一种新材料的电磁脉冲屏蔽效能测试方法

胡小锋，陈 翔，谢文强，张 龙

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

一种新材料的电磁脉冲屏蔽效能测试方法

胡小锋，陈 翔，谢文强，张 龙

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

提出了一种新的基于法兰同轴法的材料电磁脉冲屏蔽效能时域测试方法，测量了不同峰值和脉宽的标准方波脉冲源激励下加载屏蔽材料后的时域波形，计算了材料的频域屏蔽效能。将计算结果与法兰同轴法频域测试结果比较，分析时域测试方法的优缺点，提出了该方法的改进建议。测试结果表明，基于法兰同轴法的屏蔽效能时域测试方法，有很好的适用范围与重复性，能够提供比频域测试方法更多的细节信息。

电磁脉冲；屏蔽效能；时域测试；法兰同轴法

电磁脉冲是一种十分严重的电磁干扰源。电磁脉冲包括核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、超宽谱、静电放电、高功率微波等形式的瞬变电磁场，具有瞬时性、宽频带、高场强、作用范围大等特点，能够通过天线、孔缝、电缆等多种耦合途径对电子系统产生影响［1］。尤其是静电放电和高功率微波等纳秒级、亚纳秒级快上升沿脉冲电流形成的电磁脉冲场，对电子设备、系统的安全性乃至生存能力构成了严重的威胁。如何提高电子设备、系统在复杂电磁环境中特别是电磁脉冲干扰下的生存能力，已经成为电子设备、系统可靠运行的重要因素。各种屏蔽材料的使用是提高电子设备、系统电磁防护性能的重要措施。目前，随着各种新手段、新工艺的应用，屏蔽材料向着屏蔽效能高、频率范围宽、重量轻的方向发展，但是对于材料屏蔽效能的测试方法也仅限于标准规定的几种。目前，各标准规定及常用的材料屏蔽效能测试方法主要有屏蔽室窗口法和法兰同轴法［2］，都是在频域以扫频的形式进行。而对于材料电磁脉冲屏蔽效能的时域测试并不多，且大多是在参考现有测试标准要求的基础上改进的［3－5］。

笔者提出了一种新的基于法兰同轴法的材料电磁脉冲屏蔽效能时域测试方法，测量了不同峰值和脉宽的标准方波脉冲源激励下加载屏蔽材料后的时域波形，计算了材料的频域屏蔽效能。将计算结果与法兰同轴法频域测试结果比较，分析时域测试方法的优缺点，提出了该方法的改进建议。

1 法兰同轴法材料屏蔽效能测试系统

1．1 法兰同轴测试原理

法兰同轴法是利用同轴线中传播的横电磁（TEM）波模拟空气中远区平面波对材料试样进行屏蔽效能测试。把平板型被测试样置于两锥形同轴线的对接处，即可测量试样对平面波场的屏蔽效能。应用传输线理论分析其测试原理如图1所示。

其中Z0为传输线阻抗，ZL为试样阻抗，ZC为试样与传输线的接触阻抗，经分析可得材料的屏蔽效能为

按照常规制备试样测试要求ZC＜＜ZL，则：

图1 屏蔽效能测试原理

GJB6190－2008建议的法兰同轴法测试系统由矢量网络分析仪和同轴装置组成，采用扫频方式测试材料随频率变化的屏蔽效能。图2为材料屏蔽效能频域测试系统照片。

图2 材料屏蔽效能频域测试系统

1．2 材料时域屏蔽效能测试系统

为了测量材料的电磁脉冲屏蔽效能，在GJB6190－2008的基础上，搭建的基于法兰同轴法的材料电磁脉冲屏蔽效能时域测试系统，试验配置如图3所示。主要由方波脉冲源、法兰同轴装置和数字示波器组成。选用的方波源型号为NOISEKEN：INS－4040，上升沿＜1ns，脉宽在50～1 000 ns范围内可调；示波器型号为Tektronix：TDS7154B，带宽2 GHz，采样率20 GS／s。试验系统照片如图4所示。

图3 屏蔽效能时域测试系统示意图

2 材料时频域屏蔽效能测试结果

2．1 频域测试结果

试验选取了一种金属织物屏蔽材料进行测试。对材料按照图2所示进行频域测试，得到其频域屏蔽效能曲线，实验结果如图5所示。该种屏蔽材料在300 k Hz～1．5 GHz的频率范围内，屏蔽效能约50 dB。

图4 屏蔽效能试验设备配置

图5 材料的屏蔽效能曲线

2．2 时域测试结果

按照图4所示的实验系统进行材料屏蔽效能的时域测试，衰减器1为20 d B，25 W的衰减器，有材料时衰减器2为20 d B，无材料时衰减器2为40 d B。

为观察不同峰值下材料对电磁脉冲的屏蔽性能，固定方波脉冲的脉宽为100 ns，峰值取400，800，1 200，1 600 V，有无屏蔽材料时实验结果如图6a）和图6c）所示。为观察不同脉宽下材料对电磁脉冲的屏蔽性能，固定方波脉冲的幅值为1 000 V，脉宽为150，200 ns，有无屏蔽材料时实验结果如图6b）和图6d）所示。

图6 有无材料时不同峰值与脉宽下的时域波形

由图6可知，同轴装置未加载屏蔽材料时，方波脉冲源随着幅值与脉宽的增加逐渐失真，表现为平顶跌落加大和出现负过冲，这可能是由于方波脉冲源的原因引起的失真。从测试结果可以看出，加载屏蔽材料后，所测波型在上升沿处有一个过冲振荡，这将影响屏蔽效能测试结果。

3 数据分析

为比对时频域测试结果，选取一组脉宽100 ns，峰值400 V的一对屏蔽与未屏蔽的时域数据进行傅里叶变换到频域，然后计算其频域屏蔽效能曲线，所得结果如图7所示。可以看出与图7所示的频域测试结果比较吻合，大约50 dB左右。对不同峰值和脉宽的方波做相同数据处理，所得的屏蔽效能曲线与图7结果基本一致。特别是其中两组使用1 200 V和1 600 V方波脉冲源失真时的数据计算的屏蔽效能曲线也是一致的。因此，仅使用一组时域测量的数据即可以得到材料在一个宽频段的屏蔽效能，而且不同幅值与脉宽的方波脉冲对频域屏蔽效能的影响不大；同时也可以确定方波脉冲的失真是脉冲源的问题，但这并不影响对材料屏蔽效能的计算。

图7 时域测试得出的材料屏蔽效能曲线

从以上结果分析可知，采用电磁脉冲屏蔽效能的时域测试方法，不仅能够通过一次时域测量得到材料的频域屏蔽效能，而且能够得到比直接频域测试更多的关于材料对电磁脉冲屏蔽性能的细节信息。

4 结 语

1）基于法兰同轴测试法的时域屏蔽效能测试方法，能够简单迅速的进行测量，仅需一次时域测量即可以得到材料在宽频带上的频域屏蔽性能，而且能够得到比直接频域测试更多的细节信息。不同幅值与脉宽的方波脉冲对频域屏蔽效能的影响不大，在实验中选择较窄的脉宽和不高的幅值即可。

2）在满足标准要求，以及同轴线能够传输单模TEM的最高频率成分的条件下，适当缩小同轴测量装置的尺寸，可以提高同轴装置时域屏蔽效能测试结果的准确性。

3）利用该测试系统还可以研究强电磁脉冲作用下材料的电磁屏蔽效能，这是传统屏蔽效能测试方法不能实现的。

4）透射方波脉冲的上升沿过冲对时域屏蔽效能的计算有重要影响，下一步将重点研究过冲的影响因素，进一步优化测试系统。

［1］ 周璧华，陈 彬，石立华．电磁脉冲及其工程防护［M］．北京：国防工业出版社，2003．

［2］ GJB6190－2008，电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法［S］．

［3］ KOCH M，CAMP M，KEBEL R，et al．Protection properties of advanced textile shields determined in frequency and time domain［J］．International Zurich Symposium on EMC，2003（2）：16－19．

［4］ KLINKENBUSCH L．On the shielding effectiveness of enclosures［J］．IEEE Trans On Electromagnetic Compatibility，2005，47（3）：589－601．

［6］ HERLEMAN H，KOCH M．Measurement of the transient shielding effectiveness of enclosures using UWB pulses inside an open TEM waveguide［J］．Advances in Radio Science，2007（5）：75－79．

TM935．4；TN781

A

1008－1542（2011）12－0111－04

2011－06－20；责任编辑：王士忠

国家自然科学基金资助项目（61001050）

胡小锋（1977－），男，安徽绩溪人，讲师，博士，主要从事电磁防护方面的研究。