混响室条件下的腔体屏蔽效能测试方法改进

刘逸飞，陈永光，程二威

（1.西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安710024；

2.北京跟踪与通信技术研究所，北京100094；3.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄050003）

混响室条件下的腔体屏蔽效能测试方法改进

刘逸飞1，陈永光2，程二威3

（1.西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安710024；

2.北京跟踪与通信技术研究所，北京100094；3.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄050003）

介绍了频率搅拌混响室法腔体屏蔽效能的测试原理与方法，在此基础上，对某开缝腔体的屏蔽效能进行了实测。针对测试中暴露出的单一频率搅拌测试精度不高这一技术难题，从提升样本容量角度出发，采用一种基于机械搅拌与频率搅拌相结合的复合搅拌方式，提升了搅拌带宽内的独立样本数量，降低了测试结果的不确定度。从数据处理方法入手，提出一种基于数字低通滤波获取混响室场量均值曲线的方法，在有效保留峰值信息的同时，能够获得较理想平滑的场量均值曲线，提升了数据处理的精确度。相比两种改进方法，前者需要与机械搅拌配合使用，适用较大腔体屏蔽效能测试；后者不必过多关心样本容量大小，且无需增加额外辅助测试设备，更具应用价值。

兵器科学与技术；混响室；屏蔽效能；频率搅拌；嵌套混响室；复合搅拌

0 引言

电子设备的屏蔽壳体既能够有效消除外部电磁干扰的威胁，又可以避免自身电磁波向外部泄露形成的电磁污染，其屏蔽能力直接影响着电子设备的电磁兼容性能，因此合理评价设备壳体的屏蔽效能（SE）尤为重要［1］。一般而言，基于散热、通风等需要，壳体开有的各种不同孔缝，这成为影响其屏蔽效应的主要因素，而电磁波穿透孔缝的能力与入射角度、极化方式有着极大的关系，传统电磁波垂直辐照腔体的SE测试结果能否表征其真实的电磁屏蔽能力存有疑问；并且腔体内部受谐振效应的影响，传统方法下箱体内部测试点的选取也不够合理［2］。

针对上述问题，利用混响室这一新兴的电磁兼容测试场地开展腔体SE测试成为当前的研究热点。混响室能够提供随机极化、各向同性的电磁环境，测试环境更加贴近腔体实际面临的电磁环境［3］，而基于统计意义的SE测试方法也能够有效避免谐振效应的影响，使得测试结果更加合理，这也使得混响室法腔体屏蔽效能测试技术成为当前评价腔体屏蔽能力的发展趋势，并受到国内外学者的广泛关注。

在国际上，IEC 61000-4-21标准给出了壳体SE的测试方法［4］，其原理是在测试腔体内部安装搅拌器，将其等效为一个小混响室，利用搅拌器的转动得到腔体内外的场强均值，但是小尺寸屏蔽体由于没有足够的空间安装搅拌器，使得该测试标准存在一定的局限性。针对这一问题，国内的程二威等于2009年提出了基于“多点平均”的SE测试方法，该方法利用箱体内部的导轨移动场强计，得到不同位置处的场强值，利用空间场强均值比计算其SE值，拓展了可测箱体的下限尺寸［5］。2007年Holloway等创新性的将混响室频率搅拌技术应用到腔体的SE测试中来［6］，由于无须在腔体内部安装额外的辅助设备，这种基于电学搅拌的测试方法有效地实现了对小尺寸箱体SE的测试，并极大地减少了测试所需时间。该方法一经报道，就引起了国内外学者的广泛关注与研究，随后有学者进一步提出利用安装在腔体内壁的单极子天线检测场强值，以降低可测箱体的尺寸［7］；也有学者提出将辐射源放置于箱体内部，通过内部频率搅拌、外部机械搅拌的方法，以获得更加均匀的场环境［8］。目前，频率搅拌技术应用于腔体SE测试已被国内外学者广泛认可，但测试方法不够完善，测试精度也不够高，IEEE 299工作组也一直致力于混响室环境下腔体SE的测试研究，但尚未发布最终版的测试标准。

频率搅拌为混响室条件下腔体屏蔽效能的测试开辟了一个新的技术途径，针对测试过程中暴露出的测试精度有待提高这一不足之处，本文从提高样本数量和改进数据处理方法两方面入手，提出了复合搅拌测试方法和基于滤波的数据处理方法，用于提高测试结果的精确度。两种不同的技术手段在提高混响室腔体SE测试精确方面均取得了显著效果，并具有一定的推广价值。

1 频率搅拌混响室法腔体SE测试

1.1 频率搅拌混响室法测试原理

频率搅拌的实现方式并不唯一，利用线性扫频信号激励混响室，不失为一种简便、快捷的实现方法，其在混响室法腔体SE测试中也得到了广泛应用。如果从激励信号的时-频特征加以分析，不难理解线性扫频方式的混响原理，激励信号输出的正弦波频率随时间线性变化，使得工作频率对应的品质因数带宽随之发生移动，因此品质因数带宽内的模式组合也会发生变化，最终导致多模叠加后的场环境随时间发生变化，从而在扫频带宽内形成统计均匀的场环境。如果将线性扫频搅拌方式与机械搅拌方式类比，机械搅拌方式依靠搅拌器的转动改变混响室的物理边界尺寸，而线性扫频搅拌方式则是依靠输出的正弦波不断改变混响室的电学尺寸，这在实现统计均匀场环境的功能上有异曲同工的效果。

将屏蔽腔体放置于混响室的测试区域，控制激励信号在一定带宽内扫频，可在外部大混响室内获得统计均匀场，此时将屏蔽腔体，视为一个小型混响室，耦合进入小混响室内的电磁波频率也会随激励信号的变化而变化，同样形成统计均匀场。通过对比搅拌带宽内大、小混响室的功率平均值，即可获得箱体的SE:

式中:Pi、Po分别腔体内、外部的功率值（用上标i、o区分屏蔽箱体内、外部的数据，下同）；〈·〉代表对搅拌周期内的数据取平均。这就是频率搅拌嵌套混响室法箱体SE的测试原理。

根据线性扫频搅拌方式的特点与SE的定义，可利用矢量网络分析仪（VNA）实现频率搅拌混响室法腔体SE测试。将VNA的两个端口P1、P2分别与发射、接收天线相连，收、发天线间的散射参数S21（S21为接收功率与入射功率的比值）与混响室场值呈正比（比例系数这里不做讨论），因此可通过对S21参数的测量实现腔体SE的计算。基于VNA的频率搅拌混响室法腔体SE测试方案如图1所示。

图1 频率搅拌混响室法箱体SE测试布局Fig.1 Setup of enclosure SE test using frequency-stirred RC method

将辐射天线置于外部大混响室，利用VNA分别测量屏蔽腔体内外部的散射参数和，因此箱体的SE表达式可改写为

测试过程中，受屏蔽腔体体积等限制，通常会在腔体内部采用小型接收天线。由于天线效率不同，同样场环境下不同天线测得的S21参数不同，导致测试结果失真，此外即使同一天线在不同频段内的天线效率也不尽相同，因此为消除天线效率的影响，可将其归一化［9］。天线效率η定义为天线辐射功率与入射波功率的比值，描述为η=1-|S22|2，S22为天线馈源端口的反射功率与入射功率的比值。根据天线的互易定理可知，归一化后的S21理论均值〈C21〉为

因此修正天线系数影响后的腔体SE计算式可写为

1.2 试验测试与结果分析

根据1.1节中的测试方案，在某大型混响室内对体积为1 m×0.8 m×0.7 m箱体SE开展测试试验。测试箱体的最大面开有20 cm×4 cm大小的缝隙，将其视为小混响室时，其起始工作频率约为900 MHz.网络分析仪N5230A工作频带20 MHz～20 GHz；收、发天均采用喇叭天线，其工作频带1～18 GHz.试验场景如图2所示。

图2 箱体SE实测场景图Fig.2 Scene graph of enclosure SE test

试验中设置VNA的输出功率5 dBm，扫频间隔5 s，分别测试1～10.6 GHz下大、小混响室内的S21参数，图3给出了对应的测试结果。从图3中可以看出，随着频率的变化，S21参数围绕某一均值上下波动，证明了频率搅拌调节场环境分布的有效性。参考频率搅拌方式下搅拌带宽大小的选取原则，这里取100个样本数据进行平均，并将其视为中心频率点下混响室的均值场强，据此可以得到图3中所示的较为平滑的S21均值曲线。

由于试验选取的受试天线均为喇叭天线，因此无需考虑天线效率对SE结果的影响，可直接利用（2）式计算箱体的SE值。图4给出了箱体SE的测试结果，从图中可以看出，在该测试频段内，箱体的SE基本稳定在15 dB左右。如果将SE测试曲线的局部放大，能够看出该曲线存在很多细小的毛刺并不平滑，如同添加了噪声一般，噪声幅值大小约为3dB.

针对该问题，如果增大频率搅拌的带宽，选取更多的样本数据平均，获得的电场均值将愈加趋近于理论值，使得均值曲线更为平滑，然而增大搅拌带宽势必会造成测得的SE曲线失去某些峰值信息，因此单一频率搅拌在SE测试精度方面存在一定的局限性。因此本着提高测试精度的原则，有必要对该问题做进一步的研究，并加以改善。

图3 S21参数测试曲线Fig.3 Curves of test parameters S21

图4 SE测试结果Fig.4 SE test result

2 基于复合搅拌的测试方法改进

在搅拌带宽不变的前提下，可以减小扫频间隔获取更多的样本数据，然而过小的扫频间隔很容易导致样本数据彼此相关，而这在统计学中是不允许的。为此，首先想到采用增强搅拌效率的技术手段，用于扩大带宽内的独立样本数量，以获取更为精确的场量均值。

2.1 复合搅拌及其搅拌效率分析

搅拌效率可由一个搅拌周期内提供的独立样本数量来衡量，样本是否独立则由彼此间的相关性系数决定。前期的研究结果表明，混响室在机械搅拌方式下，单一搅拌器的搅拌效率要明显弱于水平搅拌器与垂直搅拌共同工作时的搅拌效率，并且随着二者转速比的提升，搅拌效率增强。

对上述现象进行深入分析，两搅拌器共同转动时，提供了更为丰富的搅拌位置组合，使得边界条件改变方式更为丰富，因此两搅拌器共同转动时的搅拌效率势必高于单一搅拌器转动。当搅拌器的转速比提升时，转速快的搅拌器旋转完一周提供了全部的独立样本数据，而转速慢的搅拌器因只提供了一部分独立样本数据。因此可以假设一种理想情况，即慢搅拌器只步进一个独立搅拌位置时，快搅拌器就旋转完毕一周，当慢搅拌器转动一周完毕后，能够提供的所有独立搅拌位置均会出现，此时提供的独立样本数据最大，搅拌效率也达到最高。假设混响室内有M个搅拌器，每个搅拌器能提供的独立样本数据量为Nind（m），理论上机械搅拌方式能够提供的最大独立样本数量为

基于上述分析，可以借鉴多个搅拌器工作在不同转速下提供的不同边界条件组合位置的思想，采取一种机械搅拌与频率搅拌相结合的复合搅拌方式，从而在不增大搅拌带宽的前提下增大独立样本数量。复合搅拌的具体实现方法如下:机械搅拌器工作在步进搅拌方式，在不同的步进位置下，激励源采用线性扫频搅拌方式激励混响室从而实现复合搅拌［10］。假设搅拌器步进M个独立的搅拌位置，每一个搅拌位置下的频率搅拌所能提供的独立样本数量为Nind（m），因此复合搅拌能提供的最大独立样本数量为

显然这种复合搅拌相对单一频率搅拌，可提供的独立样本数量将随搅拌器的步进数成倍提升，这将大大提升搅拌带宽内的独立样本数量，进一步降低场量均值曲线的测试误差。

2.2 复合搅拌SE测试与结果分析

基于复合搅拌方式开展腔体的SE测试，需要在被测腔体内部安装搅拌器，以保证嵌套小混响室内同样能够实现复合搅拌。为此，在1.2节的被测腔体内部安装了一个小型的垂直搅拌器，搅拌扇叶宽为15 cm，高为80 cm，由安装在箱体顶部的步进电机控制转动，搅拌器结构如图5所示。

图5 被测腔体搅拌器Fig.5 Mechanical stirrer in test enclosure

在复合搅拌方式下，设置大、小混响室内的搅拌器每次步进角度为20°，搅拌器相对初始位置转动5次，每个步进位置下均进行频率搅拌。因此共获得复合搅拌方式下的6组测试数据。对总的样本数据进行处理，图6给出了复合搅拌方式下箱体内、外部的S21均值曲线，并将其与单一频率搅拌测得的S21均值曲线进行了对比。从图6中可以看出，复合搅拌方式下的S21均值曲线在很好地保留峰值信息的同时，较原始数据平滑了许多，通过局部放大图可以看到，平滑掉的“噪声”误差能达到1.5 dB，取得了很好的效果。

图6 频率搅拌与复合搅拌下的S21均值曲线Fig.6 Mean curves of S21tested by frequency and combined stirring modes

图7给出了复合搅拌方式下的箱体SE测试曲线，同样与原始的SE测试曲线进行了对比，可以看到复合搅拌下的SE曲线同样要好于原始测试曲线，大部分噪声被平滑掉了。这证明了复合搅拌方式在改善测试精度方面的有效性，具有较强的工程实践意义。

图7 频率搅拌与复合搅拌下的箱体SE曲线Fig.7 SE curves tested by frequency and combined stirring modes

3 基于滤波的数据处理方法改进

复合搅拌方式增加了样本数量，降低了测试的不确定性，有效改善了SE曲线的平滑度。然而该方法需要为腔体安装搅拌器，一方面增加了测试难度，另一方面也不适用于小尺寸腔体的SE测量。因此考虑是否可从数据处理方法入手，在有限量样本数据的基础上，获取更为精确的场量均值曲线。

3.1 传统数据处理与递推平均滤波等效性分析

如果从工程测试的角度进行分析，假设电场均值曲线是所关心的被测信号，混响室内电场值在各种搅拌方式下沿场量均值上下波动，使得“场均值”这一有用信号被淹没在了人为搅动起来的“噪声”之中［11］。在频率搅拌方式下，对于一组基于线性扫频的测试数据，将每一个采样频点都视为中心工作频率，并取相邻带宽内的数据取平均，即可获得混响室内电场均值随频率变化的一条连续曲线。而这种对“场均值”的处理方法，实际上是电子工程领域常用的一种降噪方法，即“递推平均滤波算法”。递推平均滤波算法又称滑动平均滤波法，对连续的采样数据，取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入到队尾中去，并扔掉队首的一个数据，即先进先出原则。然后把队列中的N个数据进行算数平均运算，即可获得滤波结果。

根据上述分析，如果将场值的波动视为干扰噪声，利用滤波手段对采集到的样本数据进行处理，并滤除掉噪声部分，那么所关心的“场均值”曲线就能够被很好地还原出来，因此选用一种比递推平均滤波更合适的滤波方法来处理数据，势必能够更好地减小测试误差。

3.2 基于有限冲击响应数字低通滤波的测试结果分析

除递推平均滤波法外，目前常用的一些数字滤波算法还有中位值平均滤波法、加权递推平均滤波法、1阶惯性滤波法等。这些方法虽较前者均有一定的改进，然而相对于具有非零搅拌带宽的频率搅拌方式而言并不适用，因为频率搅拌不适于提供更多样本数据进行平均。对采集到的样本曲线进行特征分析可知，所关心的“场均值”曲线相对平缓，其频谱相对被搅拌起来的噪声信号频率要小很多，因此可设计合理的数字低通滤波器，在滤除掉高频噪声的同时，有效保留想要的低频“场均值”信息。

低通滤波器的种类多种多样，特性也不尽相同，有限冲击响应（FIR）滤波器是数字信号处理中最常用的一种滤波器，且Matlab中的滤波工具箱方便对FIR滤波过渡带等参数的修改和设计，这里通过设计FIR数字低通滤波结合汉明窗对原始测试数据进行处理，低通滤波后的处理结果如图8所示，图8中同时给出了递推平均滤波得到的均值曲线。从中可以看出，采用低通滤波方式获取的S21均值曲线有效的滤除掉了更多的噪声部分，在保持均值波形不变、保留峰值信息的前提下，极大地平滑了测试曲线。

图8 低通滤波处理的S21均值曲线Fig.8 Mean curves of S21processed by low-pass filter

在此基础上，图9给出了采用该数据处理方法得到的箱体SE曲线，并取得了令人满意的效果。

利用低通滤波的数据处理方法，能够更加准确地获得电场的均值曲线，这使得研究人员在频率搅拌SE测试中，不必过多地关注搅拌带宽，理论上来讲，只需保证扫频间隔足够小（采样率足够高），即可还原得出电场均值曲线。该方法无需增加测试系统的复杂度和测试的工作量，很好地保留了频率搅拌的测试优势，因此在一定程度上来讲，该方法相比复合搅拌方式的应用空间更为广阔，并更具推广价值。

图9 低通滤波处理得到的SE曲线Fig.9 SE curves processed by low-pass filter

4 结论

本文对频率搅拌混响室法腔体SE的测试原理进行了阐述，针对试验测试中暴露处的单一频率搅拌方式测试精度不高的技术难题，提出了基于复合搅拌的腔体SE测试技术，与一种基于数字低通滤波的数据处理方法，用于改善混响室条件下腔体SE的测试精度。两种方法均起到了较好的效果，并得到了以下结论:

1）频率搅拌技术能够很好地用于混响室条件下的腔体SE测试，较传统的机械搅拌方式测试方法，在简化测试系统的同时大大的缩短了测试时间。

2）复合搅拌腔体SE测试方法在不增大搅拌带宽的基础上，可成倍提升独立样本数量，进而减小均值估计区间，提高测试精确度。但该方法需要机械搅拌配合使用，适用范围受到限制。

3）基于FIR数字低通滤波的数据处理方法在还原均值信号波形与保留峰值信息的同时，能够获得较理想的平滑均值曲线，提升了数据处理的精确。该方法无需过多关心样本容量，且不受腔体体积的限制，在混响室法腔体SE测试中更具应用与推广价值。

（References）

［1］ 郎为民，姜斌，张云峰，等.电磁屏蔽原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2009.LANG Wei-min，JIANG Bin，ZHANG Yun-feng，et al.Electromagnetic shielding principles and applications［M］.Beijing:China Machine Press，2009.（in Chinese）

［2］ 刘逸飞.混响室频率搅拌技术及其在屏蔽效能测试中的应用研究［D］.石家庄:军械工程学院，2014. LIU Yi-fei.Research on frequency stirring technology and its application on shielding effectiveness test in reverberation chamber［D］.Shijiazhuang:Ordnance Engineering College，2014.（in Chinese）

［3］ 王庆国，贾锐，程二威.混响室连续搅拌工作模式下的辐射抗扰度测试研究［J］.高电压技术，2010，36（12）:2954-2959. WANG Qing-guo，JIA Rui，CHENG Er-wei.Test methods of radiated immunity in reverberation chamber with continuously moving stirrer［J］.High Voltage Engineering，2010，36（12）:2954-2959.（in Chinese）

［4］ IEC 61000-4-21 Electromagnetic compatibility（EMC）-part 4-21: testing and measurement techniques-reverberation chamber test methods［S］.Geneva，Switzerland:IEC，2011.

［5］ 程二威.混响室内尺寸屏蔽体屏蔽效能测试方法与实验研究［D］.石家庄:军械工程学院，2009. CHENG Er-wei.The research on testing method and experimental investigations of shielding effectiveness of small enclosures within reverberation chamber［D］.Shijiazhuang:Ordnance Engineering College，2009.（in Chinese）

［6］ Holloway C L，Ladburry J，Coder J，et al.Measuring the shielding effectiveness of small enclosures/cavities with a reverberation chamber［C］∥IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Honolulu，US:IEEE，2007.

［7］ Marvin A C，He Y H.A study of enclosure shielding effectiveness measurement using frequency stirring in a mode-stirred chamber［C］∥2008 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Detroit，US:IEEE，2008.

［8］ Greco S，Sabrina M.Hybrid mode-stirring technique for shielding effectiveness measurement of enclosures using reverberation chambers［C］∥IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Honolulu，US:IEEE，2007:2266-2271.

［9］ 陈永光，刘逸飞，王庆国，等.频率搅拌嵌套混响室法箱体屏蔽效能计算与测试［J］.高电压技术，2014，40（9）:2699-2405. CHEN Yong-guang，LIU Yi-fei，WANG Qing-guo，et al.Computation and measurement of enclosure shielding effectiveness using nested reverberation chambers in frequency-stirred mode［J］.High Voltage Engineering，2014，40（9）:2699-2405.（in Chinese）

［10］ 刘逸飞，陈永光，王庆国，等.混响室复合搅拌方式的搅拌效率分析［J］.强激光与粒子束，2013，25（4）:963-967. LIU Yi-fei，CHEN Yong-guang，WANG Qing-guo，et al.Analysis of stirring efficiency in reverberation chamber with combined stirring［J］.High Power Laser and Particle Beams，2013，25（4）:963-967.（in Chinese）

［11］ Corona P，Latmiral G.Reverberation-chamber research-then and now:a review of early work and comparison with current understanding［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2002，40（1）:87-93.

Improved Test Method for Shielding Effectiveness of Enclosures in Reverberation Chamber

LIU Yi-fei1，CHEN Yong-guang2，CHENG Er-wei3
（1.National Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，Shaanxi，China；2.Beijing Institute of Tracking and Technology，Beijing 100094，China；3.Electrostatic and Electromagnetic Protection Institute，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China）

The principle of testing the shielding effectiveness（SE）of enclosures in reverberation chamber（RC）using frequency-stirred method is introduced briefly.Based on this，the shielding effectiveness of a slotted enclosure is measured.As to the low metering accuracy exposed in test，a combined stirring test technology is proposed，which can significantly increase the sample size in stirring bandwidth，thus reducing the uncertainty of test result.A new method based on digital low-pass filtering is presented to get the mean curves of electric field.The proposed method can effectively retain the peak information and obtain the desired smooth of electric field，so it enhances the accuracy of data processing.Compared with the two method，the combined stirring test method needs to combine mechanical stirring with frequency stirring，which is more suitable for large cavity test.The digital low-pass filtering is careless of the sample size and does not need additional test equipment.

ordnance science and technology；reverberation chamber；shielding effectiveness；frequency stirring；nested reverberation chamber；combined stirring

TM152

A

1000-1093（2016）07-1245-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.07.012

2015-06-09

国家自然科学基金项目（51107147、51177174）；西北核技术研究所预先研究项目（11131501）

刘逸飞（1985—），男，助理研究员，博士。E-mail:liuyifei@nint.ac.cn