CN103308798B - 一种电磁屏蔽材料屏蔽效能的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电磁屏蔽技术领域中的一种电磁屏蔽材料屏蔽效能的测试方法。包括：选取电磁参数已知的参考样品、不同的电磁频率并设置电磁发射装置的电磁发射强度；用所述参考样品封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度；用待测材料封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度；计算不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能以及估算待测材料的电导率。本发明提供的测试方法不受屏蔽室（盒）尺寸、窗口尺寸及屏蔽室谐振等因素的影响,克服了传统屏蔽室法测试结果在不同配置之间不具有可移植性的缺点。
Description
技术领域
本发明属于电磁屏蔽技术领域，尤其涉及一种电磁屏蔽材料屏蔽效能的测试方法。
背景技术
电磁屏蔽是抑制电磁干扰的主要技术措施之一，应用范围广泛。材料的电磁屏蔽能力（不包括低频磁场）与其导电性正相关。因此，各类金属材料往往是电磁屏蔽的首选材料。然而，非金属类的复合型导电材料，如导电橡胶、导电织物、导电涂料及导电泡沫等，尽管导电性相对较差（电导率从几十到数千S/m，西门子/米），但由于具有可调控的力学性能和物理特性，在特殊场合综合应用效果优于金属材料。随着材料制备技术和工艺的提高，复合材料在电磁屏蔽中的应用更加广泛，甚至部分替代金属板作为构建屏蔽体的主体。
材料电磁屏蔽应用中的一个重要问题是其屏蔽效能的评估。理论上，准确掌握了材料的电导率、介电常数和磁导率等电磁参数，就可以结合具体应用场景通过建模计算确定材料屏蔽效能。在实际中，由于电磁参数难以轻易获得，或具体场景比较复杂而难以准确建模等原因，实验测试仍是材料电磁屏蔽效能评估中不可或缺的重要环节。
现有测试方法主要分远场和近场两类。远场测试方法主要是同轴法（包括ASTM-ES-7同轴传输线法和法兰同轴法等）。该方法以横电磁（TEM）波模拟远场平面波，所得屏蔽效能等效于无穷大平板状材料对垂直入射平面波的屏蔽效能。同轴法的优点是测试结果与同轴线的尺寸和材料的面积无关。而且，理论上测试结果与材料的电磁参数和厚度之间有明确的数学公式（即无穷大平板材料对平面波电磁屏蔽效能的解析公式）。基于该公式，可以反演材料的等效电磁参数。同轴法的主要缺陷是适用频率限制在约1.5GHz以下，原因是频率过高后同轴线中会出现与平面波不能建立等效关系的横电（TE）或横磁（TM）波。
近场测试方法，如国军标GJB6190-2008描述的屏蔽室法、电子行业军用标准SJ20524-1995描述的双屏蔽盒法、以及双TEM室法等，共同特点是采用了“测试窗”结构。其测试原理是：在用金属板制成的屏蔽室（盒）的某个壁（或公共壁）上开窗口，在窗口外侧放置电磁发射装置，在窗口内侧放置电磁接收装置，分别测试窗口处于开放状态和被待测材料封堵状态下接收信号强度，并以其比值（dB）表示材料的屏蔽效能。这些测试方法各有优点，比如屏蔽室法测试的频率范围很宽(10kHz-40GHz)；双屏蔽盒法抗外界干扰性好、也不对外界产生干扰、且对发射功率要求低；双TEM室法可分别检测穿透测试窗的法向电场分量和切向磁场分量，同时模拟高低阻抗场等。此外，借助混响室或者混响措施来构建统计均匀的电磁环境，评估复杂环境下材料屏蔽效能的测试方法也在研究发展之中，如双混响室法、混响室中放置开孔TEM室法等。
传统屏蔽室法虽然工作频率范围很宽，但在实际应用中有以下两个缺点：
1）屏蔽效能测量结果会受到屏蔽室（盒）尺寸、窗口尺寸及屏蔽室谐振效应等因素的影响，从而使得测试结果在不同配置之间不具有可移植或可借鉴性。
2）所得出的屏蔽效能实际上是材料和屏蔽体二者的综合效果，因此它不能被用来判断材料本身的屏蔽效能，也无法从中反推出材料的电导率参数。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电磁屏蔽材料屏蔽效能的测试方法，用于解决上述背景技术中指出的现有屏蔽材料屏蔽效能测试方法中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种电磁屏蔽材料屏蔽效能的测试方法，采用金属板制成的屏蔽室作为测试设备，屏蔽室上开有测试窗，屏蔽室外部和内部分别安装电磁发射装置和电磁接收装置，其特征是所述方法包括：
步骤1：选取电磁参数已知的参考样品、不同的电磁频率并设置电磁发射装置的电磁发射强度；
步骤2：用所述参考样品封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度；
步骤3：用待测材料封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度；
步骤4：计算不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能。
所述方法还包括估算待测材料的电导率的步骤，该步骤包括如下子步骤：
子步骤101：选择多个电导率互不相同且电导率已知的样品分别封堵测试窗；
子步骤102：在每个所述电导率已知的样品封堵测试窗时，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度，并计算不同电磁频率对应的电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能；
子步骤103：根据不同电磁频率对应的每个电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能，生成每个电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线；
同时，根据不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能，生成待测材料相对于参考样品的屏蔽效能曲线；
子步骤104：比较待测材料相对于参考样品的屏蔽效能曲线与电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线，从而估算出待测材料的电导率范围。
所述计算不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能采用公式SE＝20log10(ES1/ES2)；其中，ES1为参考样品封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度，ES2为待测材料封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。
所述计算不同频率对应的电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能采用公式SE＝20log10(ES1/ES3)；其中，ES1为参考样品封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度，ES3为电导率已知的样品封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。
本发明提供的测试方法不受屏蔽室（盒）尺寸、窗口尺寸及屏蔽室谐振等因素的影响,克服了传统屏蔽室法测试结果在不同配置之间不具有可移植性的缺点。
附图说明
图1是利用屏蔽室进行电磁屏蔽材料屏蔽效能的测试方法示意图；
图2是矩形屏蔽体及各观测点位置示意图；
图3是尺寸为0.4m×0.4m×0.4m开孔为0.12m×0.12m的矩形屏蔽体基于GJB6190-2008屏蔽效能定义式计算的不同观测点的材料屏蔽效能随频率的变化示意图；
图4是尺寸为0.4m×0.4m×0.4m开孔为0.12m×0.12m的矩形屏蔽体基于本发明提出的屏蔽效能定义式计算的不同观测点的屏蔽效能随频率的变化示意图。
图5是尺寸为0.3m×0.12m×0.3m开孔0.1m×0.005m的矩形屏蔽体基于本发明提出的屏蔽效能定义式计算的不同观测点的屏蔽效能随频率的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1
如图1所示，屏蔽室为边长0.4m的正方体，测试窗口为边长0.12m的正方形，发射天线、测试窗中心，接收天线在同一水平直线上，发射天线距离测试窗中心1m，接收天线位于屏蔽室中心。
步骤1：选取电磁参数已知的参考样品、不同的电磁频率并设置电磁发射装置的电磁发射强度。
选取电导率为100S/m，边长为0.15m×0.15m，厚度为2mm的参考样品。设置发射设备合适的输出幅度，在100MHz-1GHz频段均匀选择10个电磁频率（避开谐振频点）。
步骤2：用所述参考样品封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。
将上述步骤1中选取的参考样品封堵在测试窗上，记录选取的10个电磁频率下，电磁接收装置（本实施例中为接收天线）接收的电场强度ES1。每个电磁频率下测量得到一个电场强度ES1，因此共得到10个电场强度ES1。
步骤3：用待测材料封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。
用与参考材料大小相同的待测材料封堵测试窗，记录10个电磁频率下，电磁接收装置接收的电场强度ES2。在每个电磁频率下测量得到一个电场强度ES2，因此共得到10个电场强度ES2。
步骤4：计算不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能。
利用公式SE＝20log10(ES1/ES2)计算待测材料相对电导率为100S/m的材料的屏蔽效能。其中，ES1和ES2分别为相同频率下，参考样品封堵测试窗时测量的电场强度和待测材料封堵测试窗时测量得到的电场强度。由于选取的电磁频率有10个，因此计算出的待测材料相对电导率为100S/m的材料的屏蔽效能值也是10个。
如果将屏蔽室换为尺寸为0.3m×0.12m×0.3m开孔为0.1m×0.005m的矩形屏蔽体，重复上述操作（即步骤1-4），将得到在另外一种实验配置下的待测材料相对电导率为100S/m的材料的屏蔽效能。可以发现，两种不同实验配置下得到的待测材料的相对屏蔽效能相同并且不受谐振效应影响，这就解决了传统屏蔽室法测试结果在不同配置之间不具有可移植性的缺点。
对于上述观点，本发明用CST软件做了初步的计算验证。图2所示的矩形屏蔽体上开有矩形孔（侧壁），在屏蔽体内选取四个观测点，点P1靠近后板，P2位于屏蔽体中心，P3靠近屏蔽体左壁，而P4靠近开孔。图3给出的是在平面波照射下，尺寸为0.4m×0.4m×0.4m开孔0.12m×0.12m的矩形屏蔽体基于GJB6190-2008屏蔽效能定义式计算的不同观测点的电导率100S/m的材料屏蔽效能随频率的变化曲线。可以看出，各个观测点都反映出屏蔽效能受谐振效应影响很大的缺点，即屏蔽效能曲线会在谐振频点附近的较大频率范围内大幅度变化。图4是相同实验配置下，计算基于本发明提出的相对屏蔽效能随频率的变化曲线（每个电磁频率对应一个屏蔽效能，将10个电磁频率对应的屏蔽效能连接起来即得到屏蔽效能随频率的变化曲线），计算时参考材料电导率取100S/m，被测材料电导率取500S/m。可以看出，各个观测点的相对屏蔽效能基本重合。除谐振频点以外，其它频率时屏蔽效能并且几乎不受谐振效应的影响。图5是尺寸为0.3m×0.12m×0.3m开孔0.1m×0.005m的矩形屏蔽体的实验配置下，计算的上述相对屏蔽效能。比较图4和图5可以看出，两种不同实验配置下，待测材料的相对屏蔽效能相同，并且几乎不受谐振效应的影响。需要说明的是，上述选取的电磁频率值及其电磁频率的数量可以根据实际需要进行确定。
实施例2
在上述步骤基础上，进一步本发明能够估算待测材料的电导率。如图1所示，屏蔽室为边长0.4m的正方体，测试窗口为边长0.12m的正方形，发射天线、测试窗中心，接收天线在同一水平直线上，发射天线距离测试窗中心1m，接收天线位于屏蔽室中心。
步骤1：选取电磁参数已知的参考样品、不同的电磁频率并设置电磁发射装置的电磁发射强度。
选择电导率为10S/m，边长为0.15m×0.15m，厚度为2mm的参考样品，设置发射设备合适的输出幅度，在100MHz-1GHz频段均匀选择10个频点（避开谐振频点）。
步骤2：用上述参考样品封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。每个电磁频率对应一个电场强度ES1，因此共得到10个电场强度ES1。
步骤3：用与参考材料大小相同的待测材料封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。在每个电磁频率下，测量得到一个电场强度值，因此共得到10个电场强度ES2。
步骤4：计算不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能。
在每个频率下，利用公式SE＝20log10(ES1/ES2)可以计算出待测材料相对电导率为10S/m的材料的屏蔽效能。每个频率对应一个SE值。
步骤5：估算待测材料的电导率。
子步骤101：选择多个电导率互不相同且电导率已知的样品分别封堵测试窗。
本实施例中，选择与参考样品尺寸相同且电导率分别为50S/m、100S/m、200S/m、300S/m、400S/m和500S/m的样品。
子步骤102：分别用电导率为50S/m、100S/m、200S/m、300S/m、400S/m和500S/m的样品封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度，并计算不同电磁频率对应的电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能。
对于电导率为50S/m的样品，其封堵测试窗时，可以测量出10个电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度ES3。利用公式SE＝20log10(ES1/ES3)可以计算出，每个电磁频率下，电导率为50S/m的样品相对于参考样品的屏蔽效能，即共计算得到10个电导率为50S/m的样品相对于参考样品的屏蔽效能值。
对于电导率为50S/m、100S/m、200S/m、300S/m、400S/m和500S/m的样品，按照上述方式测量并计算可以得到在每个频率下，电导率为50S/m、100S/m、200S/m、300S/m、400S/m和500S/m的样品相对于参考样品的屏蔽效能值。
子步骤103：根据不同电磁频率对应的每个电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能，生成每个电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线。
对于电导率为50S/m的样品，由于子步骤102已经得到得到10个电导率为50S/m的样品相对于参考样品的屏蔽效能值，因此将这些屏蔽效能值连接起来，即可形成电导率为50S/m的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线，该屏蔽效能曲线是随电磁频率变换的屏蔽效能曲线。同样地，对于电导率为50S/m、100S/m、200S/m、300S/m、400S/m和500S/m的样品，将这些电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能值连接起来，可以得到他们各自相对于参考样品的屏蔽效能曲线。
同时，根据不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能（即步骤4得出的结果）连接起来，能够生成待测材料相对于参考样品的屏蔽效能曲线。
子步骤104：比较待测材料相对于参考样品的屏蔽效能曲线与电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线，从而估算出待测材料的电导率范围。比如，当待测材料相对于参考样品的屏蔽效能曲线落入电导率为100S/m的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线和电导率为200S/m的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线之间时，可以估计出待测材料的电导率在100S/m-200S/m之间，进而可以借助理论或建模计算评估该材料在其它配置下的屏蔽性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种电磁屏蔽材料屏蔽效能的测试方法，采用金属板制成的屏蔽室作为测试设备，屏蔽室上开有测试窗，屏蔽室外部和内部分别安装电磁发射装置和电磁接收装置，其特征是所述方法包括：
步骤1：选取电磁参数已知的参考样品和不同的电磁频率并设置电磁发射装置的电磁发射强度；
步骤2：用所述参考样品封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度；
步骤3：用待测材料封堵测试窗，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度；
步骤4：计算不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述方法还包括估算待测材料的电导率的步骤，该步骤包括如下子步骤：
子步骤101：选择多个电导率互不相同且电导率已知的样品分别封堵测试窗；
子步骤102：在每个所述电导率已知的样品封堵测试窗时，测量不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度，并计算不同电磁频率对应的电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能；
子步骤103：根据不同电磁频率对应的每个电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能，生成每个电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线；
同时，根据不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能，生成待测材料相对于参考样品的屏蔽效能曲线；
子步骤104：比较待测材料相对于参考样品的屏蔽效能曲线与电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能曲线，从而估算出待测材料的电导率范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述计算不同频率对应的待测材料相对于参考样品的屏蔽效能采用公式SE＝20log10(ES1/ES2)；其中，ES1为参考样品封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度，ES2为待测材料封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述计算不同频率对应的电导率已知的样品相对于参考样品的屏蔽效能采用公式SE＝20log10(ES1/ES3)；其中，ES1为参考样品封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度，ES3为电导率已知的样品封堵测试窗时不同电磁频率对应的电磁接收装置接收的电场强度。
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