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]。混響室可以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性、隨機(jī)極化的電磁場[4-5]，能夠很好地模擬電子設(shè)備實(shí)際所處的場環(huán)境。因此，混響室法屏蔽體屏蔽效能測試方法[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試小型屏蔽殼體屏蔽效能。當(dāng)屏蔽殼體處于過模狀態(tài)時(shí)，使用頻率攪拌的方法對(duì)屏蔽體內(nèi)部場進(jìn)行攪拌以達(dá)到統(tǒng)計(jì)均勻的場環(huán)境，屏蔽效能測試與位置無關(guān)，可以在屏蔽殼體壁面安裝單極子天線進(jìn)行測試。隨著頻率的降低，屏蔽體殼體由過模轉(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試，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于測量天線及測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)的場呈現(xiàn)高度不均勻的場分布，內(nèi)置天線無法通過單一位置來評(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，但是探頭測量區(qū)域往往很小，需要多個(gè)位置測量；

(2)在過模狀態(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]，測量動(dòng)態(tài)范圍難以滿足工程需要。

長線天線泛指在天線長度大于一個(gè)波長甚至幾個(gè)波長的天線，一般由導(dǎo)線制成。Gregory B Tai等人利用長線天線測試欠模狀態(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量結(jié)果結(jié)合起來分析。

綜上，本文分析了混響室法欠模屏蔽體屏蔽效能測試原理，在此基礎(chǔ)上利用長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試技術(shù)進(jìn)行研究。

1 混響室法欠模屏蔽體屏蔽效能測試原理

1.1 諧振腔內(nèi)模式分析

對(duì)于理想無損耗矩形諧振腔，腔內(nèi)電磁場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、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fQ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[13]。

當(dāng)諧振腔體達(dá)到60個(gè)模式時(shí)，腔體工作在過模狀態(tài)，隨著頻率的降低，腔體諧振模式越來越稀疏。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)電磁場的模式數(shù)N，可以通過以下計(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，場分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律不明確；當(dāng)屏蔽體處于過模轉(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)分析儀測得的S21正比于接收天線區(qū)域處電場值的大小[16]。因此可以直接用S21參數(shù)的比值來計(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 測試天線分析

當(dāng)長線天線長度大于最低使用頻率對(duì)應(yīng)的波長時(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?？紤]喇叭天線起始頻率為1 GHz，測試頻段為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端口連接待測天線，分別測量長線天線與不用長度的單極子天線在自由空間的電壓反射系數(shù)，并通過反射系數(shù)來對(duì)比不同天線的寬頻段匹配特性。

圖2為混響室內(nèi)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)場景圖，將VNA 的1端口連接發(fā)射喇叭天線，2端口連接箱體內(nèi)測試天線。1號(hào)測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，其中長線天線測量為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)測試，得到25個(gè)攪拌位置下的數(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果與分析

圖4為在暗室中1.1 m的長線天線，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。長線天線在整個(gè)測試頻段內(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)，測試結(jié)果與前文分析一致。因此，在進(jìn)行屏蔽效能測試時(shí)，利用長線天線測試時(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長線天線測量結(jié)果。

圖5～圖7為混響室內(nèi)不同位置的單極子天線與長線天線在屏蔽體內(nèi)部測得的反射系數(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)位置幾乎測不到腔體諧振，在2號(hào)位置時(shí)測試時(shí)在f=2.191 GHz頻點(diǎn)處發(fā)生明顯諧振，而長線天線在該頻段總共測到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)部場發(fā)生諧振時(shí)，腔體內(nèi)部場呈現(xiàn)駐波分布，當(dāng)短單極子位于波腹位置時(shí)，能夠測得明顯的諧振；而位于波節(jié)處時(shí)，則測不到諧振點(diǎn)。這也解釋了為什么單極子天線測得的腔體諧振頻率與位置相關(guān)的問題。長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到。

進(jìn)一步對(duì)比圖5～圖7發(fā)現(xiàn)，天線測得腔體諧振頻點(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，這也說明了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖8中對(duì)比40 mm單極子天線和長線天線屏蔽效能測量結(jié)果可以看出，長線天線測量結(jié)果整體要低于單極子天線，能夠測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)。因此利用長線天線來測量欠模狀態(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，單極子天線測量屏蔽效能要低于長線天線測量結(jié)果，這有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

本文對(duì)諧振腔體模式進(jìn)行了分析，分析了屏蔽體內(nèi)部不同模式下的場分布情況。針對(duì)欠模狀態(tài)下屏蔽體內(nèi)部場分布不均勻，屏蔽效能測試結(jié)果與位置有關(guān)，且單一單極子天線測量難以反映屏蔽體屏蔽特性等問題，自制了長線天線來測量欠模狀態(tài)屏蔽體屏蔽效能。測試結(jié)果表明，長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。