混響室法欠模狀態(tài)屏蔽體屏蔽效能測(cè)試技術(shù)研究

彭光輝，周忠元

(東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

隨著電子設(shè)備向著小型化、智能化方向發(fā)展，其電磁兼容問題也日益凸顯[1-2]，正確評(píng)價(jià)屏蔽箱體的屏蔽效能顯得尤為重要[3]?；祉懯铱梢援a(chǎn)生統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性、隨機(jī)極化的電磁場(chǎng)[4-5]，能夠很好地模擬電子設(shè)備實(shí)際所處的場(chǎng)環(huán)境。因此，混響室法屏蔽體屏蔽效能測(cè)試方法[6]研究已經(jīng)成為當(dāng)下熱點(diǎn)。

IEEE STD 299.1-2013[7]規(guī)定使用嵌套混波室法測(cè)試小型屏蔽殼體屏蔽效能。當(dāng)屏蔽殼體處于過(guò)模狀態(tài)時(shí)，使用頻率攪拌的方法對(duì)屏蔽體內(nèi)部場(chǎng)進(jìn)行攪拌以達(dá)到統(tǒng)計(jì)均勻的場(chǎng)環(huán)境，屏蔽效能測(cè)試與位置無(wú)關(guān)，可以在屏蔽殼體壁面安裝單極子天線進(jìn)行測(cè)試。隨著頻率的降低，屏蔽體殼體由過(guò)模轉(zhuǎn)化為欠模狀態(tài)[8]，由于腔體模式稀疏，頻率攪拌方法不再適用[9]。對(duì)于該部分頻段屏蔽殼體屏蔽效能測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于測(cè)量天線及測(cè)量位置的介紹不夠詳細(xì)，主要存在以下問題：

(1)欠模狀態(tài)下屏蔽體內(nèi)的場(chǎng)呈現(xiàn)高度不均勻的場(chǎng)分布，內(nèi)置天線無(wú)法通過(guò)單一位置來(lái)評(píng)估屏蔽體的屏蔽效能。目前解決的方法主要是將探頭安裝在壁面上敏感電路預(yù)期安裝的位置，但是探頭測(cè)量區(qū)域往往很小，需要多個(gè)位置測(cè)量；

(2)在過(guò)模狀態(tài)下，單極子天線已經(jīng)成功用于屏蔽體屏蔽效能測(cè)試，然而隨著頻率的降低，單極子天線輸入阻抗與50 Ω系統(tǒng)嚴(yán)重失配，輻射和就接受接收效率低[10]，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍難以滿足工程需要。

長(zhǎng)線天線泛指在天線長(zhǎng)度大于一個(gè)波長(zhǎng)甚至幾個(gè)波長(zhǎng)的天線，一般由導(dǎo)線制成。Gregory B Tai等人利用長(zhǎng)線天線測(cè)試欠模狀態(tài)下屏蔽殼體屏蔽效能[11]，但是未將腔體諧振頻率與屏蔽效能測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來(lái)分析。

綜上，本文分析了混響室法欠模屏蔽體屏蔽效能測(cè)試原理，在此基礎(chǔ)上利用長(zhǎng)線天線和單極子天線對(duì)欠模狀態(tài)下屏蔽殼體屏蔽效能測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究。

1 混響室法欠模屏蔽體屏蔽效能測(cè)試原理

1.1 諧振腔內(nèi)模式分析

對(duì)于理想無(wú)損耗矩形諧振腔，腔內(nèi)電磁場(chǎng)可能存在的模式及其對(duì)應(yīng)頻率可由式(1)給出

(1)

這里m、n、p為正整數(shù)，且至少有兩個(gè)不為零；L、W、H為諧振腔體的長(zhǎng)、寬和高；c為光速；f為工作頻率，單位為Hz。

將式(1)變換成

(2)

這是一個(gè)與m、n、p有關(guān)的橢球體方程，其體積為

(3)

滿足關(guān)系式(2)的m、n、p應(yīng)在橢球體內(nèi)。又因?yàn)閙、n、p為非負(fù)整數(shù)，每一組m、n、p對(duì)應(yīng)TMmnp，TEmnp兩種模式[12]。

對(duì)于理想無(wú)耗諧振腔，諧振頻率只發(fā)生在單頻點(diǎn)處，諧振模式頻譜分布是離散的。而實(shí)際諧振腔是有損耗的，諧振發(fā)生在某一個(gè)特定模式寬度f(wàn)Q的頻率內(nèi)，在這樣的帶寬內(nèi)模式譜將不在是離散的，這時(shí)，在這個(gè)帶寬內(nèi)的幾個(gè)相鄰模式相互重疊，可能有多個(gè)模式達(dá)到諧振。因此，當(dāng)工作頻率f很大時(shí)，腔內(nèi)會(huì)存在很多種模式的電磁場(chǎng)[13]。

當(dāng)諧振腔體達(dá)到60個(gè)模式時(shí)，腔體工作在過(guò)模狀態(tài)，隨著頻率的降低，腔體諧振模式越來(lái)越稀疏。此時(shí)腔體處于欠模(稀疏模)狀態(tài)，在第一諧振頻率以下時(shí)，腔體內(nèi)部不發(fā)生諧振。

于給定腔體內(nèi)電磁場(chǎng)的模式數(shù)N，可以通過(guò)以下計(jì)算式近似計(jì)算[14]

(4)

當(dāng)屏蔽殼體工作在第一諧振頻率以下時(shí)，腔體內(nèi)部不發(fā)生諧振，電磁場(chǎng)分布較為均勻；當(dāng)屏蔽體處于欠模狀態(tài)時(shí)，屏蔽體內(nèi)部開始出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，場(chǎng)分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律不明確；當(dāng)屏蔽體處于過(guò)模轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，屏蔽體內(nèi)現(xiàn)很多諧振波模，可以采用機(jī)械攪拌或頻率攪拌等方式得到統(tǒng)計(jì)均勻的電磁場(chǎng)分布[15]。

1.2 基于S參數(shù)欠模屏蔽體屏蔽效能定義

屏蔽效能定義為無(wú)屏蔽殼體與有屏蔽殼體時(shí)內(nèi)部探頭感應(yīng)電壓之比。在利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行箱體SE測(cè)試時(shí)，將其2個(gè)端口分別與發(fā)射、接收天線相連。由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的S21正比于接收天線區(qū)域處電場(chǎng)值的大小[16]。因此可以直接用S21參數(shù)的比值來(lái)計(jì)算屏蔽體屏蔽效能。

(5)

此定義突出屏蔽殼體的諧振狀態(tài)，諧振時(shí)感應(yīng)電壓增大，導(dǎo)致電路失效，進(jìn)而使電子設(shè)備處于危險(xiǎn)狀[7]。對(duì)于想了解如何減小敏感電路感應(yīng)電壓的設(shè)計(jì)者非常有用。

1.3 測(cè)試天線分析

當(dāng)長(zhǎng)線天線長(zhǎng)度大于最低使用頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)時(shí)，可以將其看作一個(gè)行波天線。其輸入阻抗主要由實(shí)部構(gòu)成，虛部很小，在一個(gè)相對(duì)較寬的頻段內(nèi)輸入阻抗變化相對(duì)較小，寬頻段匹配特性較好。

單極子天線主要在其半波諧振頻段處匹配相對(duì)較好，隨著頻率的降低，單極子天線阻抗實(shí)部減小，虛部迅速升高，阻抗嚴(yán)重失配。例如40 mm單極子天線，在f=1 875 MHz(λ/4=40 mm)時(shí)匹配較好，隨著頻率降低，阻抗嚴(yán)重失配。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)設(shè)備Table 1.Test equipments

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)被測(cè)屏蔽體的尺寸，由式(1)得屏蔽體第一諧振頻率為f101=921 MHz，由式(4)得屏蔽體諧振模式達(dá)到60個(gè)時(shí)的頻率為2.7 GHz。考慮喇叭天線起始頻率為1 GHz，測(cè)試頻段為1～3 GHz。

2.2 實(shí)驗(yàn)布置

在暗室中，按照?qǐng)D1所示布置實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將VNA的1端口連接待測(cè)天線，分別測(cè)量長(zhǎng)線天線與不用長(zhǎng)度的單極子天線在自由空間的電壓反射系數(shù)，并通過(guò)反射系數(shù)來(lái)對(duì)比不同天線的寬頻段匹配特性。

圖2為混響室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖，將VNA 的1端口連接發(fā)射喇叭天線，2端口連接箱體內(nèi)測(cè)試天線。1號(hào)測(cè)量位置為箱體壁面中心位置，2號(hào)位置為箱體壁面上半部分中心位置，其中長(zhǎng)線天線測(cè)量為1號(hào)位置，如圖3所示。VNA參數(shù)設(shè)置如下：起始頻率fmin=1GHz，終止頻率fmax=3 GHz，掃描點(diǎn)數(shù)10 001，分別測(cè)量天線安裝在箱體內(nèi)部時(shí)的S21、S22數(shù)據(jù)以及天線直接在混響室內(nèi)的S21數(shù)據(jù)。改變攪拌器的位置，重復(fù)測(cè)試，得到25個(gè)攪拌位置下的數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

圖4為在暗室中1.1 m的長(zhǎng)線天線，20 mm單極子天線和40 mm單極子天線在微波暗室內(nèi)測(cè)得的反射系數(shù)曲線。40 mm單極子天線在f=1.8 GHz(半波諧振)附近匹配較好，與前文計(jì)算基本一致；20 mm單極子天線半波諧振頻率為40 mm單極子天線兩倍，在f=3.6 GHz附近匹配較好。隨著頻率的降低，單極子天線阻抗失配嚴(yán)重，幾乎處于全反射。長(zhǎng)線天線在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)相較于單極子天線整體匹配更好(除了單極子天線諧振點(diǎn)附近)，測(cè)試結(jié)果與前文分析一致。因此，在進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試時(shí)，利用長(zhǎng)線天線測(cè)試時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍要大于單極子天線。由于20 mm單極子天線在1～2 GHz匹配太差，因此以下僅對(duì)比40 mm單極子天線和1.1 m長(zhǎng)線天線測(cè)量結(jié)果。

圖5～圖7為混響室內(nèi)不同位置的單極子天線與長(zhǎng)線天線在屏蔽體內(nèi)部測(cè)得的反射系數(shù)曲線及計(jì)算得到的屏蔽效能曲線。反射系數(shù)曲線可以很好地反映腔體的諧振特性，曲線快速下降點(diǎn)即為腔體內(nèi)部諧振引起。表2列出了腔體在1.8～2.2 GHz的諧振頻率，共11個(gè)頻點(diǎn)。對(duì)比圖5～圖7中S22曲線可以發(fā)現(xiàn)，40 mm單極子天線在1號(hào)位置幾乎測(cè)不到腔體諧振，在2號(hào)位置時(shí)測(cè)試時(shí)在f=2.191 GHz頻點(diǎn)處發(fā)生明顯諧振，而長(zhǎng)線天線在該頻段總共測(cè)到9個(gè)明顯諧振頻點(diǎn)，諧振頻點(diǎn)與表2中的諧振頻率吻合良好。單極子天線由于采樣位置單一，只能測(cè)得屏蔽體少數(shù)幾個(gè)諧振點(diǎn)，而且不同位置單極子天線測(cè)得的諧振頻率也不同。

表2屏蔽體1.8～2.2 GHz諧振頻率Table 2.Resonant frequency between 1.8～2.2 GHz of enclosure

欠模狀態(tài)下當(dāng)耦合到腔體內(nèi)部場(chǎng)發(fā)生諧振時(shí)，腔體內(nèi)部場(chǎng)呈現(xiàn)駐波分布，當(dāng)短單極子位于波腹位置時(shí)，能夠測(cè)得明顯的諧振；而位于波節(jié)處時(shí)，則測(cè)不到諧振點(diǎn)。這也解釋了為什么單極子天線測(cè)得的腔體諧振頻率與位置相關(guān)的問題。長(zhǎng)線天線由于采集了腔體更多的位置，因此腔體內(nèi)部大多數(shù)諧振頻率都能被其檢測(cè)到。

進(jìn)一步對(duì)比圖5～圖7發(fā)現(xiàn)，天線測(cè)得腔體諧振頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)屏蔽體屏蔽效能值快速下降點(diǎn)，而且兩者吻合良好，這也說(shuō)明了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖8中對(duì)比40 mm單極子天線和長(zhǎng)線天線屏蔽效能測(cè)量結(jié)果可以看出，長(zhǎng)線天線測(cè)量結(jié)果整體要低于單極子天線，能夠測(cè)到更多的屏蔽效能快速下降點(diǎn)。當(dāng)電子設(shè)備位于腔體內(nèi)部時(shí)，這些屏蔽效能快速下降頻點(diǎn)使電子設(shè)備感應(yīng)電壓迅速升高，從而處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因此利用長(zhǎng)線天線來(lái)測(cè)量欠模狀態(tài)腔體屏蔽效能，能夠更好的反映腔體內(nèi)部惡劣電磁狀況。然而在一些頻段處，如1.2 GHz附近，單極子天線測(cè)量屏蔽效能要低于長(zhǎng)線天線測(cè)量結(jié)果，這有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)諧振腔體模式進(jìn)行了分析，分析了屏蔽體內(nèi)部不同模式下的場(chǎng)分布情況。針對(duì)欠模狀態(tài)下屏蔽體內(nèi)部場(chǎng)分布不均勻，屏蔽效能測(cè)試結(jié)果與位置有關(guān)，且單一單極子天線測(cè)量難以反映屏蔽體屏蔽特性等問題，自制了長(zhǎng)線天線來(lái)測(cè)量欠模狀態(tài)屏蔽體屏蔽效能。測(cè)試結(jié)果表明，長(zhǎng)線天線相較于單極子天線，在寬頻段內(nèi)具有更好的匹配特性。另外，由于長(zhǎng)線天線采樣位置更加充分，因此更能反映屏蔽體綜合屏蔽效果，具有較好的工程意義。