电波暗室归一化场地衰减测试的优化

周毅，李军，徐晓光，张栋，周海波，吴绍精，李滢舟

（1.深圳海关工业品检测技术中心，深圳 518067； 2.深圳市检验检疫科学研究院，深圳 518045）

引言

由于自然界中电磁噪声的广泛存在，电波暗室成为电磁兼容辐射骚扰和抗扰度测试的重要替代场地[1]。按照不同的内部结构，暗室划分为全电波暗室和半电波暗室。全电波暗室用于模拟自由空间，半电波暗室比全电波暗室多一块反射面，用于替代开阔场测试。

为了判断电波暗室是否适用于辐射骚扰测试，归一化场地衰减（NSA）被用作衡量电波暗室场地性能的重要指标。该指标同时适用于全电波暗室和半电波暗室[2]。其他几个指标包括场地电压驻波比、场均匀性和背景噪声。NSA是电波暗室的核心评价指标，其结果决定了暗室的场地性能以及是否适合用于辐射骚扰测试[3]。

目前实验室对电波暗室普遍采用宽带天线进行场地验证，在NSA的计算中，有的只考虑了互耦因子，有的将互耦因子假设为零，这就影响了场地验证的测试结果，也增加了辐射骚扰的测量误差。本文使用特定几何校正因子（GSCF）对NSA测量结果进行优化，以提高暗室场地验证的准确性，同时减小辐射测量误差。

1 归一化场地衰减测量原理

归一化场地衰减是场地有效性指标，只是说明该场地是否适合用来做辐射骚扰测试，并不是说NSA符合条件的实验室做出来的测试数据具有相关性。中美两国的检测机构就曾对本国检测机构的电波暗室进行过比对实验，发现同样测试距离的实验室，场地都满足NSA要求，但是对同一样品得到测试结果却表现出高度的离散性，测试结果可能相差很大。

按照ANSI C63.4-2014的定义，场地衰减（SA）是指在指定的天线极化、天线间隔以及电磁反射平面以上高度的条件下，一个匹配、平衡、无损的调谐偶极子辐射器的输入功率与其类似的匹配、平衡、无损的调谐偶极子接收天线的输出功率之比。归一化场地衰减则是指场地衰减除去收发天线系数之后剩下的部分[4]。

NSA的评价方法已经很成熟。1982年，Smith等人首次提出了NSA理论计算模型[5]。

式中：

NSATH—NSA理论值；

fm—频率；

EDMAX—天线最大接收场强。

NSA的测量方法是对测试空间中的5个位置，2种天线高度和2种天线极化状态下进行测试。依据ANSI C63.4a-2017[6]，对于调谐偶极子天线，NSA用式（2）计算：

对于其他天线（如双锥天线和对数周期天线），测量结果用式（3）计算：

式中：

VDIRECT—线缆直连时接收机的电压读数；

VSITE—收发两端分别连接收发天线时接收机的电压读数；

AFT—发射天线系数；

AFR—接收天线系数；

△AFTOT—互阻抗校正因子；

GSCF—特定几何校正因子。

将测量结果与理论值相比较，如果所有情况下测得的结果与理论值偏差在±4 dB之内，则说明该场地的NSA指标符合场地要求。

2 特定几何校正因子

如果场地验证时使用调谐偶极子天线，则NSA的计算要用到互阻抗校正因子△AFTOT。由于收发天线之间的近场耦合作用，在测试距离为3 m的时候，该因子必须要考虑，在其他场合中该因子可忽略不计。

如果场地验证时使用的是其他天线，如双锥天线和对数周期天线，则NSA的计算要考虑使用特定几何校正因子GSCF。GSCF是在一个特定几何结构中测得的参数，用于对场地衰减结果进行修正。该参数综合考虑了近场电磁场的影响，接收天线受到的非均匀照射，收发天线之间的互耦，以及天线与地板之间的互耦等因素[7]。

在30～200 MHz测试频率范围内，使用双锥天线进行场衰减测量必须要考虑GSCF因子。因为在这个频率范围内，用双锥天线来计算天线系数会产生固有误差，最大可达到0.49 dB。在进行场地验证时，这个固有误差又会导致最高达2.39 dB的NSA测量误差。因此，通常用GSCF来修正这个误差。

GSCF使用一种基于线元的数值模拟方法来获得（NEC2），其大小依赖于测试距离、测试频率和天线转换器的阻抗。标准ANSI C63.4-2017的附录I给出了GSCF的计算公式：

式中：

EDMAX—计算得到的最大电场强度；

ANFS—近自由空间场地衰减；

AGS—其他验证场地的场衰减。

为了得到最小的NSA误差，也为了得到最准确的GSCF校正因子，在获得GSCF时，天线校准场地与其他辐射测试验证场地应使用相同的天线、天线塔、线缆和设备。此外，线缆的布置、铁氧体位置，以及线缆穿过地板的位置也应当保持相同。

表1给出了使用双锥天线进行场地验证时，3 m测试距离下，测试频率范围为30～200 MHz内，接收天线扫描高度h2为1～4 m，天线转换器阻抗为50 Ω的情况下，得到的GSCF校正因子。

表1 30～200 MHz内GSCF校正因子

3 实验分析

为了考量特定几何校正因子GSCF的优化效果，我们在电波暗室的测试区域中选取了部分位置点进行NSA测试，然后用表1中对应的GSCF校正因子对NSA测结果进行优化，最后将优化后的测试结果与常规测试结果进行比较。如图1所示。

图1 NSA测试的典型天线布置图

电波暗室场地验证涉及到测试区域的5个点，2种天线极化方式，2种发射天线高度。考虑到工作量因素，这里选取P0～ P3四个点进行测量，收发天线选用同一型号的双锥天线，发射天线高度设定为1 m，接收天线高度扫描范围为1～4 m，测试频率范围为30～200 MHz。测试结果对比如图2所示。

图2 GSCF因子对NSA测试结果的修正情况

图2中实线分别是P0～ P3四个点的常规NSA测试结果，该验证方法仅考虑了发射和接收天线系数，互阻抗校正因子忽略不计，这样计算得出的NSA准确度是不够的。虚线为采用特定几何校正因子修正后的NSA测试结果。从图2中可以看到，这四个点的NSA均采用GSCF进行了校正，GSCF因子综合考虑了天线的近场特征、接收天线受到的非均匀照射、收发天线之间的互耦，以及天线与地板之间的互耦等多重因素的影响，因此得到的归一化场地衰减准确性更高。

从图2中四个点的测试情况来看，在设定的试验条件下，GSCF校正因子最大值为1.83 dB，最小值为-1.2 dB，平均值为-0.14 dB。利用GSCF实现了对NSA测量结果的修正。已有实验表明，在30～200 MHz测试频率范围内，如果不考虑GSCF因子，则计算天线系数时会产生最高达0.49 dB的固有误差，该固有误差可能导致最高2.39 dB的NSA测量误差。因此可以说GSCF因子对NSA的计算会产生较大的影响，有时甚至会影响电波暗室场地验证结果的判断。

4 结论

经过试验，对四个典型位置点的NSA进行了测量，然后利用GSCF因子对NSA测量结果进行了校正，最大校正幅度达到1.83 dB，最小校正幅度为0.07 dB。通过提出的优化方案，实现了对电波暗室归一化场地衰减测试结果的校正和优化，提高了场地验证的准确性与可靠性，也间接减小了辐射骚扰测试的潜在误差。

电波暗室是模拟开阔试验场和自由空间进行辐射测试的特殊环境，归一化场地衰减是电波暗室的最重要的参数之一，该参数决定了场地的性能以及是否适用于辐射测试。要保证场地验证的有效性就必须尽量准确地测量归一化场地衰减。