EMC測試產(chǎn)品的輻射發(fā)射測量對測試環(huán)境和設備的要求尤為重要

在產(chǎn)品開發(fā)領域，電磁兼容（EMC）研究變得越來越重要。許多工程部門希望擁有自己的EMC測試環(huán)境。在EMC測試中，產(chǎn)品的輻射發(fā)射測量對測試環(huán)境和設備的要求尤為重要。輻射發(fā)射要求的環(huán)境是一個開闊場（OATS）或一個半電波暗室（SAC）。對于其他形式的EMC測試，有一個工作臺或屏蔽室也就足夠了；對輻射抗擾度測試指標的實現(xiàn)，則使用全電波暗室。

本文主要討論一些關于輻射發(fā)射測試的場地設計問題。開闊場為優(yōu)選的測試場地。然而，由于日益嚴重的電磁“污染”和開闊場對氣候的依賴性，半電波暗室已成為經(jīng)濟適用的替代品。本文結合民用EMC測試標準，對用于輻射發(fā)射測試SAC的設計和建造問題作一些介紹。

1、屏蔽室 SAC是由裝有吸波材料的屏蔽室組成的。屏蔽室將內部容間和外部的電磁環(huán)境相隔離。環(huán)境電磁波頻譜來自包括電視信號、無線電廣播、個人通訊設備以及人為環(huán)境噪聲等等。屏蔽室的作用就是使屏蔽室內的外部騷擾強度明顯低于受試設備（EUT）本身所產(chǎn)生的干擾場強。

在SAC的屏蔽室的建造中，有兩種基本構造方法：組合型和焊接型。組合型由墻板和使墻板連接的夾具組成。墻板可以是兩面覆蓋鍍鋅薄層的膠合板或是鍍鋅的鋼板。夾具使墻板安裝成為一個整體，并保證了墻板的導電連續(xù)性。同時，墊襯和高頻吸波材料常常被用于提高屏蔽效能。即使大多數(shù)制造商應用同樣的屏蔽系統(tǒng)概念，但由于設備的各自特性差別導致市場上各產(chǎn)品相互之間的性能的不一致。焊接結構是由鋼板或銅板經(jīng)焊接而成的一個緊密的針對射頻信號的密封體。這是一項工藝要求精密的技術。高水平的焊接體使屏蔽效能穩(wěn)定可靠，同時高性能的屏蔽效能取決于焊縫漏洞的排除。當然，焊接結構的不理想因素就是造價較高。

在SAC中進行電磁兼容測試，地板是一個重要的部分。在輻射發(fā)射測試中，EUT的一部分發(fā)射信號通過地板反射，由接收天線測量接收，就象辦公室中的實際情況一樣。模擬一塊良好的地板，要使地板具備導電連續(xù)性，并且表面的起伏變化要盡可能小。我們可以通過建造高架地板獲得這種效果。所謂高架地板就是用與墻壁和天花板相同的金屬材質制成的架空地板。測量和控制的電纜、電源線、轉臺的機械部分都置于高架地板之下。高架地板根據(jù)轉臺機械部分的情況，一般高度為30cm到60 cm。為了使地板獲得完整的導電連續(xù)，轉臺的導電表面與周圍的地板是保證導電連續(xù)的。通常采用接地環(huán)等距空間連接的方法實現(xiàn)。

為了操作的目的，屏蔽室的穿孔是需要的。穿孔需要仔細選擇，施工時要保持屏蔽室的完整性。對一個典型的SAC包括以下介紹的幾個類型的基本穿孔。

1.1通道門顯然，至少要一個門。最常見的部件是一種凹槽接觸裝置，即單刀雙簧，門邊是單刀結構，門框是凹槽結構，凹槽內有雙簧片保持導電連續(xù)性；或是氣密墊，門和門框通過壓緊保證導電連續(xù)性。較流行且價格低廉的是旋轉門，它有一個或兩個合頁。旋轉門可以在一個或兩個合頁上安裝吸波材料，但開門后的靜空間非常小。為了彌補這一點，滑動門也是一種選擇，它具有使用方便，價格適宜的優(yōu)勢。

1.2波導窗出于空氣流動和制冷的目的，低于截止頻率的氣流通過起到截止波導作用的蜂窩通風口出入，且只有很小的壓差變化。大部分波導窗的工作頻率可以達到10GHz。對于更高的頻率，例如達到40GHz，就需要更高級的設計。

1.3電源安裝在屏蔽室外的電源線濾波器用于電源濾波，包括轉臺、天線桿、EUT及屏蔽室內的相關設備。濾波器適于高電流、高電壓（400V）的交直流濾波。所參考的標準為用于電器性能考核的MIL－STD－220A和用于操作安全的UL1283。

1.4燈白熾燈可以安裝在室內。通常利用高帽燈具安裝的天花板上，以獲得充足的照明，減少對吸波材料的影響。

1.5接口板接口板也是一個截止波導，包括用于發(fā)射測量的射頻接口、EUT信號接口、濾波器接口、光纖引入口、防火控制電纜。光纖控制電纜用于轉臺、天線桿和CCTV系統(tǒng)。其他穿孔包括各種穿入管，如制冷用途以及進風、排風的機械系統(tǒng)。

2、屏蔽效能屏蔽室的性能是由屏蔽效能（SE）來定義的。它的意義也就是由于屏蔽室的存在而產(chǎn)生的信號衰減。目前，廣泛使用的定義SE的標準是NSA65－6(如表1)。在這個標準中，所定義的衰減等級，已經(jīng)超過用EMC的測試要求，對其他一些應用測試也是足夠的。在EMC的應用中，SE是定義在一個或一些特殊頻率上的。在1GHz這個常用的頻率點，組合型的屏蔽效能是100dB,而焊接型屏蔽室可以獲得120dB，的屏蔽效能。

表1NSA65－6屏蔽效能的性能要求

在吸波材料安裝之前，要對屏蔽室的SE進行測試，以確認屏蔽室符合規(guī)定的屏蔽等級。與NSA65－6相似，目前論述屏蔽效能測試的標準還有MIL－STD－285和IEEE299－1997。在學術上，IEEE299－1997被認為是繼寫于1956年的MIL－STD－285后，論述更為詳細，范圍更廣的一個版本。既描述了測試計劃，又有嚴格的測試位置（門、板縫及其他穿孔）。由于在穿孔附近很難保證SE，所以要格外注意穿孔附近的屏蔽的完整性。

3、電磁吸波材料 電磁吸波材料安裝在屏蔽室的墻上以及天花板上，以減少表面的電磁反射。電磁輻射在入射時就被吸波材料吸收，并將部分電磁能轉化成熱能。當然，有一些殘存的反射存在，并能會干擾測試。

表2常用寬帶EMC吸收材料

在SAC中，目前有兩種廣泛應用的寬帶電磁吸收材料，根據(jù)它們的工作機理被區(qū)分為：吸收磁場輻射的鐵氧體和吸收電場輻射的加碳泡沫?；旌闲筒馁|由這兩種材料組成。當然，還有一些特別的設計，但沒有被廣泛使用。表2給出一些典型吸波材料的設計以及它們的特性。泡沫型的吸波材料大多制成錐型，而混合型則制成尖劈形狀。鐵氧體貼片一般安裝在不導電的墻上（通常為膠合板），這樣貼片的高頻的性能得以提高。 寬帶EMC吸波材料的設計是一個復雜的過程，需要在低頻和高頻性能、尺寸和工程造價上權衡與協(xié)調。通常，制造者在設計吸波材料時常用嘗試法，通過設計，嘗試反復的過程進行工作。為了加速設計過程，并使其經(jīng)濟，許多制造者采用計算機輔助設計。用計算機輔助設計，吸收材料的制造和測量姑且不用管，只需先進設計，用計算機進行優(yōu)化設計。如果精確的模型得以使用，大量的吸波材料的參數(shù)得以確定，無論是用大量的反復嘗試的設計方法，還是采用計算機進行輔助設計，都可以生產(chǎn)出優(yōu)質的吸波材料。 大多廠商說明吸波材料的性能時，只考慮垂直入射的情況。這是一個優(yōu)化的數(shù)據(jù)，只與吸波材料對直接垂直入射的性能都很好。但在SAC中效慮斜射的情況比垂直更為重要。隨著入射到屏蔽室表面的波的衰減有關系。大多數(shù)吸波材料對于垂直入射的性能都很好。但在SAC中考慮斜射的情況比垂直更為重要。隨著入射角度的增加，吸波材料性能明顯降低。所以，在設計電波暗室時這是一個重要的因素。 在SAC中，吸波材料的性能不僅僅由吸波材料的基本設計性能來決定。吸波材料的安裝質量也起著很大的作用。特別是鐵氧體，無論是否采用混合型的設計與否，都會由于安裝不當而導致性能的降低。由于單個鐵氧全貼片的尺寸的限制，在兩塊挨近的貼片間存在著小氣縫。這些小氣縫如同磁阻一樣，減小了貼片之間磁能量的連續(xù)性，因此降低了吸收效果。在細心安裝的情況下，單個氣縫會小于幾十分之一毫米寬。大的氣縫會導致入射小的衰減有相當大的降低，因此允許屏蔽室的墻上的某些特殊部位有較大的反射。在吸波材料和電波暗室的設計中，必須考慮所謂的氣縫效應，因為在實際安裝中氣縫常常遇到。即使一個小氣縫都會降低鐵氧體貼片的性能，使實際水平低于理論水平。 吸波材料的測量是確認它們性能的重要一環(huán)。由于SAC的低頻性能要求嚴格，吸波材料要確認下限到30MHz的性能。從150MHz到30MHz或更低可以用同軸波導測量。在高頻段，可以使用其他類型波導（100MHz及以上）和自由空間的方式（高于800MHz）進行測試。

4、電波暗室設計技術 為了建造符合場地衰減要求的SAC，測量到的歸一化場地衰減數(shù)值與理想開闊場（依據(jù)標準ANSIC63.4－1992）的理想值的差值應小于4dB。這項指標面臨著許多挑戰(zhàn)，特別在低頻段，吸波材料的電場尺寸很小，而且電磁性能很差。所以，在電波暗室建造之前，需要用數(shù)字仿真，以確認和優(yōu)化電波暗室的設計。制造者可以選擇嘗試方法來設計，但這會消耗許多時間和成本。數(shù)字仿真，通過與已建造的暗室的性能測量數(shù)據(jù)的修正相結合，是今天的電波暗室的設計者的一種有效的設計工具。 在工作頻率范圍的中段和高段，入射到吸波材料的電磁波可以被認為是平面波。在這種情況下，利用射線跟蹤的方法來模擬電波暗室的性能，會得到一個可信的有關電波暗室性能的推算。而對于低頻情況，平面波的假設不再有效。 對于低頻范圍，有關電波暗室的性能模型有兩種方法：一種是對高頻情況下的射線跟蹤技術的模擬，另一種是對裝有吸波材料的屏蔽室進行三維情況下的麥克斯韋方程的解算。在射線跟蹤的情況下，由于吸波材料的低頻性能以及電波暗室的尺寸，必須考慮多重反射。由于低頻段的吸波材料的測試數(shù)據(jù)在任意角度入射要比垂直情況難以測量，所以數(shù)字仿真數(shù)據(jù)常被使用。要注意的是這種模擬的吸波材料性能數(shù)據(jù)與垂直入射的測量數(shù)據(jù)緊密相關，以避免在電波暗室仿真中的系統(tǒng)誤差。在多級射線跟蹤模型中，測量的10m電波暗室的性能模擬要比3m電波暗室的好，這是由于在10m電波暗室中電空間足夠大，采用的吸波材料體積大，低段性能好。 由于求解三維麥克斯韋方程是一項深入細致的計算任務，所以通常使用有限元法或有限差分法。這些方法是將需要運算的空間分成離散的單元，以便使用麥克斯韋方程進行運算，對于低頻段的情況，吸波材料近似為低頻薄層，可以減輕計算的難度。然而，這種算法的精確性很大程度依靠吸波材料模型的使用，吸波材料性能的測試和大量的數(shù)據(jù)。在理論上，這種方法比射線跟蹤法精確、可靠。然而，與多級射線技術相比，吸波材料的安裝和電波暗室測量的限制導致實現(xiàn)過程中的不確定性，同時也使實際設計的精度有所限制。

5、試驗室的建造 在以上的幾個部分，我們對幾個主要問題進行了介紹，包括SAC的設計、屏蔽效能、吸波材料和電波暗室模型。這一部分集中討論這些方面的整體實施。 多級反射射線跟蹤方法具在方便計算的優(yōu)勢。應用這種技術，設計者可以從眾多的設計草案中選取優(yōu)化設計。一個有經(jīng)驗的設計工程師可以通過分析整理數(shù)據(jù)來保證電波暗室的性能，而不用考慮模型化技術的固有限制。

在建造EMC測試試驗室時，需要相當大的空間來容納電波暗室和相關的設備。典型的設計尺寸如表3。除了表3給出的數(shù)據(jù)，我們還要考慮防火設施、高架地板、加固屏蔽室的使其能夠負荷吸波材料的質量、保證其完整性的鋼結構。

表3半波暗室參數(shù)

在SAC以及相關設備建造結束后，要驗證其性能，以證實用SAC替代理想的OATS是可行的。在民有EMC設施中，SAC性能測試依照標準ANSIC63.4－1992、CISPR22或相關標準所描述的替代場方法。這些測試程序是通過比較電波暗室與OATS的場地衰減來證實電波暗室的性能的。場地衰減是按照標準中對于替代場所描述的理論，測量位于轉臺上一個靜止的圍繞EUT的區(qū)域。這個測試程序的頻率范圍是根據(jù)輻射發(fā)射對EUT測試的要求確定的。在最初的驗證確定后，SAC 的操作應建立在每年的驗證基礎上。 SAC的性能依靠許多因素，其一是吸波材料的安裝。鐵氧體貼片的氣縫效應要格外注意，特別是在門和其他穿孔的地方，那里的吸波材料是不連續(xù)的。門、接口板和窗的安排也要小心。注意不要在吸波材料不連續(xù)的地方引起性能問題，不要出現(xiàn)未經(jīng)處理的反射物質引起的寄生的反射和發(fā)射。另外，地板要非常平，轉臺周圍要保證電連續(xù)性。驗證電波暗室時，天線系數(shù)起著嚴格的作用。另外，時間久了，吸波材料、尤其是尖劈泡沫會傾斜，在性能上影響較小，但有些負面的效應。 一個重要的問題是選擇吸波材料或暗室的制造者時一定要有質量控制。由于吸波材料性能是SAC的電磁性能中最重要的因素，要注意制造商能否保證工廠里生產(chǎn)的每一批吸波材料的性能都是一致的。最好要有一個質量控制程序，以保證每一批吸波材料的電磁性能都在低頻范圍內進行嚴格的檢測。而且，電波暗室的性能與吸波材料的安裝質量相關，所以，在安裝中安排有經(jīng)驗的人員控制質量是必須遵循的。 一般來說，EMC測試設備不僅僅是SAC。按預算和實驗的需要，可以增加屏蔽的控制室和實驗室，同樣可增加測量抗擾度的全電波暗室和預測試電波暗室。最低限度，要有足夠的空間來容納測試設備和測試人員。

6、總結 本文談到建造SAC中的概況，但它不能完全涉及到建造SAC的所有問題。一些重要的問題，如防火安全和結構完整性都需要進一步研究。總之，建造SAC不是一項簡單的任務，有大量的因素影響SAC的電磁性能能和功能。特別對于全適應電波暗室，對于3m或10m的測試距離，質量控制、設計能力和已有工作業(yè)績都在選擇電波暗室生產(chǎn)家方面起著重要的作用。而且，成功的操作EMC設備與測試附屬設備（轉臺、天線桿、天線、電纜）和測量儀器的使用有關，同時，試驗人員的經(jīng)驗也很重要。