CN103884940A - 基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统及其测试方法，其包括如下步骤：（1）进行测试准备；（2）窗口上无被测电磁防护材料时，使主搅拌器和小搅拌器按规律转动并获得数据；（3）取测量数据波形中所有极大值数值，建立系综均值包络线并取峰值E0；（4）窗口上有被测电磁防护材料时，重复步骤（2）~（3），得到峰值ES，ES和E0表征有、无被测电磁防护材料时的场强数值；（5）计算被测电磁防护材料的电磁脉冲屏蔽效能SEP。本发明的优点是测试结果重复性好，使变异系数小于5%，解决了传统屏蔽效能测量中单点单次测量产生的结果随机性强、涨落太大的问题，适合于等幅振荡脉冲、不等幅振荡脉冲、双指数脉冲，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统及其测试方法，属于电磁屏蔽技术领域，适合于等幅振荡脉冲、不等幅振荡脉冲、双指数脉冲的多种类型的电磁脉冲辐射场条件下被测电磁防护材料的电磁脉冲屏蔽效能的测量，特别适合于漫射场电磁环境条件下电磁防护材料的屏蔽效能的测量。
背景技术
电磁防护材料是提高电子信息系统最有效的电磁防护和抗干扰手段，广泛用于科学研究、电子技术、航空航天，特别是军事技术等领域。现代社会环境、特别是现代战场上电磁环境复杂恶劣，同时，电磁脉冲武器的电磁攻击对电子信息设备和系统的电磁生存能力构成严峻威胁。材料的电磁脉冲屏蔽效能是衡量电子信息设备或系统电磁防护效果好坏的标志，直接影响着设备或系统在电磁脉冲辐射环境下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，我国只有连续波条件下材料电磁屏蔽效能的测试标准以及相应的测试方法，而对于材料的电磁脉冲屏蔽效能还没有测量标准和方法，这为材料的电磁脉冲防护能力评估以及电子信息装备或系统的电磁脉冲防护性能评估带来困难；此外，电磁脉冲环境多是在腔室环境以及其他具有多个反射折射环境下的漫射场电磁环境，在该环境下材料的电磁防护性能评价还没有标准化测试方法。基于上述形势，我国迫切需要建立一套科学有效的材料在复杂电磁脉冲环境下的电磁防护性能评价方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为材料的电磁脉冲防护性能评价提供了一种重复性好、并适合于漫射场电磁脉冲环境的电磁脉冲屏蔽效能测量系统及其测试方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
本发明包括混响室、安装于混响室中的主搅拌器和发射天线、位于混响室外部的受计算机控制的主步进电机、接收机、示波器、GPIB卡、步进电机控制卡、步进电机控制器、脉冲信号发生器、功率放大器和嵌套于混响室内的小混响室；
所述计算机的相应输出端接所述脉冲信号发生器的相应输入端，所述脉冲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发射天线；
其特征在于：所述小混响室外部设有小步进电机，其内部设有小搅拌器和脉冲场探头；所述计算机依次经步进电机控制卡和步进电机控制器连接主步进电机和小步进电机，所述混响室内的主搅拌器和小混响室内的小搅拌器分别接在所述主步进电机和小步进电机的输出轴上；所述脉冲场探头通过位于小混响室上的截止波导内的光纤连接接收机；所述接收机的输出端依次经示波器、GPIB卡接计算机的相应端口；所述小混响室侧面开有窗口。
所述接收机的输出端经同轴电缆接示波器的输入端，所述示波器的输出端经GPIB数据线接GPIB卡的输入端，所述GPIB卡的输出端经USB连接线接计算机。
所述小混响室为长方体结构，同一顶角的相邻三个边的长度相互间不成倍数关系，且内部小搅拌器的旋转直径是小混响室最小边长的1/3以上。
所述窗口开设在距离小搅拌器最远的侧面上。
所述窗口上严密覆盖有被测电磁防护材料，所述被测电磁防护材料通过法兰盘固定在窗口上。
所述脉冲场探头固定在小混响室的中央位置。
基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统进行测试的方法，其具体步骤如下：
步骤一、进行测试准备：
a.保持小混响室窗口为开放状态；
b. 设定主搅拌器和小搅拌器在旋转一周内步进式转动的位置数分别为N、n，包含初始位置，其中N，n≥12，并计算主搅拌器和小搅拌器每一步的转动角度为2π/N和2π/n；
c.设定主搅拌器的初始位置为S1和小搅拌器初始位置为s1；
步骤二、测量没有安装被测电磁防护材料时的峰值场强数值E0：
a.通过脉冲信号发生器、功率放大器和发射天线，向混响室中发射需要的电磁脉冲；主搅拌器和小搅拌器分别位于初始位置为S1和s1，由脉冲场探头测量小混响室内的脉冲场时域波形，并将波形数据记录在计算机中；
b.主搅拌器保持初始位置S1不变，小搅拌器转动一次，转动角度为2π/n，由脉冲场探头测量小混响室内的脉冲场时域脉冲波形，并将波形数据记录在计算机中；
c. 重复步骤二中第b步共n-1次，直到小搅拌器旋转达一周，共完成n次测量，脉冲场探头得到n个脉冲时域波形，并将波形数据记录在计算机中；
d．主搅拌器转动一次，转动角度为2π/N，小搅拌器从初始位置s1开始，脉冲场探头测量小混响室内的脉冲场时域波形，并将波形数据记录在计算机中，之后小搅拌器步进式旋动n-1次，旋转达一周，共完成n次测量，脉冲场探头得到n个脉冲时域波形，并将波形数据记录在计算机中；
e.重复步骤二中第d步，直到主搅拌器转动N-1次，旋转达一周，计算机总共分别记录下脉冲场探头的N×n个脉冲场时域波形数据；
步骤三、处理脉冲场时域波形数据得到测量没有安装被测电磁防护材料时的峰值场强数值E0，具体步骤如下：
a.对获得的N×n个脉冲场时域波形数据中的每一个波形，首先选出所述波形中的所有极大值数值；
b.根据所有N×n个脉冲场时域波形的所有极大值数值及其对应的时间，建立移动平均值时域曲线；
c.根据移动平均值时域曲线，建立移动平均值时域曲线的包络线，称为系综均值包络线；取系综均值包络线的峰值，作为没有安装被测电磁防护材料情况下的峰值场强数值E0；
步骤四、测量安装被测电磁防护材料时的峰值场强数值ES：
将被测电磁防护材料严密覆盖在窗口上，保持步骤一设置的参数N、n、主搅拌器的初始位置S1和小搅拌器初始位置s1不变，重复步骤二至三的测量和数据处理方法，记录系综均值包络线的峰值，作为安装有被测电磁防护材料情况下的峰值场强数值ES；
步骤五、利用如下公式(1)计算被测电磁防护材料的电磁脉冲屏蔽效能SEP：
（1）
其中，E0为没有安装被测电磁防护材料情况下的峰值场强数值；
ES为安装被测电磁防护材料情况下的峰值场强数值。
本发明所产生的积极效果如下：
（1）由于采用了主搅拌器和小搅拌器不同位置条件下的脉冲场多次测量，并采用了系综均值包络线的峰值来表征有、无被测电磁防护材料时的场强数值，使得测试结果重复性好，使变异系数小于5%，解决了传统屏蔽效能测量中单点单次测量产生的结果随机性强、涨落太大的问题。
（2）由于混响室和小混响室均采用了机械搅拌器，在小混响室的内部和外部都因为电磁波的多次反射过程而形成漫射场电磁环境，这种环境更接近于日常存在的复杂电磁脉冲环境，因而能够更真实的反映材料对真实电磁环境的电磁防护能力。
（3）小混响室为长方体结构，同一顶角的相邻三个边的长度相互间不成倍数关系，可以避免箱体中电磁波的谐振现象，增加模数。
（4）窗口开设在距离小搅拌器的最远的侧面上，窗口设在距离小搅拌器较远的位置，可以减轻小搅拌器对被测电磁防护材料以及脉冲场探头的直接影响，有利于保持测试结果的重复性。
（4）由于对接收到的脉冲波形采用了极大值数据选取，建立系综均值包络线的方法，适合于等幅振荡脉冲、不等幅振荡脉冲、双指数脉冲的多种类型的电磁脉冲辐射场条件下被测电磁防护材料的电磁脉冲屏蔽效能的测量，适用范围广，实用性强，易于推广应用。
附图说明
附图1为本发明的测试系统的结构示意图。
附图2为本发明的测试方法中系综均值包络线的示意图。
其中，1混响室、2主搅拌器、3发射天线、4主步进电机、5小混响室、6小步进电机、7小搅拌器、8法兰盘、9被测电磁防护材料、10脉冲场探头、11接收机、12示波器、13计算机、14功率放大器、15脉冲信号发生器、16步进电机控制卡、17步进电机控制器、18光纤、19 GPB数据线、20 GPIB卡、21 USB数据线、22窗口、23截止波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：
由图1~2所示的实施例可知，它包括混响室1、安装于混响室1中的主搅拌器2和发射天线3、位于混响室1外部的受计算机13控制的主步进电机4、接收机11、示波器12、GPIB卡20、步进电机控制卡16、步进电机控制器17、脉冲信号发生器15、功率放大器14和嵌套于混响室1内的小混响室5；
所述计算机13的相应输出端接所述脉冲信号发生器15的相应输入端，所述脉冲信号发生器15的输出端经同轴电缆接功率放大器14的输入端，所述功率放大器14的输出端经同轴电缆接发射天线3；
其特征在于：所述小混响室5外部设有小步进电机6，其内部设有小搅拌器7和脉冲场探头 10；所述计算机 13依次经步进电机控制卡 16和步进电机控制器17连接主步进电机4和小步进电机6，所述混响室1内的主搅拌器 2和小混响室5内的小搅拌器7分别接在所述主步进电机4和小步进电机6的输出轴上；所述脉冲场探头10通过位于小混响室5上的截止波导23内的光纤 18连接接收机11；所述接收机11的输出端依次经示波器12、GPIB卡20接计算机3的相应端口；所述小混响室5侧面开有窗口22。
所述接收机11的输出端经同轴电缆接示波器12的输入端，所述示波器12的输出端经GPIB数据线19接GPIB卡20的输入端，所述GPIB卡20的输出端经USB连接线21接计算机13。
所述主步进电机4和小步进电机6通过其输出轴驱动主搅拌器2和小搅拌器7的运动速度和方向。
所述脉冲场探头10、光接收机11和示波器12构成的脉冲场测试系统，其测试频率应满足从直流到1GHz以上的测试带宽。
所述混响室1为机械搅拌式混响室，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。
所述小混响室5为长方体结构，同一顶角的相邻三个边的长度相互间不成倍数关系，且内部小搅拌器7的旋转直径是小混响室最小边长的1/3以上。本实例中，小混响室的长×宽×高为0.63m×0.54m×0.85m，在小混响室5内部接近宽×高为0.54m×0.85m面的一侧，安装了旋转半径为0.25m、高为0.8m的铝质之字形搅拌器。
所述窗口22开设在距离小搅拌器7的最远的侧面上。
本实例中，在宽×高为0.54m×0.85m一面的中央位置开一个窗口22，窗口22的开缝尺寸为宽×高为0.5m×0.4m，并在窗口22周边焊接法兰盘8，将被测材料样品用裁剪成宽×高为0.6m×0.5m大小，并用螺栓和法兰盘8固定在窗口22上，使材料和法兰盘四周保持紧密接触；
所述窗口22上严密覆盖有被测电磁防护材料9，所述被测电磁防护材料9通过法兰盘8固定在窗口22上。
所述脉冲场探头10固定在小混响室5的中央位置。
所述脉冲场探头10的型号为D-Dot 型传感器；所述接收机11的型号为ATC-277；所述示波器12的型号为DSA 8300：所述功率放大器14的型号为AWG5000；所述脉冲信号发生器15的型号为INS-4020；所述步进电机控制卡16的型号为PCI-8132；所述步进电机控制器17的型号为MID-7604；所述GPIB卡20的型号为GPIB-USB-HS；
基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统进行测试的方法，其具体步骤如下：
步骤一、进行测试准备：
a.保持小混响室窗口22为开放状态；
b. 设定主搅拌器2和小搅拌器7在旋转一周内步进式转动的位置数分别为N、n，包含初始位置，其中N，n≥12，并计算主搅拌器2和小搅拌器7每一步的转动角度为2π/N和2π/n；本实例中，N、n都取12，主搅拌器2和小搅拌器7每一步的旋转角度则为π/6，既为30o；
c.设定主搅拌器2的初始位置为S1和小搅拌器7初始位置为s1；
步骤二、测量没有安装被测电磁防护材料时的峰值场强数值E0：
a.通过脉冲信号发生器15、功率放大器14和发射天线3，向混响室1中发射需要的电磁脉冲；在本实例中，向混响室1的发射天线3注入方波脉冲，在混响室1中将会形成一个先振荡增加、再振荡衰减的脉冲辐射场；
主搅拌器2和小搅拌器7分别位于初始位置为S1和s1，由脉冲场探头10测量小混响室内5的脉冲场时域波形，并将波形数据记录在计算机13中；
b.主搅拌器2保持初始位置S1不变，小搅拌器7转动一次，转动角度为2π/n=π/6=30o，由脉冲场探头10测量小混响室5内的脉冲场时域脉冲波形，并将波形数据记录在计算机13中；
c.重复步骤二中第b步共n-1=12-1=11次，直到小搅拌器7旋转达一周，共完成12次测量，脉冲场探头10得到12个脉冲时域波形，并将波形数据记录在计算机13中；
d．主搅拌器2转动一次，转动角度为2π/N，小搅拌器7从初始位置s1开始，脉冲场探头10测量小混响室内5的脉冲场时域波形，并将波形数据记录在计算机13中，之后小搅拌器7步进式旋动N-1=12-1=11次，旋转达一周，共完成12次测量，脉冲场探头10得到12个脉冲时域波形，并将波形数据记录在计算机13中；
e.重复步骤二中第d步，直到主搅拌器2转动11次，旋转达一周，计算机13总共分别记录下脉冲场探头10的N×n=12×12=144个脉冲场时域波形数据；
步骤三、处理脉冲场时域波形数据得到测量没有安装被测电磁防护材料9时的峰值场强数值E0，具体步骤如下：
a.对获得的144个脉冲场时域波形数据中的每一个波形，首先选出所述波形中的所有极大值数值；
b.根据所有144个脉冲场时域波形的所有极大值数值及其对应的时间，建立移动平均值时域曲线；
c.根据移动平均值时域曲线，建立移动平均值时域曲线的包络线，称为系综均值包络线；取系综均值包络线的峰值，作为没有安装被测电磁防护材料9情况下的峰值场强数值E0；
步骤四、测量安装被测电磁防护材料时的峰值场强数值ES：
将被测电磁防护材料9严密覆盖在窗口22上，重复步骤二至三，记录系综均值包络线的峰值，作为安装有被测电磁防护材料9情况下的峰值场强数值ES；
步骤五、利用如下公式(1)计算被测电磁防护材料9的电磁脉冲屏蔽效能SEP：
其中，E0为没有安装被测电磁防护材料9情况下的峰值场强数值；
ES为安装被测电磁防护材料9情况下的峰值场强数值。
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 (7)
1.一种基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其包括混响室（1）、安装于混响室（1）中的主搅拌器（2）和发射天线（3）、位于混响室（1）外部的受计算机（13）控制的主步进电机（4）、接收机（11）、示波器（12）、GPIB卡（20）、步进电机控制卡（16）、步进电机控制器（17）、脉冲信号发生器（15）、功率放大器（14）和嵌套于混响室（1）内的小混响室（5）；
所述计算机（13）的相应输出端接所述脉冲信号发生器（15）的相应输入端，所述脉冲信号发生器（15）的输出端经同轴电缆接功率放大器（14）的输入端，所述功率放大器（14）的输出端经同轴电缆接发射天线（3）；
其特征在于：所述小混响室（5）外部设有小步进电机（6），其内部设有小搅拌器（7）和脉冲场探头（10）；所述计算机（13）依次经步进电机控制卡（16）和步进电机控制器（17）连接主步进电机（4）和小步进电机（6），所述混响室（1）内的主搅拌器（2）和小混响室（5）内的小搅拌器（7）分别接在所述主步进电机（4）和小步进电机（6）的输出轴上；所述脉冲场探头（10）通过位于小混响室（5）上的截止波导（23）内的光纤（18）连接接收机（11）；所述接收机（11）的输出端依次经示波器（12）、GPIB卡（20）接计算机（3）的相应端口；
所述小混响室（5）侧面开有窗口（22）。
2.根据权利要求1所述的基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征还在于：所述接收机（11）的输出端经同轴电缆接示波器（12）的输入端，所述示波器（12）的输出端经GPIB数据线（19）接GPIB卡（20）的输入端，所述GPIB卡（20）的输出端经USB连接线(21)接计算机（13）。
3.根据权利要求1所述的基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征还在于：所述小混响室（5）为长方体结构，同一顶角的相邻三个边的长度相互间不成倍数关系，且内部小搅拌器（7）的旋转直径是小混响室（5）最小边长的1/3以上。
4.根据权利要求1所述的基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征还在于：所述窗口（22）开设在距离小搅拌器（7）最远的侧面上。
5.根据权利要求1所述的基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征还在于：所述窗口（22）上严密覆盖有被测电磁防护材料（9），所述被测电磁防护材料（9）通过法兰盘（8）固定在窗口（22）上。
6.根据权利要求1所述的基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征在于：所述脉冲场探头（10）固定在小混响室（5）的中央位置。
7.利用权利要求1所述的基于嵌套混响室的材料电磁脉冲屏蔽效能测试系统进行测试的方法，其具体步骤如下：
步骤一、进行测试准备：
a.保持小混响室窗口（22）为开放状态；
b.设定主搅拌器（2）和小搅拌器（7）在旋转一周内步进式转动的位置数分别为N、n，包含初始位置，其中N，n≥12，并计算主搅拌器（2）和小搅拌器（7）每一步的转动角度为2π/N和2π/n；
c.设定主搅拌器（2）的初始位置为S1和小搅拌器（7）初始位置为s1；
步骤二、测量没有安装被测电磁防护材料（9）时的脉冲场时域波形数据：
a.通过脉冲信号发生器（15）、功率放大器（14）和发射天线（3），向混响室（1）中发射需要的电磁脉冲；主搅拌器（2）和小搅拌器（7）分别位于初始位置为S1和s1，由脉冲场探头（10）测量小混响室内（5）的脉冲场时域波形，并将波形数据记录在计算机（13）中；
b.主搅拌器（2）保持初始位置S1不变，小搅拌器（7）转动一次，转动角度为2π/n，由脉冲场探头（10）测量小混响室（5）内的脉冲场时域脉冲波形，并将波形数据记录在计算机（13）中；
c.重复步骤二中第b步共n-1次，直到小搅拌器（7）旋转达一周，共完成n次测量，脉冲场探头（10）得到n个脉冲时域波形，并将波形数据记录在计算机（13）中；
d．主搅拌器（2）转动一次，转动角度为2π/N，小搅拌器（7）从初始位置s1开始，脉冲场探头（10）测量小混响室内（5）的脉冲场时域波形，并将波形数据记录在计算机（13）中，之后小搅拌器（7）步进式旋动n-1次，旋转达一周，共完成n次测量，脉冲场探头（10）得到n个脉冲时域波形，并将波形数据记录在计算机（13）中；
e.重复步骤二中第d步，直到主搅拌器（2）转动N-1次，旋转达一周，计算机（13）总共分别记录下脉冲场探头（10）的N×n个脉冲场时域波形数据；
步骤三、处理脉冲场时域波形数据得到测量没有安装被测电磁防护材料（9）时的峰值场强数值E0，具体步骤如下：
a.对获得的N×n个脉冲场时域波形数据中的每一个波形，首先选出所述波形中的所有极大值数值；
b.根据所有N×n个脉冲场时域波形的所有极大值数值及其对应的时间，建立移动平均值时域曲线；
c.根据移动平均值时域曲线，建立移动平均值时域曲线的包络线，称为系综均值包络线；取系综均值包络线的峰值，作为没有安装被测电磁防护材料（9）情况下的峰值场强数值E0；
步骤四、测量安装被测电磁防护材料时的峰值场强数值ES：
将被测电磁防护材料（9）严密覆盖在窗口（22）上，保持步骤一设置的参数N、n、主搅拌器（2）的初始位置S1和小搅拌器（7）初始位置s1不变，重复步骤二至三的测量和数据处理方法，记录系综均值包络线的峰值，作为安装有被测电磁防护材料（9）情况下的峰值场强数值ES；
步骤五、利用如下公式(1)计算被测电磁防护材料（9）的电磁脉冲屏蔽效能SEP：
（1）
其中，E0为没有安装被测电磁防护材料（9）情况下的峰值场强数值；
ES为安装被测电磁防护材料（9）情况下的峰值场强数值。
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