混响室法欠模状态屏蔽体屏蔽效能测试技术研究

彭光辉，周忠元

(东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189)

随着电子设备向着小型化、智能化方向发展，其电磁兼容问题也日益凸显[1-2]，正确评价屏蔽箱体的屏蔽效能显得尤为重要[3]。混响室可以产生统计均匀、各向同性、随机极化的电磁场[4-5]，能够很好地模拟电子设备实际所处的场环境。因此，混响室法屏蔽体屏蔽效能测试方法[6]研究已经成为当下热点。

IEEE STD 299.1-2013[7]规定使用嵌套混波室法测试小型屏蔽壳体屏蔽效能。当屏蔽壳体处于过模状态时，使用频率搅拌的方法对屏蔽体内部场进行搅拌以达到统计均匀的场环境，屏蔽效能测试与位置无关，可以在屏蔽壳体壁面安装单极子天线进行测试。随着频率的降低，屏蔽体壳体由过模转化为欠模状态[8]，由于腔体模式稀疏，频率搅拌方法不再适用[9]。对于该部分频段屏蔽壳体屏蔽效能测试，标准中对于测量天线及测量位置的介绍不够详细，主要存在以下问题：

(1)欠模状态下屏蔽体内的场呈现高度不均匀的场分布，内置天线无法通过单一位置来评估屏蔽体的屏蔽效能。目前解决的方法主要是将探头安装在壁面上敏感电路预期安装的位置，但是探头测量区域往往很小，需要多个位置测量；

(2)在过模状态下，单极子天线已经成功用于屏蔽体屏蔽效能测试，然而随着频率的降低，单极子天线输入阻抗与50 Ω系统严重失配，辐射和就接受接收效率低[10]，测量动态范围难以满足工程需要。

长线天线泛指在天线长度大于一个波长甚至几个波长的天线，一般由导线制成。Gregory B Tai等人利用长线天线测试欠模状态下屏蔽壳体屏蔽效能[11]，但是未将腔体谐振频率与屏蔽效能测量结果结合起来分析。

综上，本文分析了混响室法欠模屏蔽体屏蔽效能测试原理，在此基础上利用长线天线和单极子天线对欠模状态下屏蔽壳体屏蔽效能测试技术进行研究。

1 混响室法欠模屏蔽体屏蔽效能测试原理

1.1 谐振腔内模式分析

对于理想无损耗矩形谐振腔，腔内电磁场可能存在的模式及其对应频率可由式(1)给出

(1)

这里m、n、p为正整数，且至少有两个不为零；L、W、H为谐振腔体的长、宽和高；c为光速；f为工作频率，单位为Hz。

将式(1)变换成

(2)

这是一个与m、n、p有关的椭球体方程，其体积为

(3)

满足关系式(2)的m、n、p应在椭球体内。又因为m、n、p为非负整数，每一组m、n、p对应TMmnp，TEmnp两种模式[12]。

对于理想无耗谐振腔，谐振频率只发生在单频点处，谐振模式频谱分布是离散的。而实际谐振腔是有损耗的，谐振发生在某一个特定模式宽度fQ的频率内，在这样的带宽内模式谱将不在是离散的，这时，在这个带宽内的几个相邻模式相互重叠，可能有多个模式达到谐振。因此，当工作频率f很大时，腔内会存在很多种模式的电磁场[13]。

当谐振腔体达到60个模式时，腔体工作在过模状态，随着频率的降低，腔体谐振模式越来越稀疏。此时腔体处于欠模(稀疏模)状态，在第一谐振频率以下时，腔体内部不发生谐振。

于给定腔体内电磁场的模式数N，可以通过以下计算式近似计算[14]

(4)

当屏蔽壳体工作在第一谐振频率以下时，腔体内部不发生谐振，电磁场分布较为均匀；当屏蔽体处于欠模状态时，屏蔽体内部开始出现谐振现象，场分布统计规律不明确；当屏蔽体处于过模转态时，屏蔽体内现很多谐振波模，可以采用机械搅拌或频率搅拌等方式得到统计均匀的电磁场分布[15]。

1.2 基于S参数欠模屏蔽体屏蔽效能定义

屏蔽效能定义为无屏蔽壳体与有屏蔽壳体时内部探头感应电压之比。在利用矢量网络分析仪进行箱体SE测试时，将其2个端口分别与发射、接收天线相连。由于矢量网络分析仪测得的S21正比于接收天线区域处电场值的大小[16]。因此可以直接用S21参数的比值来计算屏蔽体屏蔽效能。

(5)

此定义突出屏蔽壳体的谐振状态，谐振时感应电压增大，导致电路失效，进而使电子设备处于危险状[7]。对于想了解如何减小敏感电路感应电压的设计者非常有用。

1.3 测试天线分析

当长线天线长度大于最低使用频率对应的波长时，可以将其看作一个行波天线。其输入阻抗主要由实部构成，虚部很小，在一个相对较宽的频段内输入阻抗变化相对较小，宽频段匹配特性较好。

单极子天线主要在其半波谐振频段处匹配相对较好，随着频率的降低，单极子天线阻抗实部减小，虚部迅速升高，阻抗严重失配。例如40 mm单极子天线，在f=1 875 MHz(λ/4=40 mm)时匹配较好，随着频率降低，阻抗严重失配。

2 实验测试

2.1 实验设备

本实验所用设备如表1所示。

表1实验设备Table 1.Test equipments

根据本实验被测屏蔽体的尺寸，由式(1)得屏蔽体第一谐振频率为f101=921 MHz，由式(4)得屏蔽体谐振模式达到60个时的频率为2.7 GHz。考虑喇叭天线起始频率为1 GHz，测试频段为1～3 GHz。

2.2 实验布置

在暗室中，按照图1所示布置实验设备，将VNA的1端口连接待测天线，分别测量长线天线与不用长度的单极子天线在自由空间的电压反射系数，并通过反射系数来对比不同天线的宽频段匹配特性。

图2为混响室内现场实验场景图，将VNA 的1端口连接发射喇叭天线，2端口连接箱体内测试天线。1号测量位置为箱体壁面中心位置，2号位置为箱体壁面上半部分中心位置，其中长线天线测量为1号位置，如图3所示。VNA参数设置如下：起始频率fmin=1GHz，终止频率fmax=3 GHz，扫描点数10 001，分别测量天线安装在箱体内部时的S21、S22数据以及天线直接在混响室内的S21数据。改变搅拌器的位置，重复测试，得到25个搅拌位置下的数据。

3 测试结果与分析

图4为在暗室中1.1 m的长线天线，20 mm单极子天线和40 mm单极子天线在微波暗室内测得的反射系数曲线。40 mm单极子天线在f=1.8 GHz(半波谐振)附近匹配较好，与前文计算基本一致；20 mm单极子天线半波谐振频率为40 mm单极子天线两倍，在f=3.6 GHz附近匹配较好。随着频率的降低，单极子天线阻抗失配严重，几乎处于全反射。长线天线在整个测试频段内相较于单极子天线整体匹配更好(除了单极子天线谐振点附近)，测试结果与前文分析一致。因此，在进行屏蔽效能测试时，利用长线天线测试时系统的动态范围要大于单极子天线。由于20 mm单极子天线在1～2 GHz匹配太差，因此以下仅对比40 mm单极子天线和1.1 m长线天线测量结果。

图5～图7为混响室内不同位置的单极子天线与长线天线在屏蔽体内部测得的反射系数曲线及计算得到的屏蔽效能曲线。反射系数曲线可以很好地反映腔体的谐振特性，曲线快速下降点即为腔体内部谐振引起。表2列出了腔体在1.8～2.2 GHz的谐振频率，共11个频点。对比图5～图7中S22曲线可以发现，40 mm单极子天线在1号位置几乎测不到腔体谐振，在2号位置时测试时在f=2.191 GHz频点处发生明显谐振，而长线天线在该频段总共测到9个明显谐振频点，谐振频点与表2中的谐振频率吻合良好。单极子天线由于采样位置单一，只能测得屏蔽体少数几个谐振点，而且不同位置单极子天线测得的谐振频率也不同。

表2屏蔽体1.8～2.2 GHz谐振频率Table 2.Resonant frequency between 1.8～2.2 GHz of enclosure

欠模状态下当耦合到腔体内部场发生谐振时，腔体内部场呈现驻波分布，当短单极子位于波腹位置时，能够测得明显的谐振；而位于波节处时，则测不到谐振点。这也解释了为什么单极子天线测得的腔体谐振频率与位置相关的问题。长线天线由于采集了腔体更多的位置，因此腔体内部大多数谐振频率都能被其检测到。

进一步对比图5～图7发现，天线测得腔体谐振频点对应屏蔽体屏蔽效能值快速下降点，而且两者吻合良好，这也说明了测试结果的准确性。

图8中对比40 mm单极子天线和长线天线屏蔽效能测量结果可以看出，长线天线测量结果整体要低于单极子天线，能够测到更多的屏蔽效能快速下降点。当电子设备位于腔体内部时，这些屏蔽效能快速下降频点使电子设备感应电压迅速升高，从而处于危险状态。因此利用长线天线来测量欠模状态腔体屏蔽效能，能够更好的反映腔体内部恶劣电磁状况。然而在一些频段处，如1.2 GHz附近，单极子天线测量屏蔽效能要低于长线天线测量结果，这有待进一步研究。

4 结束语

本文对谐振腔体模式进行了分析，分析了屏蔽体内部不同模式下的场分布情况。针对欠模状态下屏蔽体内部场分布不均匀，屏蔽效能测试结果与位置有关，且单一单极子天线测量难以反映屏蔽体屏蔽特性等问题，自制了长线天线来测量欠模状态屏蔽体屏蔽效能。测试结果表明，长线天线相较于单极子天线，在宽频段内具有更好的匹配特性。另外，由于长线天线采样位置更加充分，因此更能反映屏蔽体综合屏蔽效果，具有较好的工程意义。