试验品附属设备金属外壳对电磁兼容测量结果的影响

陈虹财

北海市产品检验检测中心 广西北海 536000

电磁兼容应用十分广泛，几乎所有的现代工业包括通信、军工、计算机等都必须解决电磁兼容问题。各国这一领域的科学工作者也经过多年的努力，研发出先进的电磁干扰测量设备，如Keysight的射频信号源和频谱分析仪、Rohde&Schwarz的接收机、Schwarzbeck的抗干扰能力（EMS）发射天线等。同时也制定出相应的测量方法，如DINEN55022-2011、EN55013-2013等。在IEEE出版的《Effects of test table materials for EMC measurement above1GHz》论文中也分析了木材、泡沫塑料和空气等台面材料对频率在1GHz以上范围的电磁兼容测量结果的影响[1]，但是，目前的检测方法及前人的研究结果尚无对试验品附属设备金属外壳做出明确规定或分析，这个问题如不引起足够重视将会导致测量结果的误判。本文在十米法的半电波暗室环境条件下，从试验品附属设备金属外壳入手对测量结果的准确性评价进行研究，得出了试验品附属设备金属外壳对测量结果有明显影响的结论，对产品电磁兼容测量结果准确性评价有极好的参考价值。

1 十米法半电波暗室及测量系统

1.1 十米法及半电波暗室

信号源的电磁干扰测量实验是在十米法、半电波暗室环境条件下进行的，布置框图见图1，实际的电磁兼容测试场地见图2。

图1 布置框图

图2 电磁兼容测试场地图

1.2 测量系统

测量系统包括：待测物转台、天线架（天线升降塔）、双通道控制器等。

2 实验方法及设计

2.1 实验设计

本实验电磁波信号以辐射场的方式在十米法的半电波暗室暗室中传播，并垂直入射到接收机天线。试验品为4GHz的射频信号发生器，外接附属设备有功率放大器、直流电源（试验品附属设备）等。其中直流电源的外壳为金属材质。实验现场按照GB/T 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》中要求布置[2]，试验品放到试验台中央位置。由于需要给射频信号发生器进行供电，需将直流电源与信号发生器连接好，并一同放置在实验现场。实验过程中，直流电源分别摆放在试验台左上角和右上角位置，然后在进行参数设置操作。

2.2 实验步骤

对射频信号发生器进行电磁兼容测量，将直流电源置于试验台左上角和右上角，然后分别测量并记录实验数据，其具体实验步骤如下：

将直流电源置于试验台左上角。

（1）给射频信号发生器供电。

（2）设置射频信号发生器的输出频率和输出功率。

（3）将接收机天线调到最佳接收状态。

（4）测量辐射值，并记录数据。

（5）将电源设备置于试验台右上角，重复步骤（2）到（5）。

2.3 实验结果

2.3.1直流电源摆放在试验台左上角的测量结果

试验品1#、2#输出的射频信号频率为4.4GHz，输出功率为5dBm，对射频信号发生器供电的直流电源摆放在试验台的左上角，射频信号发生器输出不外接功率放大器的情况下，测得的辐射值，如表1所示。

表1 左上角的辐射值

2.3.2直流电源摆放在试验台右上角的测量结果

试验品1#、2#输出的射频信号频率为4.4GHz，输出功率为5dBm，对射频信号发生器供电的直流电源摆放在试验台的右上角，射频信号发生器无外接输出功率放大器的情况下，测得的辐射值，如表2所示。

表2 右上角的辐射值

3 试验结果分析

3.1 误差分析

表1和表2为同一个试验品的测量结果，即把直流电源分别放置在试验台左上角和右上角，在相同的频率下，测量出的辐射值，明显存在较大误差。水平方向和垂直方向绝对误差都大于3dB（uV/m）。从辐射值数据结果来看，直流电源摆放在左上角的辐射值要比在右上角的辐射值小。

3.2 影响测量准确度的因素

为了明晰导致上述测量误差的因素，我们的初步判断是射频电磁波辐射附属设备金属外壳上造成二次同频电磁辐射到接收机天线所致。为此，这里引入微波射频信号多径辐射理论展开讨论[3]。

（1）首先将电磁波辐射到接收机天线的路径用图3加以展示。图3是射频信号的电磁波E+或H+通过空气（媒质1）垂直入射到金属外壳边界面上（媒质2），这个界面用xy平面表示。并假设媒质2是理想导体，电导率γ为无穷大。那么，电磁波不能穿过该媒质而形成反射。

图3 电磁波垂直入射与反射

式(4.2.1)和式(4.2.2) 中的字母右上角的“+”为入射波，“-”为反射波，+mE和-mE是边界条件确定的常数，j为媒介表面电流密度，β为相位系数，z为常数，η为媒介的本征阻抗。

两个方向相反的行波合成的结果形成了驻波，而根据右手螺旋关系，还要考虑坡印廷矢量进来，在分界面左方媒介1中的平均坡印廷矢量为：

可见，驻波不能传输电磁能量，而只存在电场能和磁场能的相互转换。因此，在这种情况下，信号能量反馈不到接收机天线，不会引起测量误差。

（2）其次是射频信号的电磁波E+或H+通过空气（媒质1）以一定的斜角入射到金属外壳边界面上（媒质2），见图4。此刻，电磁波辐射作用在媒介2上，会产生平行极化或垂直极化分量。这里以平行极化波的斜入射为例进行分析。

图4 平行极化波的斜入射

从式（4.2.4）可以看出，斜入射到附属装置壳体的电磁波经折射后作用在接收机天线上将产生干拢信号，斜入射角的不同，接收机天线上产生干拢信号幅值是不同的。由此可知直流电源摆放在试验台左、右上角的位置，造成射频信号发生器与附属设备金属外壳有一定的角度，致使射频信号会以一定的斜入射角方向在附属设备金属外壳上形成二次同频电磁辐射到接收机天线，且不同角度，二次同频电磁辐射值也不同，从而导致测量结果出现偏差。

3.3 消除干扰的方法及技术措施

经上述分析得知，影响测量准确度的因素是射频电磁波辐射附属设备金属外壳上造成二次同频电磁辐射到接收机天线。为此，采取如下措施：

第一，附属设备金属外壳与十米半电波暗室的金属地板连接（即接地），然后敷设吸波材料；

第二，对试验品供电线路增加屏蔽；

第三，试验品和附属设备摆放位置要在一条水平线上。

通过采取这些措施，能有效消除试验品附属设备金属外壳引起的二次电磁波辐射到接收机天线造成的测量误差[4]。

4 结语

通过对试验品附属设备金属外壳引起在十米法的半电波暗室进行电磁兼容测量造成误差的原因进行了实验和理论分析研究，试验品附属金属外壳的摆放位置会对测量准确性有影响，引起误差达到3dB(uV/m)～4dB(uV/m)。必须加以重视，避免金属外壳二次电磁波辐射造成测量结果偏差，导致测量结果误判。