CN109557382A - 一种电磁辐射测量方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁辐射测量方法，步骤如下：步骤一、选择设备金属壳体表面已有的缝隙作为传感接收天线；步骤二、在缝隙的边沿设置馈电点，在馈电点处连接馈线，形成缝隙天线；步骤三、馈线的另一端通过阻抗变换器与同轴传输线相连，利用阻抗变换器使缝隙天线的阻抗与同轴传输线的阻抗相匹配；步骤四、将同轴传输线与电磁辐射检测电路相连，将缝隙天线接收到的信号传输至电磁辐射检测电路，实现对电磁辐射信号检测。本发明利用设备金属壳体自身具有的缝隙结构作为传感接收天线，在缝隙边沿设置馈电点形成缝隙天线，通过缝隙天线接收设备内部的电磁辐射信号，无需额外设置探头，可在探测设备不受影响的情况下，对电磁辐射进行较为全面的测量。

Description

一种电磁辐射测量方法

技术领域

本发明属于设备金属壳体内部电磁辐射检测技术领域，特别涉及一种利用设备金属外壳上的缝隙作为传感接收天线的电磁辐射测量方法。

背景技术

电场和磁场的交互变化会产生电磁波，电磁波向空间中发射或泄露的现象称为电磁辐射。检测设备内部的电磁辐射是监测设备内部运行状态、保证其安全运行的常见、有效手段之一。然而，如何对外部带有金属壳体的设备或系统内部的电磁辐射进行测量是一直以来困扰着工程师的问题，特别是当设备内部为高温高压等特殊环境时，无法直接对其运行状态的电磁辐射进行观察。

设备壳体内部的电磁波按照电磁波传播规律进行传播，大部分的电磁波在壳体内部传播，在设备金属壳体存在缝隙的位置，有部分电磁波会经由壳体缝隙向壳体外部传输。有关设备壳体内部电磁辐射的检测一直是电磁辐射测量领域的应用难题。目前，常见思路有如下两种：其一，在设备内部设置测量探头；该方式最为直接，但因设备内部的特殊环境，如空间限制、高温、高压、复杂电磁环境等因素，测量探头的性能往往无法达到预期的效果，进而大大增加了探头设计的难度。其二，在金属壳体外表面的缝隙处设置测量探头；该方式虽然避免了探头性能受壳内特殊环境带来的不良影响，但受缝隙结构的滤波影响，设备金属壳内的电磁辐射只有少部分从缝隙处泄露出来，所探测电磁辐射信号的频谱和能量大大受限，故将探头放在金属壳外测量不能获得壳内电磁辐射的全部信息，是不全面的测量方式。因此，如何在探测设备不受影响的情况下，对电磁辐射进行较为全面检测是业内需要解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用设备金属外壳上的缝隙作为传感接收天线的电磁辐射检测方法，可以在避免设备内部复杂环境影响的情况下，对电磁辐射进行较为全面的测量。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种电磁辐射测量方法，包括以下步骤：

步骤一、选择设备金属壳体表面已有的缝隙作为传感接收天线；

步骤二、在缝隙的边沿设置馈电点，在馈电点处连接馈线，形成缝隙天线；

步骤三、馈线的另一端通过阻抗变换器与同轴传输线相连，利用阻抗变换器使缝隙天线的阻抗与同轴传输线的阻抗相匹配；

步骤四、将同轴传输线与电磁辐射检测电路相连，将缝隙天线接收到的信号传输至电磁辐射检测电路，实现对电磁辐射信号检测。

进一步的，通过仿真分析的方式确定馈电点的位置。

进一步的，馈电点位置的确定方法如下：基于所选择的缝隙，利用电磁仿真软件建立该缝隙作为传感接收天线的仿真模型，以缝隙长边的中心点作为馈电点的初始位置，将天线仿真模型的中心频率设为待测量电磁辐射的频率范围的中心频率；将馈电点与缝隙长边的中心点之间的距离设为仿真扫描的距离参数，馈电点的初始位置与缝隙长边的端部之间的距离设为仿真扫描的最大距离；在仿真软件中只改变距离参数，其他参数不变，以固定步进从0开始对距离参数逐一扫描，直至距离参数等于仿真扫描的最大距离，获得与不同距离参数对应的天线仿真模型的回波损耗值；在所有的回波损耗值中，找出其中的最小值，根据该回波损耗最小值对应的距离参数确定缝隙的最佳馈电点。

进一步的，步骤三中进行阻抗匹配的方法如下：获得所建立的仿真模型的输入阻抗图，对于要测量的频率点，根据输入阻抗图确定与该频率点对应的传感接收天线的阻抗，然后调节阻抗变换器，使缝隙与同轴传输线在该频率点上的阻抗匹配。进一步的，所述缝隙可以为设置于所述设备金属壳体上的散热孔或通风孔或测试孔或检修孔或制作工艺孔等各种存在的缝隙。

由以上技术方案可知，本发明方法利用设备金属壳体自身具有的缝隙结构作为传感接收天线，在缝隙边沿设置一对馈电点并连接馈线形成缝隙天线，通过缝隙接收设备内部的电磁辐射信号，根据待测量电磁辐射的频率范围，在不同测量频率点上依次进行阻抗匹配后即可实现全频率范围扫描，从而实现对全频率范围的电磁辐射测量。由于壳内电磁波会耦合到壳体表面的缝隙上，以设备外壳缝隙作为传感天线，既可以避免测量探头在置于壳体内部时性能受到影响，又可以不受缝隙滤波效应的限制，对内部的电磁辐射信号进行全面检测。本发明方法无需额外设计探头，也不用考虑探头的放置位置，不受设备的种类、运行状态的限制，只要设备金属壳体表面上存在缝隙，就可以作为接收传感器，实现对设备的在线或非在线电磁辐射检测，为金属壳体内部的电磁辐射检测提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的原理示意图；

图3为确定最佳馈电点位置的方法流程图；

图4为简化仿真模型示意图；

图4a为图4中A部分的局部放大示意图；

图5为仿真实验中缝长为50mm、缝宽为1mm的缝隙结构在最佳馈电位置(测量位置)条件下的S11参数图；

图6为仿真实验中缝长为50mm、缝宽为1mm的缝隙结构Z参数图；

图7为仿真实验中缝长为50mm、缝宽为1mm的缝隙结构在不同阻抗匹配条件下的S11参数图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

一些内部放置有电气元件的设备/设备柜，由于其内部的一些部件功率大、产热多，因此在设备金属壳体的表面必须设置散热通风渠道(如各种形状的孔隙)，以降低设备内部的环境温度，来保证设备的正常运转。此外，在这些设备金属壳体表面还会设置用于测试、调试用途的孔隙结构，以方便维护人员可以对设备进行周期性的检查，及时排查故障。同时，为了满足减震、可拆卸等工艺需求，一些设备的壳体表面还会留有一些工艺缝隙。

根据缝隙天线的原理可知，当一个足够大的导体平面上开有缝隙时，在缝隙的边沿选取合适位置进行馈电(测量)，即可构成一个可以接收电磁波信号的缝隙天线。设备金属壳体表面存在的缝隙结构相对于整个设备的金属壳体来说，可以视为是在足够大的导体平面上开设了缝隙，此时，如果在设备金属壳体已有缝隙的边沿进行馈电(测量)，就可将设备本身的缝隙结构当作一个缝隙接收天线。

本发明的基本思路是：利用设备金属壳体上的已有的缝隙结构作为接收设备内部电磁辐射的接收天线，来进行电磁辐射的测量。由于直接利用了设备金属壳体上的缝隙作为接收传感器(接收天线)，不需再额外放置测量探头，从而可以达到既不影响探测探头性能，又能够对电磁辐射进行较为全面测量的效果。

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参照图1和图2，本发明方法包括以下步骤：

步骤一、选择设备金属壳体表面已有的缝隙作为传感接收天线，用于接收来自壳体内部的电磁辐射电磁波信号，设备金属壳体的缝隙结构包括但不限于散热孔、通风孔、设备测试孔、设备检修孔以及制作工艺所留下的其它孔隙结构，孔隙结构的尺寸和形状不限；

步骤二、在缝隙的两边沿设置馈电点，在馈电点处连接馈线，形成缝隙天线；可通过测量缝隙边沿不同位置处的回波损耗来确定合适的馈电点(测量点)位置，本实施例采用仿真分析的方式来确定缝隙的最佳馈电点(测量点)，即基于所选择的缝隙，利用电磁仿真软件，如ANSYS HFSS软件，建立该缝隙作为传感接收天线的仿真模型，建立一个天线仿真模型后，以待测量电磁辐射的频率范围的中心频率为天线模型中心频率进行仿真分析，仿真分析的具体步骤参照后面的描述；此外，也可通过实际测量(回波损耗)的方式来确定缝隙的最佳馈电点；

步骤三、将馈线的另一端通过阻抗变换器与同轴传输线相连，利用阻抗变换器使缝隙的阻抗与同轴传输线的阻抗相匹配；阻抗匹配的方法具体为：根据步骤二建立的天线仿真模型，仿真得到缝隙的输入阻抗(以下简称Z参数)图；选定要测量的频率点，根据Z参数图确定该测量频率点处的缝隙(传感接收天线)的阻抗，然后调节阻抗变换器，使缝隙天线与同轴传输线在该频率点上的阻抗匹配；

步骤四、将同轴传输线与电磁辐射检测电路相连，本实施例的电磁辐射检测电路采用AD公司的型号为EVAL-AD8312的检测模块，将缝隙天线接收到的信号传输至电磁辐射检测电路，实现对电磁辐射信号检测。

下面以一具体例子对本发明方法中建立缝隙的仿真模型的过程以及对该缝隙天线特性分析过程进行说明。实际应用中由于整个设备金属壳体表面相对缝隙来说可视为无限大平面，根据电磁波理论，以足够大平面上的缝隙建立仿真模型即可分析缝隙结构天线特性(当平面尺寸大于缝隙天线中心频率波长的四分之一时即可认为该平面足够大)。如图4和图4a所示，发明人使用ANSYS HFSS软件先建立一个设备金属壳体的简化仿真模型，参考实际设备上缝隙的尺寸及常见形状，如狭长缝隙，所建立的金属薄片的仿真模型的尺寸参数如下：金属薄片长M＝40cm，宽N＝20cm，厚度D＝1mm，在该金属薄片上开设一狭长缝隙，缝长L及缝宽W可根据实际所选择的缝隙大小来设定，本实施例天线模型的尺寸参数为：缝宽W＝1mm，缝长L＝50mm。在缝隙长边的中心点两侧设置一对馈电点，馈电端口的阻抗Z₀的大小根据所要匹配的缝隙的输入阻抗Z来设定。

在ANSYS HFSS软件中建立好仿真模型后，在该仿真模型下确定缝隙的最佳馈电点(测量点)，下面结合图3对最佳馈电点的确定方法进行说明，如图3所示，最佳馈电点仿真分析的方法如下：

以缝隙两长边的中心点作为馈电点的初始位置，将天线模型的中心频率设为待测量电磁辐射的频率范围的中心频率；

将馈电点与缝隙长边的中心点之间的距离设为仿真扫描的距离参数，馈电点的初始位置与缝隙长边的端部之间的距离设为仿真扫描的最大距离，距离参数可取0mm～缝长L的一半，本实施例为0mm～25mm；

利用ANSYS HFSS的Optimetrics功能，只改变距离参数大小，其他参数不变，以固定步进从0开始对距离参数逐一扫描，直至距离参数等于仿真扫描的最大距离，获得不同距离参数下的天线模型的回波损耗值(以下简称S11参数)，即以固定步进移动馈电点，使馈电点从初始位置开始向缝隙长边的端部移动，每移动一个位置就获得一回波损耗值，本实施例的固定步进为1mm，依次令距离参数为0、1、2、3……，进行仿真扫描，直至距离参数等于仿真扫描的最大距离，扫描完成；

在所获得的回波损耗值中，找出其中的最小值，与该S11参数最小值对应的距离参数即为天线的最佳馈电点所在位置，本实施例中，当距离参数为19mm时，即馈电点与缝隙长边的中心点之间的距离为19mm时，天线的中心频率为3GHz，天线中心频率上的S11值为-28.81dB(图5)，小于-10dB，且为与不同距离参数(0mm～25mm)对应的S11的最小值，则与缝隙长边的中心点之间的距离为19mm的位置处为最佳馈电点。

采用本发明方法检测电磁辐射时，可以根据所需测量电磁辐射的频率范围，在不同测量频率点上依次进行阻抗匹配，实现全频率范围扫描，从而实现对全频率范围的电磁辐射测量。例如，要实现在1～6GHz上的频率扫描，通过仿真软件获取缝隙天线的Z参数图，以Z参数图作为参考，利用阻抗变换器，在1～6GHz的不同频率点上缝隙天线的输入阻抗和同轴传输线的阻抗进行匹配，即可对该频率范围内的电磁辐射信号进行检测。

图6为缝隙天线仿真模型在最佳馈电点馈电时缝隙天线的Z参数图，图6中的Re、Im分别表示Z参数的实部和虚部，图6显示了缝隙天线自身阻抗的实部与虚部大小随频率变化的结果。当馈电端口的阻抗Z₀与缝隙天线的输入阻抗Z二者匹配时，天线接收特性最佳。为了使馈电端口的阻抗Z₀与缝隙天线的输入阻抗Z在不同频率点(1GHz、2GHz、4GHz)处相匹配(即端口阻抗实、虚部分别与天线输入阻抗的实、虚部的绝对值相等)，仿真时要对馈电端口的阻抗Z₀进行改变。在实际测量应用时，馈线和同轴传输线之间连接有阻抗变换器，可通过阻抗变换器来进行两者间的阻抗匹配，可采用本领域公知的方法来进行阻抗匹配。馈电端口的阻抗Z₀可用Z₀|_Freq＝Re+jIm表示，则在1GHz、2GHz、4GHz三种频率(Freq)下，图6给出了缝隙天线的参考阻抗大小，从图6可知馈电端口的阻抗应分别设置为Z₀|_Freq＝1GHz＝0.07+j14.67、Z₀|_Freq＝2GHz＝1.83+j36.16、Z₀|_Freq＝4GHz＝5.71+j41.46，得到该缝隙天线在不同阻抗匹配条件下的S11参数图如图7所示。从图7可以看出，阻抗匹配后，缝隙天线均在对应中心频率上具有良好的接收特性，且此时S11值小于-10dB。仿真实验验证了采用壳体上的缝隙结构作为传感接收天线时，天线结构在满足不同的阻抗匹配条件时，可获得不同的接收中心频率，所以通过改变不同匹配阻抗可以实现不同频率的电磁辐射测量。

以上结果说明了本发明方法用于检测设备内部电磁辐射信号的可行性，即利用设备金属壳体表面的已有缝隙作为接收传感器，并通过阻抗变换器使得天线与同轴传输线的阻抗匹配后，可以实现不借助额外的探头就能在设计频带范围内进行电磁辐射检测的目的。当缝隙结构接收到电磁辐射信号后，将信号传输至后续的电磁辐射检测电路，完成电磁辐射信号的检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种电磁辐射测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选择设备金属壳体表面已有的缝隙作为传感接收天线；

步骤二、在缝隙的边沿设置馈电点，在馈电点处连接馈线，形成缝隙天线；

步骤三、馈线的另一端通过阻抗变换器与同轴传输线相连，利用阻抗变换器使缝隙天线的阻抗与同轴传输线的阻抗相匹配；

步骤四、将同轴传输线与电磁辐射检测电路相连，将缝隙天线接收到的信号传输至电磁辐射检测电路，实现对电磁辐射信号检测。

2.根据权利要求1所述的电磁辐射测量方法，其特征在于：通过仿真分析的方式确定馈电点的位置。

3.根据权利要求2所述的电磁辐射测量方法，其特征在于：馈电点位置的确定方法如下：基于所选择的缝隙，利用电磁仿真软件建立该缝隙作为传感接收天线的仿真模型，以缝隙长边的中心点作为馈电点的初始位置，将天线仿真模型的中心频率设为待测量电磁辐射的频率范围的中心频率；将馈电点与缝隙长边的中心点之间的距离设为仿真扫描的距离参数，馈电点的初始位置与缝隙长边的端部之间的距离设为仿真扫描的最大距离；在仿真软件中只改变距离参数，其他参数不变，以固定步进从0开始对距离参数逐一扫描，直至距离参数等于仿真扫描的最大距离，获得与不同距离参数对应的天线仿真模型的回波损耗值；在所有的回波损耗值中，找出其中的最小值，根据该回波损耗最小值对应的距离参数确定缝隙的最佳馈电点。

4.根据权利要求3所述的电磁辐射测量方法，其特征在于：步骤三中进行阻抗匹配的方法如下：获得所建立的天线仿真模型的输入阻抗图，对于要测量的频率点，根据输入阻抗图确定与该频率点对应的传感接收天线的阻抗，然后调节阻抗变换器，使缝隙与同轴传输线在该频率点上的阻抗匹配。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的电磁辐射测量方法，其特征在于：所述缝隙为设置于所述设备金属壳体上的散热孔或通风孔或测试孔或检修孔或制作工艺孔。