測(cè)量結(jié)果用式（3）計(jì)算：

式中：

VDIRECT—線纜直連時(shí)接收機(jī)的電壓讀數(shù)；

VSITE—收發(fā)兩端分別連接收發(fā)天線時(shí)接收機(jī)的電壓讀數(shù)；

AFT—發(fā)射天線系數(shù)；

AFR—接收天線系數(shù)；

△AFTOT—互阻抗校正因子；

GSCF—特定幾何校正因子。

將測(cè)量結(jié)果與理論值相比較，如果所有情況下測(cè)得的結(jié)果與理論值偏差在±4 dB之內(nèi)，則說明該場(chǎng)地的NSA指標(biāo)符合場(chǎng)地要求。

2 特定幾何校正因子

如果場(chǎng)地驗(yàn)證時(shí)使用調(diào)諧偶極子天線，則NSA的計(jì)算要用到互阻抗校正因子△AFTOT。由于收發(fā)天線之間的近場(chǎng)耦合作用，在測(cè)試距離為3 m的時(shí)候，該因子必須要考慮，在其他場(chǎng)合中該因子可忽略不計(jì)。

如果場(chǎng)地驗(yàn)證時(shí)使用的是其他天線，如雙錐天線和對(duì)數(shù)周期天線，則NSA的計(jì)算要考慮使用特定幾何校正因子GSCF。GSCF是在一個(gè)特定幾何結(jié)構(gòu)中測(cè)得的參數(shù)，用于對(duì)場(chǎng)地衰減結(jié)果進(jìn)行修正。該參數(shù)綜合考慮了近場(chǎng)電磁場(chǎng)的影響，接收天線受到的非均勻照射，收發(fā)天線之間的互耦，以及天線與地板之間的互耦等因素[7]。

在30～200 MHz測(cè)試頻率范圍內(nèi)，使用雙錐天線進(jìn)行場(chǎng)衰減測(cè)量必須要考慮GSCF因子。因?yàn)樵谶@個(gè)頻率范圍內(nèi)，用雙錐天線來計(jì)算天線系數(shù)會(huì)產(chǎn)生固有誤差，最大可達(dá)到0.49 dB。在進(jìn)行場(chǎng)地驗(yàn)證時(shí)，這個(gè)固有誤差又會(huì)導(dǎo)致最高達(dá)2.39 dB的NSA測(cè)量誤差。因此，通常用GSCF來修正這個(gè)誤差。

GSCF使用一種基于線元的數(shù)值模擬方法來獲得（NEC2），其大小依賴于測(cè)試距離、測(cè)試頻率和天線轉(zhuǎn)換器的阻抗。標(biāo)準(zhǔn)ANSI C63.4-2017的附錄I給出了GSCF的計(jì)算公式：

式中：

EDMAX—計(jì)算得到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度；

ANFS—近自由空間場(chǎng)地衰減；

AGS—其他驗(yàn)證場(chǎng)地的場(chǎng)衰減。

為了得到最小的NSA誤差，也為了得到最準(zhǔn)確的GSCF校正因子，在獲得GSCF時(shí)，天線校準(zhǔn)場(chǎng)地與其他輻射測(cè)試驗(yàn)證場(chǎng)地應(yīng)使用相同的天線、天線塔、線纜和設(shè)備。此外，線纜的布置、鐵氧體位置，以及線纜穿過地板的位置也應(yīng)當(dāng)保持相同。

表1給出了使用雙錐天線進(jìn)行場(chǎng)地驗(yàn)證時(shí)，3 m測(cè)試距離下，測(cè)試頻率范圍為30～200 MHz內(nèi)，接收天線掃描高度h2為1～4 m，天線轉(zhuǎn)換器阻抗為50 Ω的情況下，得到的GSCF校正因子。

表1 30～200 MHz內(nèi)GSCF校正因子

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了考量特定幾何校正因子GSCF的優(yōu)化效果，我們?cè)陔姴ò凳业臏y(cè)試區(qū)域中選取了部分位置點(diǎn)進(jìn)行NSA測(cè)試，然后用表1中對(duì)應(yīng)的GSCF校正因子對(duì)NSA測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最后將優(yōu)化后的測(cè)試結(jié)果與常規(guī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。如圖1所示。

圖1 NSA測(cè)試的典型天線布置圖

電波暗室場(chǎng)地驗(yàn)證涉及到測(cè)試區(qū)域的5個(gè)點(diǎn)，2種天線極化方式，2種發(fā)射天線高度。考慮到工作量因素，這里選取P0～ P3四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，收發(fā)天線選用同一型號(hào)的雙錐天線，發(fā)射天線高度設(shè)定為1 m，接收天線高度掃描范圍為1～4 m，測(cè)試頻率范圍為30～200 MHz。測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 GSCF因子對(duì)NSA測(cè)試結(jié)果的修正情況

圖2中實(shí)線分別是P0～ P3四個(gè)點(diǎn)的常規(guī)NSA測(cè)試結(jié)果，該驗(yàn)證方法僅考慮了發(fā)射和接收天線系數(shù)，互阻抗校正因子忽略不計(jì)，這樣計(jì)算得出的NSA準(zhǔn)確度是不夠的。虛線為采用特定幾何校正因子修正后的NSA測(cè)試結(jié)果。從圖2中可以看到，這四個(gè)點(diǎn)的NSA均采用GSCF進(jìn)行了校正，GSCF因子綜合考慮了天線的近場(chǎng)特征、接收天線受到的非均勻照射、收發(fā)天線之間的互耦，以及天線與地板之間的互耦等多重因素的影響，因此得到的歸一化場(chǎng)地衰減準(zhǔn)確性更高。

從圖2中四個(gè)點(diǎn)的測(cè)試情況來看，在設(shè)定的試驗(yàn)條件下，GSCF校正因子最大值為1.83 dB，最小值為-1.2 dB，平均值為-0.14 dB。利用GSCF實(shí)現(xiàn)了對(duì)NSA測(cè)量結(jié)果的修正。已有實(shí)驗(yàn)表明，在30～200 MHz測(cè)試頻率范圍內(nèi)，如果不考慮GSCF因子，則計(jì)算天線系數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生最高達(dá)0.49 dB的固有誤差，該固有誤差可能導(dǎo)致最高2.39 dB的NSA測(cè)量誤差。因此可以說GSCF因子對(duì)NSA的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大的影響，有時(shí)甚至?xí)绊戨姴ò凳覉?chǎng)地驗(yàn)證結(jié)果的判斷。

4 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)，對(duì)四個(gè)典型位置點(diǎn)的NSA進(jìn)行了測(cè)量，然后利用GSCF因子對(duì)NSA測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了校正，最大校正幅度達(dá)到1.83 dB，最小校正幅度為0.07 dB。通過提出的優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電波暗室歸一化場(chǎng)地衰減測(cè)試結(jié)果的校正和優(yōu)化，提高了場(chǎng)地驗(yàn)證的準(zhǔn)確性與可靠性，也間接減小了輻射騷擾測(cè)試的潛在誤差。

電波暗室是模擬開闊試驗(yàn)場(chǎng)和自由空間進(jìn)行輻射測(cè)試的特殊環(huán)境，歸一化場(chǎng)地衰減是電波暗室的最重要的參數(shù)之一，該參數(shù)決定了場(chǎng)地的性能以及是否適用于輻射測(cè)試。要保證場(chǎng)地驗(yàn)證的有效性就必須盡量準(zhǔn)確地測(cè)量歸一化場(chǎng)地衰減。