CN103576028A - 一种混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统及其测试方法，其系统包括被测屏蔽腔体内的运动机构，安装在运动机构上的内部场强计，被测屏蔽腔体和混响室之间放置外部场强计和步进电机，安装有步进电机控制卡的计算机经步进电机接线端子板控制步进电机；所述内部场强计和外部场强计的输出端分别通过场强计光纤与计算机的相应输入端相连接；所述步进电机控制卡的输出端通过专用控制线缆与步进电机接线端子板的输入端相连接，步进电机接线端子板的输出端接步进电机；测试方法采用多点自动测量；本发明的优点是提高测试结果重复性，允许在被测腔体谐振频点处测量，被测屏蔽腔体内无需内置搅拌器，解决小尺寸屏蔽腔体内无法安装搅拌器的问题。

Description

一种混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统及其测试方法，尤其适用于混响室环境下小尺寸（线度小于2米）的屏蔽腔体内的屏蔽效能的测量。

背景技术

电磁屏蔽是一种直接而有效地控制辐射干扰的方法，它是用良导体将干扰源或者敏感电器包围起来，以隔离被包围部分与外界电场的、磁场的或者电磁场的相互干扰。电磁屏蔽广泛应用于科学研究、电子技术、航空航天，特别是军事技术等领域，是电磁兼容性学科一个重要的研究领域。例如航空航天领域的火箭系统、轨道舱，舰船和陆军使用的屏蔽方舱、军用涉密系统屏蔽体、军用电子装备的机箱机柜、各类导弹系统的外壳，以及电路板、敏感电子器件等都使用电磁屏蔽体或屏蔽装置，屏蔽体的尺寸大到几十米，小到几个厘米，形状和材料也不尽相同。电磁屏蔽效能是衡量屏蔽效果好坏的标志，直接影响着用频装备或者电子设备的工作性能和技术指标，处理不善，甚至会造成系统瘫痪或永久性破坏。

目前普遍采用的电磁屏蔽效能测试装置是按照一定的要求和规则，通过测量腔体内部一点和腔体外部一点的场强，然后比较内外场强来计算屏蔽效能。这种传统的装置有两点严重缺陷：(1)由于腔体内部场强分布不均匀甚至发生谐振现象，这种单点测量值决定了测得的屏蔽效能会因为不同位置的场强数值不同甚至有很大差别导致测量结果的随机性很强、重复性和可比性较差；（2）以前的装置都有明确要求，即测量的频点需要避开腔体的谐振频率。这是因为由于腔体内部的谐振形成驻波，选择的探测点的不同，测量得到的场强数值会因为可能测到波腹或者波谷而产生很强的涨落或者随机性，测量结果的重复性很差。然而，避开谐振频点的要求本身就不合理，因为屏蔽设备在使用过程中不能排除在谐振频点环境下工作的可能，如果避开谐振点的屏蔽效能测量，那么屏蔽体在谐振点的屏蔽性能如何就一无所知；对于混响室条件下的屏蔽效能测量，目前只有IEC61000-4-21给出了大尺寸（线度大于2米）屏蔽效能的测量方法，其测量原理是在被测腔体内部安装一个搅拌器，在搅拌器搅拌过程中，用单个场强探头测量内部的场，然后比较腔体内、外的场强得到腔体的屏蔽效能。这种测试方法的缺点是：对于小尺寸屏蔽腔体来说，由于被测腔体内没有足够的空间再安装搅拌器，，IEC61000-4-21标准不再适用。纵上所述，对于小尺寸屏蔽腔体的屏蔽效能测试，目前还没有合适的标准和测试装置。而目前大量电子设备的机箱、外壳等多数属于小尺寸（小于2米）屏蔽腔体，军工领域和电子工业都迫切需要有一种装置来测量小尺寸腔体的屏蔽效能，用以规范小尺寸腔体的设计和指标要求，提高电子设备的抗干扰能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题包括提供一种测量结果重复性好、允许在被测腔体谐振频点处测量的混响室条件下电磁屏蔽效能测试系统及其测试方法。

    本发明包括混响室、置于混响室中的发射天线、搅拌器和被测屏蔽腔体、位于混响室外部的受计算机控制的搅拌器控制器、信号发生器、功率放大器、双定向耦合器、同轴电缆以及双通道功率计；所述计算机的输出端经GPIB线缆接所述信号发生器的GPIB控制端口，所述信号发生器的输出端经同轴电缆接功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端经同轴电缆接双定向耦合器的输入端，所述双定向耦合器的输出端经同轴电缆接发射天线，所述双定向耦合器的前向输出功率监测端和后向反射功率监测端接双通道功率计；所述受计算机控制的搅拌器控制器的输出信号通过搅拌器电机驱动搅拌器；

   其特征在于被测屏蔽腔体内设有运动机构，运动机构上安装有内部场强计，被测屏蔽腔体和混响室之间放置有外部场强计和步进电机，安装有步进电机控制卡的计算机经步进电机接线端子板控制步进电机；

所述内部场强计和外部场强计的输出端分别通过场强计光纤与计算机的相应输入端相连接；所述步进电机控制卡的输出端通过专用控制线缆与步进电机接线端子板的输入端相连接，所述步进电机接线端子板的输出端接步进电机，所述步进电机通过其输出轴驱动运动机构的运动速度和方向；

所述运动机构包括固定内部场强计的支座和用于牵引支座移动的传动带；所述传动带与步进电机的输出轴相连接。

所述传动带一端固定在支座上，其另一端穿过被测屏蔽腔体缠绕在步进电机的输出轴上。

所述支座底部带有滚轮。

所述内部场强计和外部场强计的型号为EMR-200；所述步进电机控制卡的型号为PCI-8132；所述步进电机接线端子板的型号为DIN-100S-01；所述步进电机的型号为SM257-55H；所述专用控制线缆的型号为ACL-102100-1型100针SCSI-II线缆。

所述的混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统进行测试的方法，具体步骤如下：

   步骤一、将外部场强计和被测屏蔽腔体放置在混响室的工作空间内，且将外部场强计置于距离被测屏蔽腔体1m以上距离处；将运动机构置于被测屏蔽腔体中，将运动机构的传动带穿过被测屏蔽腔体与步进电机的输出轴相连接；

步骤二、根据测试频率确定内、外部场强计的采样数量：

根据需要测试的频率，搅拌器旋转一个周期T的时间过程中，内、外部场强计的采样数量M与需要测试的频率有如下关系：

表1不同测试频率时采样数目确定原则

需要测试的频率	fs到6fs	6fs以上
			搅拌器旋转一周期内、外部场强计的采样数量M	≥20	12~20

   其中，fs为混响室的最小可用频率；

    步骤三、确定在被测屏蔽腔体内部工作空间每个正交方向上的采样数量Nx、Ny、Nz：

将步进电机及运动机构分别安装在x、y、z三个正交方向上，根据所选用内部场强计的空间分辨率和被测屏蔽腔体内部工作空间尺寸，按照每10倍空间分辨率距离上至少取一个测试点，均匀取5~40个测试点的原则，分别得到在每个正交方向上的采样数量Nx、Ny、Nz；

    步骤四、确定运动机构在每个正交方向上的运动速度Vx、Vy、Vz：

根据搅拌器旋转频率f、被测屏蔽腔体内部工作空间尺寸长L、宽W、高H，每个正交方向的采样数量Nx、Ny、Nz，得到运动机构在每个正交方向上的运动速度Vx、Vy、Vz；即满足下列公式（1）~（3）：

Vx=L÷[（M÷Nx)×T]              （1），

Vy=W÷[（M÷Ny)×T]              （2），

Vz=H÷[（M÷Nz)×T]              （3）；

将上述运动速度Vx、Vy、Vz和采样数量Nx、Ny、Nz作为参数输入计算机；

要保证在三个正交方向上的每个方向采样过程中，搅拌器至少旋转一周；

   步骤五、启动混响室系统：

利用计算机控制信号发生器产生需要测试的频率的信号，该信号经功率放大器、双定向耦合器以及同轴电缆传输到发射天线，通过发射天线辐射到混响室内部；利用计算机控制搅拌器控制器，驱动搅拌器电机带动搅拌器开始旋转；

   步骤六、启动运动机构和内、外部场强计：

运动机构以步骤四中确定运动速度运动，同时内、外部场强计测试场强数据并存储在计算机中，通过运动机构带动内部场强计测出被测屏蔽腔体中不同位置处的场强值；

步骤七、利用计算机通过公式（4）计算屏蔽效能SE _ave：

        （4）

其中，SE _ave为被测屏蔽腔体的屏蔽效能；

为在需要测试的频率下被测屏蔽腔体外的外部场强计测得所有场强值的统计平均值；

为在需要测试的频率下被测屏蔽腔体内的内部场强计测得所有场强值的统计平均值。

本发明的有益效果是：

（1）由于在被测屏蔽腔体内设有可移动的内部场强计能够实现多点自动测量，最后为平均值的计算提供了方便，能有效提高屏蔽效能测量结果的重复性，使变异系数小于5％，避免了单点测量方法中因为场分布不均和可能的谐振导致的测量结果涨落太大和随机性强的问题。

（2）允许在被测屏蔽腔体的谐振频率处进行屏蔽效能进行测量。

（3）被测屏蔽腔体内无需复杂的内置搅拌器，因而本装置更加简单实用，便于操作，解决了小尺寸屏蔽腔体内无法安装搅拌器的问题，实现了小尺寸屏蔽腔体的屏蔽效能的测量。

附图说明

附图1为本发明的结构块图。

附图2为本发明的运动机构示意图。

其中，1-1内部场强计、1-2外部场强计、2被测屏蔽腔体、3-1~3-2场强计光纤、4计算机、5步进电机控制卡、6步进电机接线端子板、7步进电机、8运动机构、9混响室、10专用控制线缆、11搅拌器控制器、12搅拌器、13发射天线、14信号发生器、15功率放大器、16双定向耦合器、17双通道功率计、18搅拌器电机、19支座、20传动带。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。

实施例1：

    本发明包括混响室9、置于混响室9中的发射天线13、搅拌器12和被测屏蔽腔体2、位于混响室9外部的受计算机4控制的搅拌器控制器11、信号发生器14、功率放大器15、双定向耦合器16、同轴电缆以及双通道功率计17；所述计算机4的输出端经GPIB线缆接所述信号发生器14的GPIB控制端口，所述信号发生器15的输出端经同轴电缆接功率放大器15的输入端，所述功率放大器15的输出端经同轴电缆接双定向耦合器16的输入端，所述双定向耦合器16的输出端经同轴电缆接发射天线13，所述双定向耦合器16的前向输出功率监测端和后向反射功率监测端接双通道功率计17；所述受计算机4控制的搅拌器控制器11的输出信号通过搅拌器电机18驱动搅拌器12；

   其特征在于被测屏蔽腔体2内设有运动机构8，运动机构8上安装有内部场强计1-1，被测屏蔽腔体2和混响室9之间放置有外部场强计1-2和步进电机7，安装有步进电机控制卡5的计算机4经步进电机接线端子板6控制步进电机7

所述内部场强计1-1和外部场强计1-2的输出端分别通过场强计光纤3-1、3-2与计算机4的相应输入端相连接；所述步进电机控制卡5的输出端通过专用控制线缆10与步进电机接线端子板6的输入端相连接，所述步进电机接线端子板6的输出端接步进电机7，所述步进电机7通过其输出轴驱动运动机构8的运动速度和方向；

所述运动机构8包括固定内部场强计1-1的支座19和用于牵引支座19移动的传动带20；所述传动带20与步进电机7的输出轴相连接。

所述传动带20一端固定在支座19上，其另一端穿过被测屏蔽腔体2缠绕在步进电机7的输出轴上。

所述支座19底部带有滚轮。

所述内部场强计1-1和外部场强计1-2的型号为EMR-200；所述步进电机控制卡的型号为PCI-8132；所述步进电机接线端子板6的型号为DIN-100S-01；所述步进电机7的型号为SM257-55H；所述专用控制线缆10的型号为ACL-102100-1型100针SCSI-II线缆。

   所述被测屏蔽腔体2更加适用于小尺寸屏蔽腔体，一般小尺寸屏蔽腔体特指外部尺寸小于2m、大于0.4m的屏蔽体。本实施例中的被测屏蔽腔体2采用不锈钢板制作，钢板厚5mm，其为长方体结构，长×宽×高为800mm ×600mm×500mm，在800mm ×600mm表面中央开缝，开缝尺寸为180mm×40mm。在相对的面上开有φ10mm的波导孔，以便引出各种非金属连接线。

所述混响室9为模式搅拌式混响室，内部尺寸为10.5m×8m×4.3m，可用测试空间6.5 m×5.0 m×2.2 m ，可用频率范围80 MHz～18 GHz。

利用所述的电磁屏蔽效能测试系统进行测试的方法，具体步骤如下：

 步骤一、将外部场强计1-2和被测屏蔽腔体2放置在混响室9的工作空间内，且将外部场强计1-2置于距离被测屏蔽腔体2一米以上距离处；将运动机构8置于被测屏蔽腔体2中，将运动机构8的传动带20穿过被测屏蔽腔体2与步进电机7的输出轴相连接；所述外部场强计1-2固定在距离被测屏蔽腔体21m以上距离处。

步骤二、根据测试频率确定内、外部场强计1-1、1-2的采样数量：

根据需要测试的频率为400MHZ，搅拌器12旋转一个周期T的时间过程中，内、外部场强计1-1、1-2的采样数量M与需要测试的频率有如下关系：

表1不同测试频率时采样数目确定原则

需要测试的频率	80MHz到480MHz	480MHz以上
			搅拌器旋转一周期内、外部场强计的采样数量M	≥20	12~20

   其中，80MHz为混响室的最小可用频率；

    由此可确定，内、外部场强计1-1、1-2的采样数量M设定为40个；

    步骤三、确定在被测屏蔽腔体2内部工作空间每个正交方向上的采样数量Nx、Ny、Nz：

将步进电机7及运动机构8分别安装在x、y、z三个正交方向上，根据所选用内部场强计1-1空间分辨率为5mm和被测小屏蔽体2内部工作空间尺寸为800mm ×600mm×500mm，在与每个边平行的方向上，即每个正交方向上设定的采样位置数Nx、Ny、Nz为20个；

    步骤四、确定运动机构8在每个正交方向上的运动速度Vx、Vy、Vz：

根据搅拌器12旋转频率f、被测屏蔽腔体2内部工作空间尺寸长L、宽W、高H，每个正交方向的采样数量Nx、Ny、Nz，得到运动机构8在每个正交方向上的运动速度Vx、Vy、Vz，本实施例设定搅拌器12的旋转速度

为每分钟1圈，即T=60s；即满足下列公式（1）~（3）：

在长度方向：

Vx=L÷[（M÷Nx)×T]= 800mm÷[（40个÷20个）×60s）]=6.6mm/s （1），

在宽度方向：

Vy=W÷[（M÷Ny)×T]= 600mm÷[（40个÷20个）×60s）]=5.0mm/s （2），

在高度方向：

Vz=H÷[（M÷Nz)×T]= 500mm÷[（40个÷20个）×60s）]=4.2mm/s  （3）；

将上述运动速度Vx、Vy、Vz和采样数量Nx、Ny、Nz作为参数输入计算机4；

要保证在三个正交方向上的每个方向采样过程中，搅拌器12至少旋转一周；

   步骤五、启动混响室系统：

利用计算机4控制信号发生器14产生需要测试的频率的信号，该信号经功率放大器15、双定向耦合器16以及同轴电缆传输到发射天线13，通过发射天线13辐射到混响室9内部；利用计算机4控制搅拌器控制器11，驱动搅拌器电机18带动搅拌器12）开始旋转；

   步骤六、启动运动机构8和内、外部场强计1-1、1-2：

运动机构8以步骤四中确定运动速度运动，同时内、外部场强计1-1、1-2测试场强数据并存储在计算机4中，通过运动机构8带动内部场强计1-1

测出被测屏蔽腔体2中不同位置处的场强值；

步骤七、利用计算机4通过公式（4）计算屏蔽效能SE _ave：

        （4）

其中，SE _ave为被测屏蔽腔体2的屏蔽效能；

为在需要测试的频率下被测屏蔽腔体2外的外部场强计1-2测得所有场强值的统计平均值；

为在需要测试的频率下被测屏蔽腔体2内的内部场强计1-1测得所有场强值的统计平均值。

所述多点统计的方法是按照一定规则测量得到的场强数值的平均值；（1）测量

的规则是：将外部场强计放置在混响室的工作区内，且保持在距离被测屏蔽腔体1米以上距离处，根据混响室内辐射场的频率不同，外部场强计在混响室的搅拌器的一个旋转周期中的采样数目不同。  

   在某一混响室内辐射场的频率下，按照步进方式旋转搅拌器，测量相应数目的场强数值，然后计算平均值作为该频率下

的数值。（2）测量

的规则是：滑动轨道设置在被测屏蔽腔体内中间位置的一条直线上，如果混响室内辐射场的波长大于被测屏蔽腔体的尺寸，则在被测屏蔽腔体的线度内，利用在滑动轨道移动的内部场强计测定20个以上的场强数值，然后计算平均值得到的数值。

    上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。

Claims (5)

1.一种混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统，其包括混响室（9）、置于混响室（9）中的发射天线（13）、搅拌器（12）和被测屏蔽腔体（2）、位于混响室（9）外部的受计算机（4）控制的搅拌器控制器（11）、信号发生器（14）、功率放大器（15）、双定向耦合器（16）、同轴电缆以及双通道功率计(17)；所述计算机（4）的输出端经GPIB线缆接所述信号发生器（14）的GPIB控制端口，所述信号发生器（15）的输出端经同轴电缆接功率放大器（15）的输入端，所述功率放大器（15）的输出端经同轴电缆接双定向耦合器（16）的输入端，所述双定向耦合器（16）的输出端经同轴电缆接发射天线（13），所述双定向耦合器（16）的前向输出功率监测端和后向反射功率监测端接双通道功率计（17）；所述受计算机（4）控制的搅拌器控制器（11）的输出信号通过搅拌器电机（18）驱动搅拌器（12）；

   其特征在于被测屏蔽腔体（2）内设有运动机构（8），运动机构（8）上安装有内部场强计（1-1），被测屏蔽腔体（2）和混响室（9）之间放置有外部场强计（1-2）和步进电机（7），安装有步进电机控制卡（5）的计算机（4）经步进电机接线端子板（6）控制步进电机（7）；

所述内部场强计（1-1）和外部场强计（1-2）的输出端分别通过场强计光纤（3-1、3-2）与计算机（4）的相应输入端相连接；所述步进电机控制卡（5）的输出端通过专用控制线缆（10）与步进电机接线端子板（6）的输入端相连接，所述步进电机接线端子板（6）的输出端接步进电机（7），所述步进电机（7）通过其输出轴驱动运动机构（8）的运动速度和方向；

所述运动机构（8）包括固定内部场强计（1-1）的支座（19）和用于牵引支座（19）移动的传动带（20）；所述传动带（20）与步进电机（7）的输出轴相连接。

2.根据权利要求1所述的混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统，其特征在于所述传动带（20）一端固定在支座（19）上，其另一端穿过被测屏蔽腔体（2）缠绕在步进电机（7）的输出轴上。

3.根据权利要求2所述的混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统，其特征在于所述支座（19）底部带有滚轮。

4.根据权利要求1所述的混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统，其特征在于所述内部场强计（1-1）和外部场强计（1-2）的型号为EMR-200；所述步进电机控制卡的型号为PCI-8132；所述步进电机接线端子板（6）的型号为DIN-100S-01；所述步进电机（7）的型号为SM257-55H；所述专用控制线缆（10）的型号为ACL-102100-1型100针SCSI-II线缆。

5.利用权利要求1所述的混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统进行测试的方法，具体步骤如下：

   步骤一、将外部场强计（1-2）和被测屏蔽腔体（2）放置在混响室（9）的工作空间内，且将外部场强计（1-2）置于距离被测屏蔽腔体（2）1m以上距离处；将运动机构（8）置于被测屏蔽腔体（2）中，将运动机构（8）的传动带（20）穿过被测屏蔽腔体（2）与步进电机（7）的输出轴相连接；

步骤二、根据测试频率确定内、外部场强计（1-1、1-2）的采样数量：

根据需要测试的频率，搅拌器（12）旋转一个周期T的时间过程中，内、外部场强计（1-1、1-2）的采样数量M与需要测试的频率有如下关系：

表1不同测试频率时采样数目确定原则

需要测试的频率 fs到6fs 6fs以上 搅拌器旋转一周期内、外部场强计的采样数量M ≥20 12~20

   其中，fs为混响室的最小可用频率；

    步骤三、确定在被测屏蔽腔体（2）内部工作空间每个正交方向上的采样数量Nx、Ny、Nz：

将步进电机（7）及运动机构（8）分别安装在x、y、z三个正交方向上，根据所选用内部场强计（1-1）的空间分辨率和被测屏蔽腔体（2）内部工作空间尺寸，按照每10倍空间分辨率距离上至少取一个测试点，均匀取5~40个测试点的原则，分别得到在每个正交方向上的采样数量Nx、Ny、Nz；

    步骤四、确定运动机构（8）在每个正交方向上的运动速度Vx、Vy、Vz：

根据搅拌器（12）旋转频率f、被测屏蔽腔体（2）内部工作空间尺寸长（L）、宽（W）、高（H），每个正交方向的采样数量Nx、Ny、Nz，得到运动机构（8）在每个正交方向上的运动速度Vx、Vy、Vz；即满足下列公式（1）~（3）：

Vx=L÷[（M÷Nx)×T]              （1），

Vy=W÷[（M÷Ny)×T]              （2），

Vz=H÷[（M÷Nz)×T]              （3）；

将上述运动速度Vx、Vy、Vz和采样数量Nx、Ny、Nz作为参数输入计算机（4）；

要保证在三个正交方向上的每个方向采样过程中，搅拌器（12）至少旋转一周；

   步骤五、启动混响室系统：

利用计算机（4）控制信号发生器（14）产生需要测试的频率的信号，该信号经功率放大器（15）、双定向耦合器（16）以及同轴电缆传输到发射天线（13），通过发射天线（13）辐射到混响室（9）内部；利用计算机（4）控制搅拌器控制器（11），驱动搅拌器电机（18）带动搅拌器（12）开始旋转；

   步骤六、启动运动机构（8）和内、外部场强计（1-1、1-2）：

运动机构（8）以步骤四中确定运动速度运动，同时内、外部场强计（1-1、1-2）测试场强数据并存储在计算机（4）中，通过运动机构（8）带动内部场强计（1-1）

测出被测屏蔽腔体（2）中不同位置处的场强值；

步骤七、利用计算机（4）通过公式（4）计算屏蔽效能SE _ave：

        （4）

其中，SE _ave为被测屏蔽腔体（2）的屏蔽效能；

为在需要测试的频率下被测屏蔽腔体（2）外的外部场强计（1-2）测得所有场强值的统计平均值；

为在需要测试的频率下被测屏蔽腔体（2）内的内部场强计（1-1）测得所有场强值的统计平均值。

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