电磁混响室场均匀性校准装置研制

朱传焕，张恒萍

(中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064)

0 引言

随着科学技术的不断发展，各种电气、电子设备已经得到广泛应用，电气、电子设备间的电磁兼容问题越来越引起人们的关注。电气、电子设备进行辐射敏感度和抗扰度的测试场地有很多，如电波半暗室、横电磁波小室、开阔试验场等，而近些年迅速发展起来的电磁混响室是电磁兼容性能测试的重要场地［1-2］。在具有极高品质因素的电磁混响室内，发射天线在较小的输入功率下能产生高达上百伏每米的场强，同时电磁混响室内有效工作区内功率密度矢量(幅度、相位、极化等)变化符合统计规律。

描述电磁混响室的性能参数主要有空间电场统计均匀性、搅拌效率、插入损耗、空间相关函数、负载因子和加载系数、腔室加载系数等，其中有效工作区内的空间电场统计均匀性直接影响电子设备电磁兼容性试验质量，因此电场统计均匀性是电磁混响室性能校准和设备试验的关键参数。配备机械搅拌器的电磁混响室有两种工作模式:离散步进方式和连续激励方式。由于连续激励方式下搅拌器连续激励转动，转速较快，对校准或测试所用仪器和设备的响应时间有较高要求。通常情况下，电磁混响室校准采用离散步进方式。在离散步进方式下，电磁混响室校准频点、搅拌器旋转步数较多，同时搅拌器旋转步数间隔要求足够长，以保证电磁混响室腔室内有效工作区得到稳定、具有符合标准要求统计均匀性的电磁场，同时兼顾仪器设备响应时间等因素，其结果使得电磁混响室电场统计均匀性校准耗时长、劳动强度大，因此研制频段宽、准确度高、通用、快捷的电磁混响室电场统计均匀性校准装置就显得尤为重要。

1 电磁混响室工作原理

电磁混响室主要由屏蔽腔体、搅拌器以及接收和发射天线三部分构成。在电磁混响室金属腔体内，发射天线将射频功率辐射出去，电磁混响室的金属内壁及搅拌器多次反射电磁波，在腔室内形成复杂的驻波，电磁场中具有大量模数的高阶波。由于金属内壁的反射致使某一点的幅度和相位不同，同时旋转搅拌器的不同状态改变了电磁混响室内部电磁场边界条件，在腔体内形成了具有较好的空间统计均匀性、各向同性和极化方向任意的电磁场。电磁混响室内搅拌器旋转时，电子设备处于一个功率密度矢量(幅度、相位、极化等)符合统计分布规律不断变化的电磁场中，接受辐射抗扰度和敏感度性能考核［3］。

具有高品质因素的电磁混响室在工作频率高于最低谐振频率而低于电磁混响室的最低可用频率时，电磁混响室内可以产生谐振，并在空间形成驻波，场均匀性较差;在工作频率大于电磁混响室的最低可用频率时，其激励的模数较多，电磁混响室内的空间均匀性与各向同性较好，伴以搅拌器的不同状态，其边界条件不断改变且相互独立，形成了独立的场分布结构，从而得到了较好均匀性的空间场分布。在电磁混响室内电磁场具有随机性，进行电磁兼容性测试和校准宜采用统计学规律进行分析评价。

2 校准仪器配置和校准方法

图1 为电磁混响室校准的仪器配置图，主要由信号发生器、功率放大器、双通道功率计、双定向耦合器、场强传感器、空间场强监测装置、发射天线、接收天线、计算机等组成。图中信号发生器输出信号经功率放大器放大后馈入发射天线辐射出去，发射天线的入射功率与反射功率采用双通道功率计及双定向耦合器准确测量;接收天线接收到的信号功率用功率计测量;8 个各向同性一致的场强传感器用于测量采集工作区的三向电场强度分量，获得的信号经光纤连接到空间场强测量装置上;信号发生器、功率计通过GPIB总线与计算机相连，空间场强测量装置通过RS232 串行接口与计算机连接;计算机用于数据处理以及有关仪器设备的控制。

图1 电磁混响室校准的仪器配置图

在空腔状态下，采用离散步进方式对场均匀性进行校准。校准前，根据腔室大小测算工作区大小和位置，并清空工作区，布置好发射天线、接收天线，8 个场强传感器(场强探头)安放在工作区8 个顶点校准位置。校准时，同时测量不同频率、不同搅拌状态下的各位置的X，Y，Z 三向电场分量，在一个搅拌周期内，每个搅拌器位置采用频率扫描方式确定，同时每个频率下驻留时间应足够长，每个频点的停留时间不少于1 s，还需兼顾校准设备的响应时间和搅拌器旋转间隔时间，并记录搅拌角度、功率、场强测量数据。校准完场后得出一个完整的搅拌周期内的输入功率、接收功率及每个轴向的最大场强值。

通过以上校准获得的数据，根据IEC61000-4-21《均匀性测量数据处理方法》进行处理并得到结果，根据结果判断电磁混响室是否满足场均匀性要求。

3 电磁混响室自动校准系统

电磁混响室校准涉及到的仪器较多，信号发生器、功率计、天线等市购，光纤式场强传感器、空间场强测量装置采用自研。

3.1 8 探头光纤式空间场强测量装置设计

空间场强测量装置包括传感器(探头部分、信号调理部分、数据采集A/D 转换部分、传感器CPU 部分、光电转换和电光转换部分、电池部分)、光纤线、数据接收处理单元(光电转换和电光转换部分、CPU部分、液晶显示器、电源部分)、8 路数据接口集线器、计算机。单个传感器原理示意图如图2所示，偶极振子为电磁波敏感部件，射频感应信号通过肖特基晶体检波器检波后，经高阻线至信号调理电路，对称信号变成单端信号后进行调理，再对X，Y，Z 三路信号进行A/D 转换，传感器的CPU 读取数据，进行数据处理、编码后通过电光转换和光纤传输，来到数据接收处理单元(单个数据接收处理单元如图3所示)，接收8 个传感器的数据后进行处理、显示，并通过8 路USB 集线器和串行接口与计算机通信，在计算机上显示、存储、打印。

图2 单个传感器原理示意图

3.1.1 场强传感器设计

为了避免对空间电磁场的扰动，场强传感器尺寸应尽可能小，同时尺寸越小，对电磁场的结构分辨力就越强。

图3 数据接收处理单元示意图

1)振子设计

近场传感器采用小电偶极子作为电磁场敏感部件，尺寸应尽可能小以减小对场的扰动。为避免在带宽内自谐振效应，偶极子采用电阻加载方式，可提高振子上限频率。X，Y，Z 三向偶极子采用斜式正交结构，两两振子均不在同一平面内，三向各向异性约为±0.5 dB。空间电磁场可表达为3 个正交分量的矢量和［4］:

三个正交偶极子的每一个偶极子感应信号幅度正比于X，Y，Z 分量中幅度平方，即

当三个偶极子完全一致时，kx=ky=kz，幅值与电场的指向无关，这种特性确保传感器各向同性。

采用斜式正交设计三维传感器偶极子。［5］偶极子根据需要，采用高阻线。采用高阻线频率响应优越，敏感度稍低。

2)检波器的设计

采用肖特基晶体二极管检波器。由于微波晶体检波管体积极小，长约0.4 mm，宽约0.2 mm，耐高温上限135℃，所以晶体检波管必须焊接在对称高阻振子之间，对称振子中间间距为0.3 mm，普通焊锡熔点为150 ～200℃，因此普通的焊接无法实现，必须采用特殊制作工艺。由于高阻线对电磁波的吸收和散射较小，在检波器和信号调理电路之间采用约20 cm 长的高阻线连接。

3.1.2 信号传输设计

在场强传感器和空间场强监测装置之间的信号传输方式采用光缆传输方式。

通过光纤传输到接收解调器，共16 路光纤传输数字信号，其中8 根光纤传输数据接收处理单元向传感器发送的控制信号，8 根光纤传输传感器发送数据接收处理单元的数字信号。该数字信号含X，Y，Z 场强编码信息。使用光缆传输，采用并行方式，测量速度大大提高;采用光纤传输，实现光电隔离，减小了对场的扰动。

3.1.3 场强传感器A/D 转换部分

单个场强传感器中采用24 位A/D 转换器，信号调理部分将X，Y，Z 三路信号中的小信号进行两级放大，倍数为9，第一级运算放大器A，B 为差分放大，放大倍数为3，第二级运算放大器C 为跟随器，第三级运算放大器D 为同相放大，倍数为3，小信号放大倍数为9，大信号放大倍数为3，以提高A/D 转换精度，转换电压范围为0.1 mV ～1.5 V，传感器中的CPU 接收X，Y，Z 路A/D 转换数据后进行编码处理，存入相应的寄存器，CPU 接收发送数据信号后，通过电光转换器发送数据，单个传感器数据从采集传输到DAC 输出时间应小于50 ms。

信号调理部分的电路X 通道如图4所示。图4 中，运算放大器A，B，C 构成仪用放大器，已形成集成电路芯片，美国AD 公司已于近年投放市场。仪用放大器将差分信号转变为单端信号，并具有信号放大作用，运算放大器D 将0.1 ～10 mV 的信号再放大3 倍，即0.1 ～10 mV 信号放大9 倍，10 mV ～1.5 V 信号放大3倍，由CPU 识别。

图4 信号调理部分电路(X 通道)

3.1.4 单片机设计［5］

为满足测量需要，系统硬件需满足数据采集、控制、通信、处理、存储等要求。

系统单片机包括主机(数据接收处理单元)和从机(传感器部分)，其核心是CPU。从机CPU 为89C52，主要由CPU 的RXD 接口接收主机的串行控制信号，并将其译码。晶振频率为12 MHz。主机CPU 为89C55 芯片，其片内带有20 kB 的EEPROM，其功耗低，正常运行电流约为20 mA(5 V)。晶振频率为12 MHz。

CPU 外围电路有复位电路、时钟电路等，主机部分还有显示电路。

3.1.5 数据接收处理单元

数据接收处理单元接收8 个传感器发送的X，Y，Z 信号编码信息进行解码，得到每个传感器的X，Y，Z 信号，进行信号处理、变换，得到每个传感器的X，Y，Z 场强和综合场强值，数字编码信号在主机CPU 中解码。

3.1.6 数据集线器和串行接口

8 路串行数据集线器通过接口和计算机通信，将8路数据采集传送到计算机，计算机进行分析处理。

3.1.7 传感器部分程序设计

传感器部分程序包括:初始化程序、数据采集程序(A/D 转换)、数据处理程序、数据编码程序、数据通信程序等，采用模块化设计，流程图如图5所示。

图5 流程图

3.2 空间电场均匀性测量系统程序设计

选用了VB6.0 编程语言编程。VB6.0 是可运行于Windows XP 平台上的可视化交互式集成开发环境，VB6.0 是面向对象的集程序界面设计、代码编辑、编译、连接和调试等功能于一体的开发工具。作为一种通用且功能强大的编程语言，应用广泛。场均匀性测量系统软件原理如图6，图7 为整个程序设计的控制图。

校准程序经过必要的编程，与仪器设备一起调试后，经过反复试验验证便可开始实施校准。通过自动校准，电磁混响室工作区8 个顶点位置场强同时进行测量、存储、处理，每个搅拌角度采用扫频方式自动校准，数据自动计算处理，工作效率至少提高3 倍以上。由于混响室频段宽(80 MHz ～18 GHz)，电磁场发射天线必须分频段实施，至少要分两个频段:80 MHz ～1 GHz 和1 ～18 GHz(分频段校准还要取决于功率放大器频段)。

图6 场均匀性测量系统软件模块原理图

图7 混响室校准电场均匀性自动校准软件控制图

4 结束语

空间场均匀性校准是电磁混响室性能校准的最重要参数，采用离散步进方式校准。在实际校准过程中，由于校准频带宽、校准步长多、空间点位多，因此校准数据处理量非常大。通过自动均匀性校准装置的研制，采用自动校准提高工作效率达3 倍以上，降低劳动强度，减少不确定因素。8 探头空间场强测量装置采用多探头、空间全向、光纤传输测量方式，频率范围为10 MHz ～18 GHz，幅度测量范围为0.5 ～200 V/m，频率响应允许误差在10 MHz ～3 GHz 频段为±1.5 dB，3 GHz以上为±2 dB，填补了国内宽频带辐射场强测量仪空白，其应用前景广阔。

［1］张林昌.混响室及其进展:上［J］.安全与电磁兼容，2001(4):2-8.

［2］张林昌.混响室及其进展:下［J］.安全与电磁兼容，2002(1):11-13.

［3］王晓伟，朱云.混响室校准及辐射抗扰度测试［J］.电声技术，2006(8):69-73.

［4］朱传焕.电磁环境监测系统设计［J］.计测技术.2005，25(1):12-15.

［5］朱传焕.多通道智能场强计的研制［J］.航空计测技术，1999，19(3):32-34.