仿真暗室用作电磁兼容测试场地的评定*

王向阳 何洪涛 洪丽娜

(63880部队 洛阳 471003)

1 引言

电波暗室作为一种测试场地或设施,近些年得到了广泛应用。按类型,电波暗室可分为半电波暗室和全电波暗室;按专业领域,不仅用于天线测试、电磁兼容(EMC)测试[1],还用作仿真试验的场所;按应用领域,不仅用于民用科学研究、认证测试,在国防科研、试验方面也有着广泛的应用。不同暗室有其各自的特点,但也有一些共性,比如半电波暗室和全电波暗室均是在屏蔽壳体的基础上铺贴吸波材料而成,区别仅在于半电波暗室是在除了地面的其它五面铺贴吸波材料,而全电波暗室是在所有六个内表面铺贴吸波材料。正是由于应用于不同用途的电波暗室之间存在诸多共性,这就使得可以通过简单的技术改造或采取一定的措施,使一种电波暗室兼顾多种功能,从而发挥其最大的效益。本文探索仿真暗室用作电磁兼容测试场地的可行性,正是基于这样的目的。

2 仿真暗室介绍和电磁兼容测试需求分析

2.1 仿真暗室介绍

仿真暗室是进行射频仿真试验的场所,其类型为全电波暗室,即六面均铺有吸波材料,模拟的是电磁波自由空间的传播环境。现有仿真暗室为一长方体结构,一侧设置有平台和转台,用以装载被试品,另一侧为一天线阵列,用以模拟产生仿真用的电磁信号或环境。除此之外,与一般暗室一样,暗室内还配备有照明、通风系统、电视监控系统、火情自动报警及消防系统和屏蔽大门等设施。

在仿真暗室设计之初,曾经考虑暗室的综合利用和功能扩展,使之可用于电磁兼容测试、天线测试和雷达散射截面(RCS)测试等方面。因此在暗室地面中心区域专门规划了电磁兼容试验区,用于被试品的电磁兼容性测试。但遗憾的是,在后来的暗室建设中,由于种种原因,并没有因此对暗室进行相应的工程设计和建设,如在暗室地面中心区域预建转台的设想就没有付诸实践;还有,吸波材料选用时,也没有考虑其低频段的性能等等。

按照最初的设想,当需要进行电磁兼容试验时,可把电磁兼容试验区域及其周围的吸波材料移走,这样就构建出一个相当于半电波暗室的空间,也就临时组成了电磁兼容测试场地。当电磁兼容试验结束后,可把吸波材料摆回原位,就恢复了仿真暗室的原貌,又可继续开展射频仿真试验。

当然,以上是设想的理想情况。但是,根据仿真暗室目前的情况,是否适合开展电磁兼容测试?以及开展什么类型的电磁兼容测试呢?在搞清楚这些问题之前,有一个事情必须明确,那就是电磁兼容测试需求。

2.2 电磁兼容测试需求分析

在被试品的设计定型阶段,对其进行电磁兼容试验或测试的主要目的是考核被试品电磁兼容性是否符合研制总要求或有关标准的规定,为被试品最终的设计定型鉴定提供电磁兼容方面的依据。因此,在被试品设计定型阶段开展的电磁兼容试验或测试应该是鉴定试验,属于电磁兼容标准测试。当然,开展被试品电磁兼容性方面的其它工作,如进行电磁兼容故障诊断和排除、进行有关电磁兼容方面的课题研究等也是重要的工作内容。

电磁兼容标准测试不同于研制方在产品研发、生产过程中所进行的电磁兼容预测试[2]。电磁兼容预测试只能应用于研制生产过程中,不能用来对产品电磁兼容性做出鉴定性的评价。电磁兼容标准测试是依据相应的电磁兼容标准,对被试品(设备、分系统或系统)实施的试验或测试,以评价其是否符合有关研制要求和相应的电磁兼容标准,从而对被试品的电磁兼容性给出具有权威性的评估或鉴定。电磁兼容标准测试进行的测试场所和条件,以及使用的仪器设备的指标和精度都要符合电磁兼容标准的要求,如此才能出具具有法律效力的试验或测试报告。因此对测试场地和设施的评价也只能参照有关标准进行,其技术指标或条件也应按专用电磁兼容暗室的条件来衡量。

3 评定仿真暗室作为电磁兼容测试场地的主要内容

3.1 有关标准对电磁兼容测试场地的要求

一般而言,进行电磁兼容测试需要在专门的测试场所或场地进行,其理由在GJB2926-97《电磁兼容性测试实验室认可要求》中表述的很清楚:“在各项电磁兼容测试中,为了防止外界电磁干扰对测试的影响,以及防止测试时对外界造成干扰,应考虑测试场地与周围的电磁环境和物理环境的隔离[3]。”该标准还因此建议了四种测试场地(或测试装置),即屏蔽室、半电波暗室、横电磁波室及开阔测试场地。其中,屏蔽室和半电波暗室最为常用。

按设想的用法,现有仿真暗室可以按半电波暗室来使用,对其评价也应依据有关标准对半电波暗室的要求来进行。那么,评价现有仿真暗室是否适合用作电磁兼容测试场地,需要从那些方面来进行?以及如何进行评定呢?下面将予以详细分析。

3.2 仿真暗室的评定内容

应该依据有关标准,确定现有仿真暗室的评定内容。根据GJB2926-97《电磁兼容性测试实验室认可要求》中关于对半电波暗室的要求,评定现有仿真暗室主要应包括五个方面的内容[3]:

1)测试场地的尺寸

为了模拟实际测试场地的测试条件,场地尺寸应满足GJB152A-97《军用电子设备和分系统电磁发射和敏感度测量》中相关条目的要求[4]。

2)归一化场地衰减

若测量距离按3m、10m或30m设计,则测试场地区域内的归一化场地衰减与理论值的偏差应在±4dB之内[2～3]。

3)屏蔽效能

屏蔽效能是衡量暗室质量的重要特性之一,其屏蔽效能至少应达到[2,5]:

4)场均匀性

若按3m、10m或30m测量距离设计,则对测试空间场均匀性的要求为:在1.5m×1.5m假想垂直平面上75%的场强幅值偏差应在0～+6dB之内[2～3,6]。

5)吸波材料

对吸波材料的要求有两个方面,一是吸波性能,二是安全性能。对发泡型吸波材料的最低吸波性能要求为[3]:

频率 最小反射损耗(垂直入射)

对发泡型吸波材料而言,安全性能应满足GB2406和NRL report 8093中规定的要求[3]。

4 评定仿真暗室作为电磁兼容测试场地的主要方法

对现有仿真暗室的评定,应分成两个步骤进行。第一步,根据确定的评定内容,逐项进行分析或测试,得出分析或测试结果;第二步,根据所有评定内容的分析或测试结果,进行综合分析,最后给出评定结论。

4.1 各项内容的评定

对于确定的五项评定内容,应按一定的方法分别进行分析或测试,以期得到相应的分析或测试结果。

1)测试场地的尺寸

应根据被试品的物理尺寸、标准的测试配置要求以及选择的测试方法来确定能够满足测试要求的电磁兼容测试场地的最大空间尺寸[4]。这不应局限于仿真暗室设计时建议的电磁兼容测试场地大小,因为现有仿真暗室足够大,完全可以开辟更大的满足要求的测试场地空间。

图1 测试场地空间尺寸分析示意图

例如,若被试品的最大物理尺寸为10m×10m×5m,选择3m的测试方法,按照标准推荐的测试配置要求(见图1),可以估算出最小的测试场地的空间大小,长度为:0.3+10+3+0.3=13.6m,宽为:0.3+10+0.3=10.6m,高为:5+0.3=5.3m,也即13.6m×10.6m×5.3m的测试场地空间。

测试场地的尺寸确定以后,才能进行诸如归一化场地衰减和场均匀性等性能的测试和分析。

2)归一化场地衰减

归一化场地衰减(NSA)采用场地衰减多点测试的方法,它是在场地衰减单点测试的基础上,采用“测试空间”的含义,即最大被试品围绕其中心旋转360°所占据的空间[2～3]。具体测试方法为:发射天线如图2布置,分别在20个不同位置进行NSA测试。即在水平面内(暗室的地平面上)五个位置(中心、左、右 、前、后)二种(水平 、垂直)极化方式和二种高度(水平1m、2m;垂直1m、1.5m)进行测量。

所有测试应用宽带天线进行,并且以天线中心计算距离,发射天线和接收天线应使其轴线相互平行排列,并与测试轴线正交。

测试时,对于各个频率点,当发射天线在不同极化、不同空间位置上发射时,接收天线在1～4m的高度范围内扫描测试,记录下所测试场强的最大值,再利用该值代入式(1)求出该空间位置上的NSA。

式中,AN为NSA的测量值,VI为发射天线的源电压,VD为接收天线的终端电压的第一次读数,VS为接收天线的终端电压的第二次读数,AFT为发射天线系数,AFR为接收天线系数,Δ AFTOT为互阻抗修正系数,CT和CR为电缆损耗,单位均为dB。

3)屏蔽效能

GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》中关于屏蔽效能的测试是分三个频段进行的,这三个频段分别是:9kHz～16MHz、20MHz～300MHz和0.3GHz～18GHz[2,4]。在低频段(9kHz～16MHz),屏蔽效能的计算公式为:

其中,H1为无屏蔽室的磁场强度,H2为屏蔽室内的磁场强度。在谐振频段(20MHz～300MHz)和高频频段(0.3GHz～18GHz),屏蔽效能的计算公式为:

其中,E1为无屏蔽室的电场强度,E2为屏蔽室内的电场强度。具体测试方法参见标准。

4)场均匀性

测试场均匀性时,应首先在被试品所处区域确定一个假想的垂直平面,其面积定为1.5m×1.5m,离地面高度为0.8m[2～3,5],如图 3所示。

测试方法为:将这一假想的垂直平面均匀地划分为16个点,如图4所示,将场强传感器分别置于图上的每个点上,接收来自发射天线的场强(3～10V/m),发射天线与传感器的距离至少为1m或3m。

测试时,发射天线的放置位置应能使1.5m×1.5m面积处于发射场主波瓣宽度之内,若被试品表面大于1.5m×1.5m,则发射天线需在不同位置进行测试,从而使得被试品表面在一系列测试中能被覆盖。测试时,水平极化和垂直极化都应以不大于10%起始频率的步长进行测试并记录数据。

若这一确定的假想垂直平面满足场均匀性要求,则应有75%的点场强幅值偏差在0～+6dB之内(即测试的16个点中至少有12个点在允许范围之内)。在对测试的16个点结果的分析之后,剔除25%最大偏差的数据点(即16个点中的4个),保留点的场强偏差应在±3dB之内。

5)吸波材料

IEEE推荐的吸波材料吸波性能的常用测试方法有:拱形法、时域测试方法、密闭波导测试法和低频同轴反射法等。每种方法分别具有不同的适用情况,使用时应予以注意。比如,拱形法一般用在1GHz以上的频段,时域测试方法的适用范围是30MHz～1GHz等等。具体的测试方法可参阅相关文献,这里不再赘述。

现有仿真暗室选用的吸波材料均是泡沫型聚氨酯吸波材料,一共有四种尺寸,分别是 8″、12″、26″和36″的,对它们已经完成了 2GHz～ 18GHz频段吸波性能的测试,最小反射损耗(垂直入射)数值在40dB～55dB之间。因此,这个频段的吸波性能无需再重复测试,只需对30MHZ～2GHz频段的吸波性能进行测试即可。

对吸波材料安全性能的测试应按相关标准规定的方法进行。

4.2 仿真暗室的综合评定

除了对现有仿真暗室进行以上几项主要内容的测试和评定外,还应考查其它一些内容,如供电系统安全性、各种滤波器、通风波导和接地等。通过测量和求证,检验它们的符合性。另外,还应结合现有仿真暗室的实际,有针对性的进行分析和评定,如吸波材料低频性能较差、电磁兼容试验区无预置转台等问题。

由于泡沫型吸波材料在低频段的吸波性能较差,现有仿真暗室又没有铺设铁氧体,所以只是从测试得到的最小反射损耗数据来评价测试场地的低频段吸波性能,还不能对现有暗室是否适合开展相应的电磁兼容试验做出全面、合理的界定,还应结合现有暗室的其它方面来予以全面分析。如现有仿真暗室空间开阔,由于测试天线距离暗室侧壁较远,信号在空间的衰减较大,因此可以用信号的空间衰减来等效补偿吸波材料在低频段较差的吸波性能。如果经过分析研究,等效补偿过的某些频段的吸波性能仍不能满足相关要求,则还有两个方案可以选择,一是剔除这个频段的测试能力,即规定不能在这个频段进行相关测试;二是采取一定的措施,使这个频段的吸波性能满足要求,如临时搭建使用铁氧体材料的吸波墙等。

电磁兼容试验区位于仿真暗室地面中心区域,没有预置转台。为了满足电磁兼容测试的需要,最好是在电磁兼容试验区中心设置一个转台。但重新设置转台,会破坏仿真暗室原有结构,影响仿真暗室的性能及仿真试验的开展。为了解决这个矛盾,我们应从分析具体任务需求出发,来采取相应的解决办法。按试验等级,电磁兼容试验一般可分为设备、分系统级试验和系统级试验[7]。对于设备、分系统级试验,一般被试品的体积较小、重量较轻,可以使用移动式的小转台。需要时,搬进仿真暗室来,完成测试后,移出去即可。对于系统级试验,被试品较大,这时可不用转台,采取移动测试天线的方法进行。电磁兼容系统级试验,一般不需对被试品进行360°辐射或接收,只需对重点部位或方位进行即可,因此,没有转台,也可以开展系统级试验。

在对各项内容测试、分析和评定的基础上,综合各个方面的因素和影响,最后应给出现有仿真暗室用于电磁兼容测试场地的结论和建议,内容应包括现有仿真暗室作为电磁兼容测试场地的整体性能评价,用作电磁兼容测试场地的可能性评价,开展电磁兼容测试的适用范围(如测试项目、适用频率范围)描述,以及针对现有仿真暗室存在的特点和不足,提出一些建设性意见等。这些结论和建议可以为后续工作的开展提供相应的指导。

5 结语

近几年,有关被试品电磁兼容性的试验内容逐渐增多,而我们在研究和解决这方面问题上则缺乏相应的手段和条件,包括硬件设施条件和科研试验能力方面。为了适应科研试验任务发展的需要,积极进行以增强单位开展被试品电磁兼容性为主要内容的科研试验能力和基础设施建设,将显得尤为重要和迫切。本文从研究电磁兼容测试场地的角度出发,探索利用现有仿真暗室开展电磁兼容试验的可行性,并给出了评定现有仿真暗室作为电磁兼容测试场地的主要内容和方法。希望通过本文的分析,为今后科学合理地利用现有仿真暗室开展电磁兼容试验或测试提供有益的指导和帮助。

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[2]陈淑凤,马蔚宇,马晓庆.电磁兼容试验技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2001

[3]韦锦松,王素英,周开基,等.GJB2926-97电磁兼容性测试试验室认可要求[M].北京:国防科学技术工业委员会,1997

[4]曲长云,王素英,郭仕恩,等.GJB152A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[M].北京:国防科学技术工业委员会,1997

[5]陈世钢,蒋全兴,张戈,等.GB/T12190-2006电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法[M].北京:中国国家标准化管理委员会,2006

[6]韩玉峰,沈涛,张超,等.GJB6780-2009微波暗室性能测试方法[M].北京:总装备部军标出版发行部,2009

[7]吴彦灵,王桂华,胡景森,等.GJB1389A-2005系统电磁兼容性要求[M].北京:总装备部军标出版发行部,2005