CN102955091B - 整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于屏蔽方舱屏蔽效能测试技术领域，特别提出了一种整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法，其特征是：方舱被测通风波导窗（7）后有金属机柜（6），通风波导窗（7）与金属机柜（6）距离是L，发射天线（2）在屏蔽方舱（3）的外侧，发射天线（2）与屏蔽方舱（3）的距离是d₁，接收天线（4）在屏蔽方舱（3）的内侧，接收天线（4）与屏蔽方舱（3）的距离是d₂，发射天线（2）与信号发生器（1）电连接，接收天线（4）与接收机（5）电连接。确定整舱的测试屏蔽效能偏离空舱屏蔽效能的修正值公式，最终获取整舱的标准屏蔽效能。

Description

整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法

技术领域

本发明属于屏蔽方舱屏蔽效能测试技术领域，特别提出了一种整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法。

背景技术

近年来，屏蔽方舱以其良好的屏蔽性能，兼具其他类型方舱所具有的环境防护与密封性能、运输灵活的机动性能，而广泛应用于各类地面机动式电子系统、通信系统、医疗系统等。

屏蔽方舱是由六块金属板通过导电连接，且对电磁波具有良好衰减的密闭矩形六面体腔体。对于屏蔽方舱最重要的性能即屏蔽效能而言，影响其的因素主要有方舱上的屏蔽门、屏蔽观察窗、波导通风窗、壁板、信号转接板、各类滤波器及相关安装连接处的接缝等所产生的电磁泄漏。屏蔽效能测试是对屏蔽方舱各个泄漏因素在研制、生产以及使用等全寿命周期进行泄漏抑制质量的控制与监测的一个重要手段与方法。

我国对屏蔽方舱屏蔽效能的测试，主要依据GB6785、GB12190、IEEE-299、MIL-STD-285等屏蔽效能测试标准，这些标准对测试频段、相对应的测试天线及测试距离均进行了严格的规定。

但随着对屏蔽方舱实用性的要求，对屏蔽方舱屏蔽效能的测试，已由只对未安装设备的空舱测试，逐渐转向对已安装好订购方所规定的全部设备或设施的方舱即整舱的测试。显然如果整舱的空间能够满足标准的测试条件，就可以完全按照原有标准来进行测试和评价。但在实际测试中发现，某些整舱由于舱内安装的机柜、设备等，使得舱内空间受限，无法满足标准中规定的屏蔽效能测试时的收、发天线测试距离及天线距方舱壁面的距离要求。

由电磁理论可知，舱内空间的变化意味着边界条件的变化，这将直接导致整舱的电磁场分布与电磁耦合状态有所变化，舱内天线所接收到的电磁场信号也会相应发生变化，这些变化将直接影响屏蔽效能的测试结果，造成同一台方舱在整舱条件下与空舱条件下屏蔽效能不同的结果。同时由于屏蔽方舱设计指标与测试标准中所规定的屏蔽效能均是针对空舱的，所以工程上将空舱屏蔽效能称为标准屏蔽效能。故为了获得屏蔽方舱统一的评价标准，就需要将整舱的测试结果转化为标准屏蔽效能（空舱屏蔽效能）结果。目前对于整舱的测试和评价，还没有标准的测试方法加以规定，缺乏具有理论依据的统一测试与评价方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述不满足标准测试条件的情况，分析上装设备后，在9KHz~20MHz频率范围内对适用于空舱的屏蔽效能测试方法的影响程度，并通过对其的修正，给出适用于整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法。具体讲就是在整舱条件下，空舱上装设备后，使舱内空间不满足屏蔽效能标准测试方法中所规定的测试距离要求时，参考屏蔽效能标准测试方法中所规定的测试天线与测试距离，根据整舱条件下的空间，在确保原有频段测试天线不变的条件下，调整收、发间的测试距离（实测时，只改变舱内接收天线与被测部件的距离,不改变舱外接收天线与被测部件的距离），采用电磁场理论及孔耦合理论，给出收、发天线测试距离及舱内天线距方舱壁面变化后的影响因素与理论公式，确定整舱的测试屏蔽效能偏离空舱屏蔽效能的修正值公式，最终获取整舱的标准屏蔽效能。

本发明是这样实现的：整舱条件下的方舱屏蔽效能测试与评价方法，其特征是：屏蔽方舱被测通风波导窗7（对于屏蔽门、信号转接板等被测件与部位同样适用）后有金属机柜6，通风波导窗7与金属机柜6距离是L，发射天线2在屏蔽方舱3的外部，发射天线2与屏蔽方舱3的距离是d₁，接收天线4在屏蔽方舱3的内部，接收天线4与屏蔽方舱3的距离是d₂，发射天线2与信号发生器1电连接，接收天线4与接收机5电连接。

屏蔽方舱屏蔽效能分为三种状态：

●标准测试状态（状态一）：空舱状态下的屏蔽效能，即标准屏蔽效能SE₁；

●对比状态（状态二）：由于实际测试状态涉及接收天线测试距离及距机柜的距离等两个因素，故为分析方便起见，设定仅改变接收天线测试距离且无机柜状态的整舱屏蔽效能为SE₂；

●实际测试状态（状态三）：设定改变接收天线测试距离且接收天线后面带有机柜状态下的整舱实测屏蔽效能为SE₃。

则在9KHz~20MHz频率范围内，标准屏蔽效能与整舱实测屏蔽效能之间的修正值为：

△F=SE₁-SE₃=△F₁+△F₂          （1）

式中，△F为频段修正值，△F₁为测试距离变化所造成的修正值，△F₂为机柜反射所造成的修正值。

具体的修正值为：

式中：

L_内实：实测时，舱内接收天线距方舱壁面的距离（m）；

k：电磁波在空气中的传播常数；

L_内标—空舱状态（即标准状态）测试时，舱内接收天线距壁面的距离为0.3m。

本发明的优点是：本发明将整舱条件下的方舱屏蔽效能修正方法分为三种状态：即标准屏蔽效能SE₁、只改变舱内接收天线测试距离且接收天线后面没有机柜状态下的整舱屏蔽效能SE₂、改变舱内接收天线测试距离且接收天线后面带有机柜状态下的整舱实测屏蔽效能SE₃。通过模型分析和理论计算，获得整舱条件下电磁屏蔽效能测试结果的校准因子。则可在具体测试中，只对整舱进行屏蔽效能测试，再通过加入校准因子的方法，即可获取屏蔽方舱的标准屏蔽效能。

附图说明

图1是整舱状态下的屏蔽效能测试配置简图；

图2是分析开孔方舱泄漏模型时的简易示意图；

图3是三种屏蔽效能状态模型示意图；

图4是测试状态三中的机柜影响分析示意图；

图5是测试状态三中的接收天线处的叠加场示意图；

图6是通风波导窗测试位置示意图；

图7是方案1测试配置简图；

图8是方案2测试配置简图；

图中，1：信号发生器；2：发射天线；3：屏蔽方舱；4：接收天线；5：接收机；6：金属机柜；a：第一测量点；b：第二测量点；c：第三测量点；d：第四测量点；e：第五测量点；d₁：舱外发射天线距方舱壁面的距离；d₂：舱内接收天线距方舱壁面的距离；L：金属机柜到方舱壁面的距离。

具体实施方式

图1给出了整舱屏蔽效能测试状态示意图，被测通风波导窗或屏蔽门、或信号转接板等被测件7后有金属机柜6，通风波导窗7与金属机柜6距离是L，发射天线2在屏蔽方舱3的外部，发射天线2与屏蔽方舱3的距离是d₁，接收天线4在屏蔽方舱3的内部，接收天线4与屏蔽方舱3的距离是d₂，发射天线2与信号发生器1电连接，接收天线4与接收机5电连接。

在图1的条件下，由于L的限制，致使d₂有可能不满足标准所规定距离要求，即使满足标准距离要求，也由于机柜的反射作用，舱内天线所接收到的电磁场信号发生变化，这些变化将直接影响屏蔽效能的测试结果，因此也不满足空舱测试的要求。

如图2所示，屏蔽效能分三种状态：

●标准测试状态（状态一）：空舱状态下的屏蔽效能，即标准屏蔽效能SE₁；

●对比状态（状态二）：由于实际测试状态涉及接收天线测试距离及距机柜的距离等两个因素，故为分析方便起见，设定仅改变接收天线测试距离且无机柜状态的整舱屏蔽效能为SE₂；

●实际测试状态（状态三）：设定改变接收天线测试距离且接收天线后面带有机柜状态下的整舱实测屏蔽效能为SE₃；

由状态一和状态二可知：测试距离发生变化后，接收点的场强必然发生变化，因此需要分析测试距离的变化对屏蔽效能的影响，即测试距离变化所造成的修正值：

△F₁=SE₁-SE₂         (5)

由状态二和状态三可知：当频率很高时，由于波长小于接收天线到机柜的距离，故机柜反射作用将对内部场强产生影响，因此需要分析机柜反射对屏蔽效能的影响，即机柜反射所造成的修正值：

△F₂=SE₂-SE₃          (6)

由状态一和状态三可知，标准屏蔽效能与实测屏蔽效能的修正值应包括测试距离的变化对屏蔽效能的影响（状态一和状态二）和机柜反射作用对内部场强产生影响这两部分：

△F=（SE₁-SE₂）+（SE₂-SE₃）=△F₁+△F₂       (7)

其中，△F₁是测试距离变化所造成的修正值，△F₂是机柜反射所造成的修正值.

修正值△F通过如下方式获得：

由于在9KHz~20MHz频率范围内，波长远大于接收天线与机柜的距离，致使电磁波反射引起的误差可忽略不计，即机柜存在对内部场强无影响，则△F2=0。因此只需分析由于测试距离的变化所造成的影响，而忽略机柜反射的影响。

则有：

△F=△F₁=SE₁-SE₂          (8)

结合图2，设舱外发射天线距舱壁的距离为L_外；舱内接收天线距壁面的距离为L_内。在评价测试屏蔽效能时，L_外按照屏蔽方舱测试标准均取为0.3m，而L_内则根据实际情况在小于0.3m（取为L_内实）或等于0.3m的范围内予以选取。则表1给出了两种测试状态的发射与接收天线间距。

表1 发射与接收天线间距

两种测试状态中，天线的发射功率相同。

屏蔽效能的定义公式：

由此可得：

●状态一屏蔽效能： ${\mathrm{SE}}_1=20\lg \left|\frac{\stackrel{\→}{H_1}}{\stackrel{\→}{H_2}}\right|---\left(10\right)$

●状态二屏蔽效能： ${\mathrm{SE}}_2=20\lg \left|\frac{\stackrel{\→}{H_3}}{\stackrel{\→}{H_4}}\right|---\left(11\right)$

则标准屏蔽效能与实测屏蔽效能之间的差值：

$\mathrm{\ΔLF}={\mathrm{SE}}_1-{\mathrm{SE}}_2=20\lg \left|\frac{{\stackrel{\→}{H}}_1}{{\stackrel{\→}{H}}_2}\right|-20\lg \left|\frac{{\stackrel{\→}{H}}_3}{{\stackrel{\→}{H}}_4}\right|=20\lg |\frac{{\stackrel{\→}{H}}_1}{{\stackrel{\→}{H}}_2}\·\frac{{\stackrel{\→}{H}}_4}{{\stackrel{\→}{H}}_3}|$

$=20\lg \left|\frac{{\stackrel{\→}{H}}_1}{{\stackrel{\→}{H}}_3}\right|+20\lg \left|\frac{{\stackrel{\→}{H}}_4}{{\stackrel{\→}{H}}_2}\right|---\left(12\right)$

其中，和分别为发射天线在自由空间的辐射磁场和方舱由于存在孔缝而产生的泄漏磁场（具体含义见表1）。

由于该频段内20MHz的波长最短，所以20MHz所对应的λ/2π最小（2.387m）。而该频段两测试天线间的测试距离为0.6m，小于λ/2π所对应的2.387m，所以接收天线位于近场区；又由于采用环天线测试，天线所产生的磁场分量远大于电场分量，再加上所用环天线半径远远小于工作波长，因此可将环天线等效为磁基本振子来考虑。故的表达式为：

$H_1=H_3=\frac{\mathrm{IS}}{4{\mathrm{\πr}}^3}\sin \mathrm{\θ}---\left(13\right)$

对于屏蔽方舱而言，无论是通风波导窗、屏蔽观察窗、屏蔽门等屏蔽部件，对所需测试的各个频段电磁波而言，其屏蔽部件上的孔缝尺寸（波导孔径、丝网屏蔽玻璃的孔径、门缝）均远小于对应的电磁波，属于电磁理论中的小孔。因而，可采用小孔耦合理论对其泄漏源进行建模。

图3给出了开孔方舱屏蔽效能测试中发射与接收天线位置示意图，设方舱上开孔位置位于xoz平面(y=0)处，坐标系取在以孔中心为原点，垂直于yoz、xoz、xoy三个面的方向分别为x轴、y轴、z轴。

●等效源的确定：根据小孔耦合理论，小孔泄漏透入方舱内部的场等效于小孔中心处的等效电偶极矩和磁偶极矩所产生的场。其中电偶极矩等于无孔时发射源（天线）在小孔中心处的电场强度与介电常数、孔的电极化率的乘积；磁偶极矩等于无孔时发射源（天线）在小孔中心处的磁场强度和孔的磁极化率的乘积。由于方舱壁面为良导体（视为理想导体），故壁上小孔中心处电场只有法向分量，磁场只有切向分量,则的表达式为：

$\stackrel{\→}{P}={\mathrm{\α}}_e{\mathrm{\ϵ}}_0{E}_y\·\stackrel{\→}{e_y}{/}_{y=0}=\stackrel{\→}{e_y}{P}_y---1\left(4\right)$

$\stackrel{\→}{M}=-{\mathrm{\α}}_m{H}_x\stackrel{\→}{e_x}{/}_{y=0}=\stackrel{\→}{e_x}{M}_x---\left(15\right)$

其中，α_e为孔的电极化率，ε₀为介电常数，E_y为小孔中心处的电场强度；α_m为孔的磁极化率，H_x为小孔中心处的磁场强度。

●等效源所产生的泄漏场：根据镜像原理，泄漏至方舱内部的电场、磁场分别为：

$\stackrel{\→}{E}=-\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}\▿\×(\stackrel{\→}{p}\×\▿g)+\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\stackrel{\→}{M}\×\▿g---\left(16\right)$

$\stackrel{\→}{H}=-\frac{\mathrm{j\ω}}{2\mathrm{\π}}\stackrel{\→}{P}\×\▿g-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\▿\×(\stackrel{\→}{M}\×\▿g)---\left(17\right)$

其中g为自由空间的格林函数，则可确定泄漏场

根据上述确定的的表达式，代入式(12)可得低频段（9KHz~20MHz）标准屏蔽效能与实测屏蔽效能之间的修正值△F（见（2）式）。

实例验证

通过上面章节的分析，可以看出：由于整舱电磁屏蔽效能的测试，受舱内空间及机柜的限制,使得测量结果偏离真实值，因而已经不能完全按照传统军用电子设备方舱屏蔽效能测试方法中的规定方法进行测试。

下面共设定两个测试方案（如图6所示，被测件均为通风波导窗,通风波导窗尺寸为120×150mm²，机柜尺寸：1850×900×430mm³），去验证上述理论分析结果，以确定所获得的整舱电磁屏蔽效能测试修正值的正确性。

●方案1：标准测试方案（空舱测试）,天线测试距离见表10，测试配置简图如图7所示。

表10 标准测试方案天线测试距离

频段（Hz）	d1+d2(m)	d1(m)	d2(m)
				14K~20M	0.6	0.3	0.3

●方案2：方舱内装有机柜，机柜与接收天线距离为一定值，天线测试距离见表11，测试配置简图如图8所示。

表11 实际测试方案天线测试距离

频段（Hz）	d1+d2(m)	d1(m)	d2(m)	L(m)
					14K~20M	0.42	0.3	0.12	0.8

测试结果及分析

表12给出了方案2对方案1的屏蔽效能在各个频率点上的理论修正值与实测修正值。

表12 整舱条件下的理论和实测屏蔽效能修正值

从表12可以看出：实测与理论结果变化趋势一致，虽存在一定误差，但其误差小于4dB，因而验证了所提方法与（2）式的正确性。

Claims (3)

1.整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法，其特征是：方舱被测通风波导窗(7)后有金属机柜(6)，通风波导窗(7)与金属机柜(6)距离是L，发射天线(2)在屏蔽方舱(3)的外侧，发射天线(2)与屏蔽方舱(3)的距离是d ₁，接收天线(4)在屏蔽方舱(3)的内侧，接收天线(4)与屏蔽方舱(3)的距离是d₂，发射天线(2)与信号发生器(1)电连接，接收天线(4)与接收机(5)电连接；方舱屏蔽效能分三种状态，SE₁为标准测试状态下的屏蔽效能、SE₂为仅改变接收天线测试距离且无机柜状态的整舱屏蔽效能、SE₃为改变接收天线测试距离且接收天线后面带有机柜状态下的整舱实测屏蔽效能；

则方舱被测通风波导窗(7)后有金属机柜(6)的修正值为：

△F＝SE₁-SE₃＝△F₁+△F₂

△F₁＝SE₁-SE₂

△F₂＝SE₂-SE₃

△F为真实屏效与实测屏效之间的修正值；

所述的修正值：△F＝△F₁+△F₂包括两部分，其中，△F₁是测试距离变化所造成的修正值，△F₂是机柜反射所造成的修正值；

所述的修正值是依据如下公式得到：

其中，

L_内实—整舱实测时，舱内接收天线距壁面的距离；

k——电磁波在空气中的传播常数；

L_内标—空舱状态测试时，舱内接收天线距壁面的距离为0.3m；

e——自然对数的底数，约等于2.718281828；

j——复数的虚单位。

2.根据权利要求1所述的整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法，其特征是：所述的改变接收天线测试距离是指，与标准测试方法相比，只改变舱内接收天线与被测部件的距离,不改变舱外接收天线与被测部件的距离。

3.根据权利要求1所述的整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法，其特征是：所述的低频的频率范围在9KHz～20MHz之间。