電磁屏蔽室是一種重要的設施,用于提供符合要求的試驗環境,以實現電磁兼容性試驗。它能夠提供與外部世界隔離的環境,以確保試驗的準確性和可靠性。盡管在一些情況下,開闊、平坦的場地是必要的,但由于地面反射、建筑物的影響、架空電力線、地下電纜以及樹木的吸收作用等不利因素的影響,這些場地很難滿足技術要求。因此,基于相關標準和規范,許多試驗項目應在屏蔽室內進行。
在GB6838-86《電子測量儀器 電磁兼容性試驗規范》、GJB152-86《設備和分系統電磁發射和敏感度測量》以及其他電磁兼容性標準中,明確規定了電磁屏蔽室的重要性。該設施為各種電磁兼容性試驗提供了理想的場所,以確保試驗結果的準確性和可靠性。此外,電磁屏蔽室還具有許多其他優點,例如減少外部干擾的影響、提高試驗環境的可控性和穩定性等。因此,在許多電磁兼容性試驗中,電磁屏蔽室已成為不可或缺的重要設施之一。
屏蔽效能是指對于給定的外部干擾源進行屏蔽時,在某一點上屏蔽室安放前后的電場強度或磁場強度之比。
以某單位建造的屏蔽室為對象,我們對其進行了屏蔽效能測試,表1提供了部分測試數據。
屏蔽室的實際屏蔽效能比理論計算值還低。影響屏蔽效能的因素有:屏蔽室壁材料、通風口、門、電源濾波器和施工質量等。仍以該屏蔽室為例,它采用3mm的薄鋼板做為壁材料,以滿足屏蔽效能高和工作頻帶寬的要求。為了防止通風口泄漏電磁能量,采用了截止波導式通風口。它根據高通濾波器的原理而制造,其特點是對于低于波導截止頻率的電磁能量具有衰減作用,從而提高屏蔽效能。一般情況下,電磁能量的泄漏主要來自于屏蔽室的門和電源引入線,因此門必須具有良好的電氣接觸。采用黃銅簧片彈性接觸式結構,使門縫泄漏減小到最低程度。關于整體建造需要多塊鋼板焊接而成,故屏蔽性能與施工質量關系密切,所以上述屏蔽室采用整 體鋼板三道焊接縫密焊的方法,保證了屏蔽室有良好的屏蔽效能。
屏蔽室是一種封閉式的金屬空腔。當放入輻射源后,屏蔽室在某些特定的頻率點上因激勵可能出現諧振現象。因此,一個六面體屏蔽室可被看成是一個矩形金屬諧振腔(如圖1所示)
圖1 矩形諧振腔
圖1中 a>l>b, a、b和l分別代表長寬高
(1) 諧振頻率
當電磁 波的矩形諧振腔中諧振時,腔體長度等于波長的整數倍,這個波長被稱為諧振波長(λ0)。λ0滿足條件:
其中:
m,n=0,1,2,…….
P=1,2,3,…..
這里,m,n,p均為電磁波在相應坐標方向上的振蕩周期數。
相應地,諧振頻率為
這里,C代表光速,其值為C=3*108 m/s。
上述屏蔽室的長寬高分別為:
a=12.02m
b=4,61m
l=8.45m
利用公式2計算,得出最低諧振頻率為21.7MHz.
表2列舉了通過公式2計算的屏蔽室內幾個低次模的諧振頻率。
為了獲得實際使用的屏屏蔽諧振頻率f0,可采用試驗手進行探索。具體方法是:將信號源及發射天線放在門外,接收天線放在屏蔽室內,選定天線高度及位置,將接收機輸入端與接收天線相連,信號源輸出端與發射天線相連,把屏蔽室門一小縫,以便于信號耦合到屏蔽室,在室內產生電磁場。
為了掌握實際使用情況,在20-200MHz頻率范圍內,我們利用高靈敏度接收機進行了精確測試。測試曲線如圖2所示,部分測試數據(第一諧振峰附近)在表3中給出。
從測試數據以及圖2中看出,第一諧振峰出現在頻率為33.8MHz上。這就是最低諧振模式TM001模的諧振頻率
。由于屏蔽室內放置了儀器設備及其它物品,相當于縮小了諧振腔體有效空間尺寸,所以實際諧振頻率高于理論計算值。除了第一諧振峰以外,還有第二諧振峰以及更多次模的諧振峰。由于屏蔽室內存在多種模式,因而相互作用的結果可能使諧振曲線呈上升趨勢。
(2) Q值估算
諧振腔的另一參要參量是Q值,它是衡量腔體內儲能與耗能指標,因此稱Q值為品質因素。
Q值用下式計算:
該值是屏蔽室的實際有載Q值。這對屏蔽室內的測量很有利,因為這樣可以減少反射,提高測量結果的精度。
(3) 駐波現象
電磁波在屏蔽室內產生多次反射,當發生諧振時,形成駐波現象,駐波現象對測量結果有直接影響。因此,在屏蔽室內進行EMC實驗時,應注意選擇測量位置。
圖3例舉了理想屏蔽室內三種諧振模式形成的駐波波形。
為了掌握現有屏蔽室的駐波分布情況,我們在該屏蔽室內進行了實地測試。測試方法是:選擇一對相同的振子天線,固定好發射開線位置及高度,選擇發射頻率為f=150MHz。將接收天線沿屏蔽室中心長軸移動,測得一組數據,繪出XY平面(見圖1) 的駐波波形如圖4所示。
3. 屏蔽室的反射
屏蔽室內因存在激勵源而引起的另物理現象是電磁波的反射。在對受試設備進行輻射發射測試時,接收天線除了接受來自受試設備的直接輻射外,還有來自屏蔽室腔體表面(包括地面、天花板以及墻壁)的反射波,如圖5所示。
圖5中矢徑1為直射波,矢徑2、3、4為經過壁面的一次反射波,矢徑5為二次反射波。由于屏蔽室內接收天線處的電磁場是直射波與各種反射波的合成場,而開闊場地上的天線主要接收來自受試設備的直接輻射以及地面的反射。因此,與開闊場地相比,在屏蔽室測量會產生一定的誤差。
在屏蔽室內,天線處的合成場取決于直射波與反射波的相位差。假設反射波只經過壁面一次反射、在金屬壁板界面上入射波與反射波相位差180的情況下,當直射波與反射波的波程差是半波長的奇數倍時,二者桑加后的合成場將增加;當直射波與反射波的波程差是半波長的偶數倍時,合成場將減弱。若反射場經壁面二次反射到達接收天線,則結果與上述情況恰好相反。
直射波與反射波到達接收天線的波程差取決于受試設備與接收天線的距離、位置、屏蔽室的空間尺寸以及受試設備的輻射頻率,改變上述因素,將會使測量數據受到影響。
對于電磁兼容試驗中的輻射干擾測試,在不同的環境條件下,必須對使用天線的天線系數重新進行校準。下面介紹利用互易原理校準雙錐天線的方法。
(1) 測試配置及校準方法
將一對完全相同的雙錐天線置于測試現場,選定好天線間距,一般取1m、3m、10m。兩天線的架設高度和極化方向均一致。天線高度在1~4m內調整。收發天線經電纜l1、l2分別接到信號源阻抗為和場強測量儀上。
如圖6所示,設天線輸入50Ω,測試系統接口匹配良好。使信號源輸出一種恒定電平Vt,這時干擾儀讀數為Vr。保持信號源輸出不變,將電纜l1、l2拆下,用同軸連接器直接相連,如果電纜損耗忽略不計,這時干擾儀的讀數就是信號源的輸出電平Vt,在20~200MHz范圍內改變頻率,即可得到雙錐天線的校準系數。
(2) 計算公式
在工程上,我們主要關心的是與實際工作相關的計算公式,這里,介紹兩個計算天線的增益和天線的校準系數的實用公式,同時免去較繁復的推導過程。
圖7說明,測試天線架高2m,距離1m。在開闊場地測量時,天線周圍3m距離范圍之內無障礙物,在屏蔽到內測量時,天線置于屏蔽室的幾何中心利用(4)(5)兩式即可給出天線校準系數的頻響關系曲線。圖7給出了雙錐天線在開闊場與屏蔽室內的校準曲線。從上圖中我們發現,在30~200MHz范圍內,雙錐天線在開闊場與屏蔽室內的校準曲線具有大致相同的趨勢。由于屏蔽室內存在反射現象,因而天線系數明顯高于自由空間開闊場的校準系數。
在執行輻射干擾試驗時,屏蔽室內部可以有效地隔離外界的不利影響。然而,由于屏蔽室內部的諧振、駐波和反射現象,電磁兼容性(EMC)測試可能會遭遇一些困難。為了解決屏蔽室內部的強烈反射問題,建議將現有的屏蔽室改造成電波暗室。這種暗室的表面應采用尖劈或錐狀的吸收材料,其長度大約為四分之一波長。這樣,當電磁波到達頂部時,大部分能量都會被吸收,從而模擬出無反射的自由空間環境。此外,還可以擴大屏蔽室的尺寸,以降低其諧振頻率。
在進行EMC測試時,應確保受試設備周圍3米范圍內沒有任何其他物品。在選擇測試位置時,應避免在駐波最大的地方進行測試。同時,受試設備和測試設備之間應保持一定的距離,以防止測試設備產生的系統噪聲對受試設備造成干擾。
發布日期: 2023-12-12
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