半電波暗室中場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)窗口的選擇問(wèn)題探析

熊洋洋 柯進(jìn)等

摘 要：電子電氣設(shè)備在進(jìn)行射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)中，為了保證試驗(yàn)的有效性和重復(fù)性，需要對(duì)場(chǎng)均勻性進(jìn)行校準(zhǔn)。文中介紹了場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)的要求和方法，并以80MHz～1GHz10V/m的校準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)為例，分別選擇1.5m×1.5m和0.5m×0.5m兩個(gè)窗口對(duì)均勻域進(jìn)行校準(zhǔn)。然后從場(chǎng)強(qiáng)分布、場(chǎng)強(qiáng)差值分布、定點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)等方面對(duì)這兩個(gè)窗口的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行分析、對(duì)比，結(jié)果表明小窗口的場(chǎng)均勻性要明顯優(yōu)于大窗口。最后文章建議按照被測(cè)件（Equipment Under Test，簡(jiǎn)稱EUT）的尺寸來(lái)選擇校準(zhǔn)窗口的大小，在窗口覆蓋EUT的前提下盡量選擇較小的尺寸，對(duì)于過(guò)大尺寸的EUT可采用部分照射法。這樣不僅更好地保證了試驗(yàn)的有效性和重復(fù)性，而且還提高了場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)的效率。

關(guān)鍵詞：半電波暗室 場(chǎng)均勻性校準(zhǔn) 輻射抗擾度

中圖分類號(hào)：TM937 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0247-02

半電波暗室（semi-anechoic chamber）即除地面安裝反射接地平板外，其余內(nèi)表面均安裝吸波材料的屏蔽室[1-2]。目前國(guó)際上普遍采用半電波暗室替代開(kāi)闊試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行電磁兼容測(cè)試，包括電磁輻射干擾測(cè)試和電磁輻射抗擾度測(cè)試[3]。

測(cè)試面場(chǎng)均勻性是衡量半電波暗室性能的非常重要的指標(biāo)，也是保證EUT在電磁輻射抗擾度試驗(yàn)中測(cè)量結(jié)果的可靠性和重復(fù)性的關(guān)鍵。IEC61000-4-3：2010《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)》對(duì)半電波暗室在80MHz～6GHz范圍內(nèi)場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)的要求和方法做了詳細(xì)的規(guī)定。該文參照標(biāo)0準(zhǔn)要求，以1GHz以下場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)為例，對(duì)不同大小窗口的校準(zhǔn)結(jié)果分析驗(yàn)證，最后對(duì)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)中場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)窗口的選擇提出建議。

1 IEC 61000-4-3：2010場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)要求與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及場(chǎng)地布置

場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)需要用到的主要設(shè)備有：半電波暗室、射頻信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射天線、場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)裝置、功率計(jì)等。在半電波暗室外信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)，將其傳送給功率放大器，信號(hào)經(jīng)放大后通過(guò)同軸電纜穿過(guò)穿墻板進(jìn)入暗室，再通過(guò)天線向空間輻射出來(lái)，最后由校準(zhǔn)平面上的場(chǎng)強(qiáng)探頭接收信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳回暗室外進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了保證試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)的均勻一致，在天線與校準(zhǔn)面之間需鋪設(shè)吸波材料，盡可能減少電磁波的地面反射[4-5]。場(chǎng)均勻性的校準(zhǔn)布置場(chǎng)地如圖1所示。

1.2 場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)要求

場(chǎng)校準(zhǔn)的目的是為了保證整個(gè)EUT的各處場(chǎng)強(qiáng)都足夠均勻以便確保試驗(yàn)結(jié)果的有效性。標(biāo)準(zhǔn)中使用的“均勻域”（uniform field area，簡(jiǎn)稱UFA）概念是一個(gè)假想的垂直平面，在該平面中場(chǎng)的變化足夠小，本文用到的“校準(zhǔn)窗口”也是這個(gè)概念。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)要求需從以下幾點(diǎn)來(lái)考慮。

1.2.1 頻率范圍

根據(jù)EUT工作所在的電磁環(huán)境不同，場(chǎng)校準(zhǔn)的頻率分為兩類，一是80～1GHz用于模擬普通電磁環(huán)境的輻射，二是800～960MHz和1.4～6.0GHz，主要針對(duì)來(lái)自數(shù)字無(wú)線電話和其他射頻發(fā)射裝置發(fā)出的電磁輻射?，F(xiàn)在有些寬頻帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、高性能無(wú)線局域網(wǎng)、短距離發(fā)射裝置等的最高工作頻率都已接近6GHz。

1.2.2 高度

由于靠近參考地平面不可能建立一個(gè)均勻場(chǎng)，校準(zhǔn)的區(qū)域應(yīng)設(shè)在離參考地平面上方不低于0.8m處，天線中心軸線應(yīng)垂直正對(duì)窗口中心。對(duì)于某些EUT必須接近參考地平面放置，為了建立測(cè)試的試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)，此時(shí)還要記錄離參考地平面上方0.4m高處的場(chǎng)強(qiáng)。

1.2.3 距離

對(duì)于1GHz以下的場(chǎng)校準(zhǔn)，發(fā)射天線的中心與均勻域之間的距離至少在1m以上，最好為3m。1GHz以上由于鐵氧體和吸波材料的吸收性能下降以及高頻天線的束寬較窄，校準(zhǔn)區(qū)域應(yīng)分割為0.5m×0.5m的小窗口進(jìn)行試驗(yàn)，場(chǎng)發(fā)射天線應(yīng)距校準(zhǔn)區(qū)域1m。

1.2.4 均勻性判據(jù)

對(duì)0.5m×0.5m的最小校準(zhǔn)區(qū)域，柵格4個(gè)頂點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)幅值在標(biāo)稱值的-0dB～+6dB范圍內(nèi)，即認(rèn)為該場(chǎng)是均勻的；對(duì)于大于0.5m×0.5m的校準(zhǔn)區(qū)域，柵格75%的校準(zhǔn)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)幅值在標(biāo)稱值得-0dB～+6dB范圍內(nèi)，認(rèn)為該場(chǎng)是均勻的。若在試驗(yàn)頻率的最大3%范圍內(nèi)不滿足6dB判據(jù)，但至少在-0dB～+10dB容差內(nèi)即可認(rèn)為已滿足校準(zhǔn)要求，有爭(zhēng)議時(shí)優(yōu)先考慮-0dB～+6dB。

1.3 場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)方法

場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)必須用未調(diào)制的信號(hào)分別對(duì)水平和垂直極化進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)Ec應(yīng)至少是給EUT施加的試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)Et的1.8倍，以檢驗(yàn)并確保試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)被調(diào)制擴(kuò)大了1.8倍后，放大器仍能正常工作。場(chǎng)校準(zhǔn)有恒定場(chǎng)強(qiáng)法和恒定功率法，下面以1.5m×1.5m校準(zhǔn)平面（如圖2）為例對(duì)這兩種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和對(duì)比。

它們都是用校準(zhǔn)過(guò)的場(chǎng)強(qiáng)探頭置于16個(gè)柵格點(diǎn)的任一點(diǎn)從下限頻率開(kāi)始，調(diào)節(jié)天線正向功率，使場(chǎng)強(qiáng)等于所需校準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)Ec，記錄正向功率及場(chǎng)強(qiáng)。以當(dāng)前頻率的1%為最大增量來(lái)增加頻率。

不同之處在于恒定場(chǎng)強(qiáng)法對(duì)每個(gè)點(diǎn)施加相同的場(chǎng)強(qiáng)Ec，記錄正向功率讀數(shù)，最后在每一頻率點(diǎn)將16個(gè)點(diǎn)正向功率按升序排列，至少有12個(gè)點(diǎn)的讀數(shù)在6dB范圍內(nèi)，則記錄這些讀數(shù)的最大正向功率值。而恒定功率法是對(duì)其余各點(diǎn)施加初始位置記錄的正向功率，記錄場(chǎng)強(qiáng)值，最后在每個(gè)頻率點(diǎn)將16個(gè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)讀數(shù)按升序排列。如果至少有12個(gè)點(diǎn)的讀數(shù)在6dB范圍內(nèi)，則從這些讀數(shù)中選擇最小場(chǎng)強(qiáng)的點(diǎn)作為參考點(diǎn)，計(jì)算出該參考點(diǎn)達(dá)到校準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)Ec所需的正向功率值。

2 場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)窗口的選擇及驗(yàn)證

2.1 IEC 61000-4-3：2010校準(zhǔn)窗口說(shuō)明

IEC 61000-4-3：2010與GB/T17626.3-2006相比，新增了對(duì)1GHz以下和超過(guò)1GHz的場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)窗口的詳細(xì)說(shuō)明，如表1所示。

2.2 不同校準(zhǔn)窗口的場(chǎng)均勻性驗(yàn)證

由于校準(zhǔn)窗口大小尺寸組合較多，限于篇幅該文不予一一驗(yàn)證，這里只選擇0.5m×0.5m和1.5m×1.5m兩個(gè)典型窗口進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證并對(duì)比分析。為方便觀察和試驗(yàn)這里設(shè)定校準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)為Ec=10V/m，試驗(yàn)頻率為80MHz～1GHz，另外現(xiàn)有發(fā)射天線為高增益對(duì)數(shù)周期天線，1kW功率發(fā)生器，9kHz～6GHz的信號(hào)發(fā)生器。由經(jīng)驗(yàn)知天線水平極化校準(zhǔn)的場(chǎng)強(qiáng)均勻性整體上優(yōu)于垂直極化方向，所以下面不再對(duì)水平極化進(jìn)行討論，僅以垂直極化作為代表，按照2.3中的方法對(duì)不同尺寸窗口的場(chǎng)均勻性進(jìn)行校準(zhǔn)分析。

2.2.1 校準(zhǔn)0.5m×0.5m窗口

如圖2所示，以2、3、7、6為四個(gè)頂點(diǎn)的正方形區(qū)域作為0.5m×0.5m校準(zhǔn)窗口進(jìn)行校準(zhǔn)，窗口中心A點(diǎn)距離參考地面高度為H4=0.8+0.5/2=1.05（m），天線中心高度也為1.05m，正對(duì)窗口中心，天線與窗口之間距離為3m。

校準(zhǔn)后得到4個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)如圖3所示，由圖中可以看出各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)都在10V/m以上，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大場(chǎng)強(qiáng)為18.38V/m，出現(xiàn)在點(diǎn)2位置?，F(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，將每個(gè)頻率上4個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與標(biāo)稱值的最大差值用dB來(lái)表示，繪制場(chǎng)強(qiáng)差值分布圖，如圖4所示。根據(jù)圖4可以得出結(jié)論，在0.5m×0.5m的校準(zhǔn)區(qū)域，柵格4個(gè)頂點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)幅值均在標(biāo)稱值的-0dB～+6dB范圍內(nèi)，即認(rèn)為該場(chǎng)是均勻的。

2.2.2 校準(zhǔn)1.5m×1.5m窗口

如圖2所示，以1、4、16、13為四個(gè)頂點(diǎn)的正方形區(qū)域作為1.5m×1.5m校準(zhǔn)窗口進(jìn)行校準(zhǔn)，窗口中心距離參考地面高度為H4=0.8+1.5/2=1.55（m），天線中心高度也為1.55m，正對(duì)窗口中心，天線與窗口之間距離為3m。

校準(zhǔn)后得到16個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)如圖5所示，由圖中可以看出有些點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)在10V/m以下，有些點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)30V/m。按照該文2.3中的方法，繪制場(chǎng)強(qiáng)差值分布圖，如圖4所示，圖中下方曲線表示滿足校準(zhǔn)要求的12個(gè)點(diǎn)在各頻率點(diǎn)的最大場(chǎng)強(qiáng)差值，上方曲線表示16個(gè)點(diǎn)在各頻率點(diǎn)的最大場(chǎng)強(qiáng)差值。根據(jù)圖6可以得出結(jié)論，在1.5m×1.5m的校準(zhǔn)區(qū)域，柵格16個(gè)頂點(diǎn)中75%的校準(zhǔn)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)幅值在標(biāo)稱值得-0dB～+6dB范圍內(nèi)，即認(rèn)為該場(chǎng)是均勻的。

2.2.3 不同校準(zhǔn)窗口場(chǎng)均勻性對(duì)比

由圖3和圖5可以清楚的看到0.5m×0.5m窗口和1.5m×1.5m窗口在各自的校準(zhǔn)點(diǎn)上場(chǎng)強(qiáng)有明顯的差異，小窗口的場(chǎng)強(qiáng)均在10V/m以上最大不超過(guò)19V/m，大窗口的場(chǎng)強(qiáng)差異性較大，最小的場(chǎng)強(qiáng)低至7.76V/m，最大的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)30V/m。這一點(diǎn)從圖4和圖6的場(chǎng)強(qiáng)差值分布中也可以看到，小窗口校準(zhǔn)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與標(biāo)稱值差值均在6dB限值內(nèi)并有一定的裕量，大窗口校準(zhǔn)點(diǎn)中12個(gè)在6dB限值內(nèi)，16點(diǎn)最大的差值接近10dB。所以單從校準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)看，小窗口的場(chǎng)均勻性要優(yōu)于大窗口。

那么這兩個(gè)窗口在非校準(zhǔn)點(diǎn)上的場(chǎng)強(qiáng)差異到底有多大呢？這里我們?nèi)砸晕凑{(diào)制的信號(hào)對(duì)均勻域施加10V/m的場(chǎng)強(qiáng)，選取小窗口的中心點(diǎn)A和大窗口的中心點(diǎn)B為代表（如圖2所示）進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)分別用場(chǎng)強(qiáng)探頭測(cè)試小窗口均勻場(chǎng)在A點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)和大窗口均勻場(chǎng)在A、B兩點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，并繪制圖7進(jìn)行對(duì)比。

由圖7可以看到小窗口均勻場(chǎng)在A點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)基本上在10～14V/m范圍內(nèi)，而大窗口均勻場(chǎng)在A、B兩點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)很多頻段上都較大地偏離了標(biāo)稱值，最大場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)20V/m。在日常對(duì)EUT的測(cè)試中考慮到信號(hào)80%的調(diào)幅，這種偏離將會(huì)更大，必然影響到對(duì)EUT實(shí)際性能的判定。因此，總體上來(lái)說(shuō)小窗口的場(chǎng)均勻性要優(yōu)于大窗口。

3 結(jié)語(yǔ)

IEC 61000-4-3：2010與GB/T17626.3-2006相比在校準(zhǔn)窗口的內(nèi)容上做了更詳細(xì)的說(shuō)明，可見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定者也考慮到選擇合適的窗口在場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)中的重要性。

根據(jù)文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析來(lái)看，筆者建議按照EUT的尺寸來(lái)選擇校準(zhǔn)窗口的大小，在窗口覆蓋EUT的前提下盡量選擇較小的尺寸，這樣不僅更好地保證了試驗(yàn)的有效性和重復(fù)性，而且還提高了場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)的效率。例如日常試驗(yàn)中大部分EUT尺寸比較小，就可以選擇0.5m×0.5m的試驗(yàn)窗口。但如果EUT的尺寸比較大，根據(jù)天線性能窗口無(wú)法覆蓋它，則建議采用部分照射法，選擇1.5m×1.5m甚至更大的窗口進(jìn)行試驗(yàn)。另外考慮到試驗(yàn)場(chǎng)地的差異、吸波材料的性能、天線的性能、功率放大器的性能、EUT及其布線的特殊性等等因素，場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)窗口的選擇有一定的靈活性，試驗(yàn)人員也要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

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