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建立半电波暗室应注意的几个问题

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建立半电波暗室应注意的几个问题

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  • 发布时间:2011-05-01 14:21

       在产品开发领域,电磁兼容(EMC)研究变得越来越重要。许多工程部门希望拥有自己的EMC测试环境。在EMC测试中,产品的辐射发射测量对测试环境和设备的要求尤为重要。辐射发射要求的环境是一个开阔场(OATS)或一个半电波暗室(SAC)。对于其他形式的EMC测试,有一个工作台或屏蔽室也就足够了;对辐射抗扰度测试指标的实现,则使用全电波暗室。

  本文主要讨论一些关于辐射发射测试的场地设计问题。开阔场为优选的测试场地。然而,由于日益严重的电磁“污染”和开阔场对气候的依赖性,半电波暗室已成为经济适用的替代品。本文结合民用EMC测试标准,对用于辐射发射测试SAC的设计和建造问题作一些介绍。

  1、屏蔽室

  SAC是由装有吸波材料的屏蔽室组成的。屏蔽室将内部容间和外部的电磁环境相隔离。环境电磁波频谱来自包括电视信号、无线电广播、个人通讯设备以及人为环境噪声等等。屏蔽室的作用就是使屏蔽室内的外部骚扰强度明显低于受试设备(EUT)本身所产生的干扰场强。

  在SAC的屏蔽室的建造中,有两种基本构造方法:组合型和焊接型。组合型由墙板和使墙板连接的夹具组成。墙板可以是两面覆盖镀锌薄层的胶合板或是镀锌的钢板。夹具使墙板安装成为一个整体,并保证了墙板的导电连续性。同时,垫衬和高频吸波材料常常被用于提高屏蔽效能。即使大多数制造商应用同样的屏蔽系统概念,但由于设备的各自特性差别导致市场上各产品相互之间的性能的不一致。

  焊接结构是由钢板或铜板经焊接而成的一个紧密的针对射频信号的密封体。这是一项工艺要求精密的技术。高水平的焊接体使屏蔽效能稳定可靠,同时高性能的屏蔽效能取决于焊缝漏洞的排除。当然,焊接结构的不理想因素就是造价较高。

  在SAC中进行电磁兼容测试,地板是一个重要的部分。在辐射发射测试中,EUT的一部分发射信号通过地板反射,由接收天线测量接收,就象办公室中的实际情况一样。模拟一块良好的地板,要使地板具备导电连续性,并且表面的起伏变化要尽可能小。我们可以通过建造高架地板获得这种效果。所谓高架地板就是用与墙壁和天花板相同的金属材质制成的架空地板。测量和控制的电缆、电源线、转台的机械部分都置于高架地板之下。高架地板根据转台机械部分的情况,一般高度为30cm到60 cm。为了使地板获得完整的导电连续,转台的导电表面与周围的地板是保证导电连续的。通常采用接地环等距空间连接的方法实现。

  为了操作的目的,屏蔽室的穿孔是需要的。穿孔需要仔细选择,施工时要保持屏蔽室的完整性。对一个典型的SAC包括以下介绍的几个类型的基本穿孔。

  1.1 通道门

  显然,至少要一个门。最常见的部件是一种凹槽接触装置,即单刀双簧,门边是单刀结构,门框是凹槽结构,凹槽内有双簧片保持导电连续性;或是气密垫,门和门框通过压紧保证导电连续性。较流行且价格低廉的是旋转门,它有一个或两个合页。旋转门可以在一个或两个合页上安装吸波材料,但开门后的静空间非常小。为了弥补这一点,滑动门也是一种选择,它具有使用方便,价格适宜的优势。

  1.2 波导窗

  出于空气流动和制冷的目的,低于截止频率的气流通过起到截止波导作用的蜂窝通风口出入,且只有很小的压差变化。大部分波导窗的工作频率可以达到10GHz。对于更高的频率,例如达到40GHz,就需要更高级的设计。

  1.3 电源

  安装在屏蔽室外的电源线滤波器用于电源滤波,包括转台、天线杆、EUT及屏蔽室内的相关设备。滤波器适于高电流、高电压(400V)的交直流滤波。所参考的标准为用于电器性能考核的MIL-STD-220A和用于操作安全的UL1283。

  1.4 灯

  白炽灯可以安装在室内。通常利用高帽灯具安装的天花板上,以获得充足的照明,减少对吸波材料的影响。

  1.5 接口板

  接口板也是一个截止波导,包括用于发射测量的射频接口、EUT信号接口、滤波器接口、光纤引入口、防火控制电缆。光纤控制电缆用于转台、天线杆和CCTV系统。其他穿孔包括各种穿入管,如制冷用途以及进风、排风的机械系统。

  2、屏蔽效能

  屏蔽室的性能是由屏蔽效能(SE)来定义的。它的意义也就是由于屏蔽室的存在而产生的信号衰减。目前,广泛使用的定义SE的标准是NSA65-6(如表1)。在这个标准中,所定义的衰减等级,已经超过用EMC的测试要求,对其他一些应用测试也是足够的。在EMC的应用中,SE是定义在一个或一些特殊频率上的。在1GHz这个常用的频率点,组合型的屏蔽效能是100dB, 而焊接型屏蔽室可以获得120dB,的屏蔽效能。

  表1 NSA 65-6屏蔽效能的性能要求

 

  在吸波材料安装之前,要对屏蔽室的SE进行测试,以确认屏蔽室符合规定的屏蔽等级。与NSA65-6相似,目前论述屏蔽效能测试的标准还有MIL-STD-285和IEEE299-1997。在学术上,IEEE299-1997被认为是继写于1956年的MIL-STD-285后,论述更为详细,范围更广的一个版本。既描述了测试计划,又有严格的测试位置(门、板缝及其他穿孔)。由于在穿孔附近很难保证SE,所以要格外注意穿孔附近的屏蔽的完整性。

  3、电磁吸波材料

  电磁吸波材料安装在屏蔽室的墙上以及天花板上,以减少表面的电磁反射。电磁辐射在入射时就被吸波材料吸收,并将部分电磁能转化成热能。当然,有一些残存的反射存在,并能会干扰测试。

  表2 常用宽带EMC吸收材料 

       在SAC中,目前有两种广泛应用的宽带电磁吸收材料,根据它们的工作机理被区分为:吸收磁场辐射的铁氧体和吸收电场辐射的加碳泡沫。混合型材质由这两种材料组成。当然,还有一些特别的设计,但没有被广泛使用。表2给出一些典型吸波材料的设计以及它们的特性。泡沫型的吸波材料大多制成锥型,而混合型则制成尖劈形状。铁氧体贴片一般安装在不导电的墙上(通常为胶合板),这样贴片的高频的性能得以提高。

  宽带EMC吸波材料的设计是一个复杂的过程,需要在低频和高频性能、尺寸和工程造价上权衡与协调。通常,制造者在设计吸波材料时常用尝试法,通过设计,尝试反复的过程进行工作。为了加速设计过程,并使其经济,许多制造者采用计算机辅助设计。用计算机辅助设计,吸收材料的制造和测量姑且不用管,只需先进设计,用计算机进行优化设计。如果精确的模型得以使用,大量的吸波材料的参数得以确定,无论是用大量的反复尝试的设计方法,还是采用计算机进行辅助设计,都可以生产出优质的吸波材料。

  大多厂商说明吸波材料的性能时,只考虑垂直入射的情况。这是一个优化的数据,只与吸波材料对直接垂直入射的性能都很好。但在SAC中效虑斜射的情况比垂直更为重要。随着入射到屏蔽室表面的波的衰减有关系。大多数吸波材料对于垂直入射的性能都很好。但在SAC中考虑斜射的情况比垂直更为重要。随着入射角度的增加,吸波材料性能明显降低。所以,在设计电波暗室时这是一个重要的因素。

  在SAC中,吸波材料的性能不仅仅由吸波材料的基本设计性能来决定。吸波材料的安装质量也起着很大的作用。特别是铁氧体,无论是否采用混合型的设计与否,都会由于安装不当而导致性能的降低。由于单个铁氧全贴片的尺寸的限制,在两块挨近的贴片间存在着小气缝。这些小气缝如同磁阻一样,减小了贴片之间磁能量的连续性,因此降低了吸收效果。在细心安装的情况下,单个气缝会小于几十分之一毫米宽。大的气缝会导致入射小的衰减有相当大的降低,因此允许屏蔽室的墙上的某些特殊部位有较大的反射。在吸波材料和电波暗室的设计中,必须考虑所谓的气缝效应,因为在实际安装中气缝常常遇到。即使一个小气缝都会降低铁氧体贴片的性能,使实际水平低于理论水平。

  吸波材料的测量是确认它们性能的重要一环。由于SAC的低频性能要求严格,吸波材料要确认下限到30MHz的性能。从150MHz到30MHz或更低可以用同轴波导测量。在高频段,可以使用其他类型波导(100MHz及以上)和自由空间的方式(高于800MHz)进行测试。

  4、电波暗室设计技术

  为了建造符合场地衰减要求的SAC,测量到的归一化场地衰减数值与理想开阔场(依据标准ANSI C63.4-1992)的理想值的差值应小于4dB。这项指标面临着许多挑战,特别在低频段,吸波材料的电场尺寸很小,而且电磁性能很差。所以,在电波暗室建造之前,需要用数字仿真,以确认和优化电波暗室的设计。制造者可以选择尝试方法来设计,但这会消耗许多时间和成本。数字仿真,通过与已建造的暗室的性能测量数据的修正相结合,是今天的电波暗室的设计者的一种有效的设计工具。

  在工作频率范围的中段和高段,入射到吸波材料的电磁波可以被认为是平面波。在这种情况下,利用射线跟踪的方法来模拟电波暗室的性能,会得到一个可信的有关电波暗室性能的推算。而对于低频情况,平面波的假设不再有效。

  对于低频范围,有关电波暗室的性能模型有两种方法:一种是对高频情况下的射线跟踪技术的模拟,另一种是对装有吸波材料的屏蔽室进行三维情况下的麦克斯韦方程的解算。

  在射线跟踪的情况下,由于吸波材料的低频性能以及电波暗室的尺寸,必须考虑多重反射。由于低频段的吸波材料的测试数据在任意角度入射要比垂直情况难以测量,所以数字仿真数据常被使用。要注意的是这种模拟的吸波材料性能数据与垂直入射的测量数据紧密相关,以避免在电波暗室仿真中的系统误差。在多级射线跟踪模型中,测量的10m电波暗室的性能模拟要比3m电波暗室的好,这是由于在10m电波暗室中电空间足够大,采用的吸波材料体积大,低段性能好。

  由于求解三维麦克斯韦方程是一项深入细致的计算任务,所以通常使用有限元法或有限差分法。这些方法是将需要运算的空间分成离散的单元,以便使用麦克斯韦方程进行运算,对于低频段的情况,吸波材料近似为低频薄层,可以减轻计算的难度。然而,这种算法的精确性很大程度依靠吸波材料模型的使用,吸波材料性能的测试和大量的数据。在理论上,这种方法比射线跟踪法精确、可靠。然而,与多级射线技术相比,吸波材料的安装和电波暗室测量的限制导致实现过程中的不确定性,同时也使实际设计的精度有所限制。

  5、试验室的建造

  在以上的几个部分,我们对几个主要问题进行了介绍,包括SAC的设计、屏蔽效能、吸波材料和电波暗室模型。这一部分集中讨论这些方面的整体实施。

  多级反射射线跟踪方法具在方便计算的优势。应用这种技术,设计者可以从众多的设计草案中选取优化设计。一个有经验的设计工程师可以通过分析整理数据来保证电波暗室的性能,而不用考虑模型化技术的固有限制。

  在建造EMC测试试验室时,需要相当大的空间来容纳电波暗室和相关的设备。典型的设计尺寸如表3。除了表3给出的数据,我们还要考虑防火设施、高架地板、加固屏蔽室的使其能够负荷吸波材料的质量、保证其完整性的钢结构。

  表3 半波暗室参数

  在SAC以及相关设备建造结束后,要验证其性能,以证实用SAC替代理想的OATS是可行的。在民有EMC设施中,SAC性能测试依照标准ANSI C63.4-1992、CISPR22或相关标准所描述的替代场方法。这些测试程序是通过比较电波暗室与OATS的场地衰减来证实电波暗室的性能的。场地衰减是按照标准中对于替代场所描述的理论,测量位于转台上一个静止的围绕EUT的区域。这个测试程序的频率范围是根据辐射发射对EUT测试的要求确定的。在最初的验证确定后,SAC 的操作应建立在每年的验证基础上。

  SAC的性能依靠许多因素,其一是吸波材料的安装。铁氧体贴片的气缝效应要格外注意,特别是在门和其他穿孔的地方,那里的吸波材料是不连续的。门、接口板和窗的安排也要小心。注意不要在吸波材料不连续的地方引起性能问题,不要出现未经处理的反射物质引起的寄生的反射和发射。另外,地板要非常平,转台周围要保证电连续性。验证电波暗室时,天线系数起着严格的作用。另外,时间久了,吸波材料、尤其是尖劈泡沫会倾斜,在性能上影响较小,但有些负面的效应。

  一个重要的问题是选择吸波材料或暗室的制造者时一定要有质量控制。由于吸波材料性能是 SAC的电磁性能中最重要的因素,要注意制造商能否保证工厂里生产的每一批吸波材料的性能都是一致的。最好要有一个质量控制程序,以保证每一批吸波材料的电磁性能都在低频范围内进行严格的检测。而且,电波暗室的性能与吸波材料的安装质量相关,所以,在安装中安排有经验的人员控制质量是必须遵循的。

  一般来说,EMC测试设备不仅仅是SAC。按预算和实验的需要,可以增加屏蔽的控制室和实验室,同样可增加测量抗扰度的全电波暗室和预测试电波暗室。最低限度,要有足够的空间来容纳测试设备和测试人员。

  6、总结

  本文谈到建造SAC中的概况,但它不能完全涉及到建造SAC的所有问题。一些重要的问题,如防火安全和结构完整性都需要进一步研究。总之,建造SAC不是一项简单的任务,有大量的因素影响SAC的电磁性能能和功能。特别对于全适应电波暗室,对于3m或10m的测试距离,质量控制、设计能力和已有工作业绩都在选择电波暗室生产家方面起着重要的作用。而且,成功的操作EMC设备与测试附属设备(转台、天线杆、天线、电缆)和测量仪器的使用有关,同时,试验人员的经验也很重要。

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