CN114034950A - 基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法，针对航天无源产品频率、尺寸、工艺等方面特点，基于双脊喇叭天线理论及混响室腔膜理论等，分别对发射天线、混响室(屏蔽室、搅拌器等)进行小型化设计，提出了一种4‑40GHz单天线双搅拌器混响室，进而结合控制系统、频谱分析仪等建立完整的航天无源产品电磁泄漏度测试系统；最终基于传输线理论、网络互易定理等推理给出了相关测试原理和测试方法。该发明具有高场均匀性、自动机械搅拌和小型化设计等特点，能够大大提高航天无源产品电磁泄漏度测试精度、测试效率、可重复性、占用空间和成本投入等方面性能。
Description
技术领域
本发明属于电磁泄漏度测试技术领域，特别涉及一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法。
背景技术
航天无源产品主要包括航天用滤波器、多工器、连接器和电缆等，在航天系统中应用比较广泛，属于系统电磁泄漏的薄弱环节，往往需要重点评估其电磁泄露性能。近年来，航天系统集成化、小型化和批量化发展趋势日益明显，为航天无源产品电磁泄漏度测试又提出了小型化、高精度、高效率和高可重复性发展需求。
目前从公开资料了解，航天无源产品的电磁泄漏度测试主要依据替代法，在半电波暗室、屏蔽室等场地中进行，该测试方法直观，能够在一定程度上反映产品的电磁泄漏性能，但同时存在测试误差较大、测试效率较低、人为不确定性较大、可重复性低和测试成本高等不利因素。
混响室是一种在高Q值、高导电屏蔽腔体内利用天线和搅拌器形成空间统计均匀、各向同性、随机极化的电磁场用于测试的场地，能够在较小的输入功率前提下激发较强的场强，并具备较高的测试效率、测试精度和可重复性，近年来在屏蔽效能测试等领域得到了广泛关注和研究。然而，电磁泄漏度测试方法(屏蔽体内外场强比值)与屏蔽效能测试方法(电磁泄漏功率与输入功率比值)本身存在差异；且航天无源产品电磁泄漏度测试的主要特点为：频率高(主要集中在4-40GHz)、产品尺寸小(一维尺寸≤0.3m)，因此，直接采用市场上的传统混响室进行航天无源产品的电磁泄漏度测试，往往存在测试方法不适用、占用空间过大和成本浪费等不利因素。
基于以上考虑，为了兼顾混响室高场强、高效率、高精度和高可重复性的优点，亟需针对航天无源产品，研制一种基于小型化混响室的电磁泄漏度测试系统及方法。
研发设计前，本发明人对现有数据库中相关技术进行了检索。对比文件1：中国发明专利《一种无源产品电磁泄漏度检测方法》(公开(公告)号：CN102735972B,公开(公告)日：2014-07-02)，提出了一种无源产品电磁泄漏度检测方法(理想点源替代法)，主要用于空间无源产品、射频电缆、射频接头、方舱及屏蔽室电磁泄漏度的测试。对比文件1的测试技术以屏蔽效能理论为依据，采用电磁场方法，在无源产品外放置接收天线，假设无源产品内部存在理想点源，通过对比是否放置无源产品时接收天线的接收功率可得出无源产品的电磁泄漏度。然而对比文件1中存在以下问题：在测试流程方面，由于产品辐射不均匀和天线模型理想化，测试流程中需要人为查找产品的最大辐射方向，容易影响测试精度、效率和可重复性。在测试条件方面，测试技术必须在全电波暗室、半电波暗室、屏蔽室等场地内进行，容易影响测试成本。在测试设备要求方面，测试技术需在远场条件下进行信号的接收，容易造成信号的空间衰减，而航天无源产品的电磁泄漏量级一般较低,因此对放大器、频谱仪等测试设备的动态范围要求较高。对比文件1从测试流程、测试条件及设备要求等方面具有一定局限性，无法满足航天无源产品电磁泄漏度高精度、高效率、高可重复性和低成本测试发展需求。
对比文件2：中国发明专利《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》(公开(公告)号：CN103576028B,公开(公告)日：2014-11-05)，提出了一种混响室条件下的电磁屏蔽效能测试系统及方法，目的在于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的电磁屏蔽效能测试系统。对比文件2的测试技术采用测量腔体内部一点和腔体外部一点的场强，通过对比内外场强来计算屏蔽效能。然而对比文件2中存在以下问题：在测试流程方面，混响室测试技术主要用于减小被测腔体谐振导致的测试误差，需在被测物屏蔽腔体内安装运动机构、内部场强计等，而本发明针对的航天无源产品(滤波器、多工器等)本身谐振属于产品特性，不需要特殊考虑，且航天无源产品从尺寸和工艺上无法支持在内部安装相关测试设备。在系统指标方面，对比文件2中混响室内部尺寸为10.5m×8m×4.3m，可用频率范围为80MHz-18GHz，被测屏蔽腔体外部尺寸一般小于2m大于0.4m，无法匹配航天无源产品电磁泄漏度测试的特点。因此，从测试流程、占用空间、频率覆盖、待测物尺寸和成本投入等方面考虑，对比文件2，不适用于航天无源产品电磁泄漏度测试。
对比文件3：美国发明专利《Electromagnetic wave reverberation chamber》(公开(公告)号：US20180231593A1,公开(公告)日：2018-08-16)，提出了一种电磁波混响室，包括柱形模式搅拌器、顶棚模式搅拌器、角锥模式搅拌器、凹凸模式搅拌器等。然而，对比文件3的重点在于多种搅拌器模式对混响室场均匀性的改善技术，并未给出一种适合航天无源产品电磁泄漏度测试的小型化混响室，也未给出一种基于小型化混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法。因此，对比文件3也无法应用于航天无源产品电磁泄漏度测试。
基于以上考虑，现有测试系统及方法均无法应用于航天无源产品电磁泄漏度的小型化、高精度、高效率和高可重复性测试，无法适应航天电磁兼容测试技术未来发展需求。从公开资料了解，目前尚未发现有针对航天无源产品电磁泄漏度测试的小型化混响室系统及方法。
发明内容
为了克服传统航天无源产品电磁泄漏度测试方法(理想点源替代法)的不足，实现小型化、高精度、高效率、高可重复性测试，本发明提出采用混响室系统进行航天无源产品电磁泄漏度测试。具体地：针对航天无源产品频率、尺寸、工艺等方面特点，基于双脊喇叭天线理论及混响室腔膜理论等，分别对发射天线、混响室(屏蔽室、搅拌器等)进行小型化设计，提出了一种4-40GHz单天线双搅拌器混响室，进而结合控制系统、频谱分析仪等建立完整的航天无源产品电磁泄漏度测试系统；最终基于传输线理论、网络互易定理等推理给出了相关测试原理和测试方法。该发明具有高场均匀性、自动机械搅拌和小型化设计等特点，能够大大提高航天无源产品电磁泄漏度测试精度、测试效率、可重复性、占用空间和成本投入等方面性能。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，包括屏蔽室、电磁场搅拌设备、信号发射设备、信号接收设备和控制系统；
所述屏蔽室为封闭的矩形腔体结构，其内部划定有测试工作区，用于确定无源受试设备的放置位置；屏蔽室布置有信号转接板、射频连接器和射频电缆，信号转接板安装在屏蔽室侧面上，其上布置射频连接器，用于屏蔽室内外射频信号的转接；射频电缆包括两路射频电缆，两路射频电缆一端分别连接无源受试设备、测试天线，另一端连接至信号转接板，用于射频信号的传递；
所述电磁场搅拌设备包括电源、滤波器、电机控制器、步进电机和搅拌器；所述电源通过滤波器向电机控制器和步进电机供电，滤波器用于滤除电源线上的噪声干扰，步进电机在电机控制器的控制下驱动搅拌器按照步进模式进行机械搅拌；
所述信号发射设备包括信号源、宽带功率放大器和测试天线，工作频率均需覆盖航天无源产品电磁泄漏度测试的主要频段4-40GHz；其中，信号源用于干扰信号的生成，并输出给宽带功率放大器；宽带功率放大器连接信号源，负责对干扰信号的功率进行放大和调节，使屏蔽室内电磁场达到电磁兼容测试所要求的强度；宽带功率放大器将放大或调节后的干扰信号输出至测试天线，测试天线将干扰信号转化为干扰电磁波输出至屏蔽室内，完成电磁泄漏度测试所需干扰信号的输入；
所述信号接收设备包括频谱仪，受试设备与频谱仪连接，受试设备负责测试数据的接收，并将接收的测试数据输出至频谱仪；频谱仪的工作频率覆盖4-40GHz，负责测试数据的采集与频谱分析，并与控制系统连接；
所述控制系统连接频谱仪、信号源和电机控制器，用于实施对频谱仪、信号源和电机控制器的远程控制、测试配置和参数设置；所述控制系统包括电磁泄漏度测试模块和电机控制模块，所述电磁泄漏度测试模块用于接收频谱仪采集的测试数据，并实施混响室场均匀性校准、电磁泄漏度测试所必需的数据分析和后处理；所述电机控制模块用于控制电机控制器按照命令驱动步进电机，最终驱动搅拌器按照步进模式进行机械搅拌。
第二方面，一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试方法，包括如下步骤：
(1)选取覆盖4-40GHz频段的波同转换器，放置于测试工作区，将波同转换器连接射频电缆受试设备端口；搅拌器搅拌过程中，对波同转换器的输入反射系数Γ进行校准；由网络互易定理可知，波同转换器输出方向的反射系数同为Γ；
(2)初始化搅拌器位置，重复采用搅拌器搅拌，采用频谱仪测试得到波同转换器的输出功率PUMrefout，并得到波同转换器的平均输出功率
根据传输线理论，当波同转换器阻抗匹配情况下，平均输出功率
计算如式(7)所示；
(3)将受试设备更换为航天无源产品，放置于测试工作区，并初始化搅拌器位置；搅拌器搅拌过程中，采用频谱仪测试得到待测产品的输出功率Peutout，并得到待测产品的平均输出功率
(4)确定航天无源产品的电磁泄漏度：
电磁泄漏度等于无源产品的平均输入功率
与平均泄漏功率
之比，如式(8)所示：
由于航天无源产品和混响室均为互易材料构成，且混响室搅拌过程不变，因此，由网络互易定理可得公式(9)：
其中，
为电磁泄漏端口的平均输入功率；
当混响室输入功率保持不变时，电磁泄漏端口的平均输入功率
近似等于待测无源产品无屏蔽情况下波同转换器的平均输出功率
进而航天无源产品的电磁泄漏度计算如式(10)所示：
根据本发明提供的一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明在小型化超宽带双脊喇叭天线设计、混响室屏蔽室及搅拌器设计等工作基础上，提出了一种4-40GHz单天线双搅拌器混响室，技术突破具体如下：(a)该混响室具有较高的场均匀性，归一化最大电场X分量、Y分量、Z分量和总的标准偏差均小于3dB，能够有效避免传统测试方法中因产品辐射不均匀导致的误差和不确定性，确保基于该混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统具有较高的测试精度和可重复性；(b)该混响室尺寸缩小至0.6m×0.7m×0.67m(比市场上传统混响室体积缩小≥50％)，混响室的小型化设计确保了该系统空间占用小、设备成本低，具备较强的便易性；
(2)本发明在混响室设计的基础上建立了完整的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，该系统能够脱离半电波暗室、屏蔽室等测试场地，独立进行电磁泄漏度测试，大大节省了测试场地成本，为航天无源产品电磁泄漏度测试提供了一种极具独立性、灵活性和低成本特点的技术方案；
(3)本发明针对航天无源产品特点，基于传输线理论、网络互易定理等推理了相关电磁泄漏度测试原理，并给出了测试流程和测试方法。技术突破具体如下：(a)克服了混响室从测试方法上无法应用于航天无源产品电磁泄漏度测试的困难，无需对比屏蔽体内外场强，为基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试提供了一种完整的技术途径；(b)该测试方法采用控制系统控制搅拌器转动和简单的比对即可获得航天无源产品的电磁泄漏度，避免了传统方法(理想点源替代法)进行电磁泄漏度测试中的人为参与(查找最大辐射方向等)，简化了测试流程，大大提高了测试效率；
(4)本发明提供的一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法，测试频段宽。测试频段能够覆盖航天无源产品电磁泄漏度测试的主要频段4-40GHz；
(5)本发明提供的一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法，测试场强高，测试设备要求降低。混响室具有高Q值的特点，采用混响室进行电磁泄漏度测试能够在较小输入功率前提下激发较强的场强，大大降低测试过程中对放大器、频谱仪等设备动态范围的要求。
综上，基于小型化混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统及方法能够适应未来电磁兼容测试技术小型化、高精度、高效率和高可重复性的发展趋势，具有较大经济效益，目前尚未发现类似测试系统及方法，因此该技术在未来航天产品的电磁兼容测试和整改领域具有较强的市场竞争力和广阔的市场潜力。
附图说明
图1为本发明提供的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统；
图2为双脊喇叭天线示意图；
图3为4-40GHz喇叭天线电磁模型；
图4为喇叭天线驻波比结果；
图5为喇叭天增益的仿真结果；
图6为混响室腔体模型；
图7为混响室模型俯视图；
图8为混响室模型侧视图；
图9为归一化最大电场X分量标准偏差；
图10为归一化最大电场Y分量标准偏差；
图11为归一化最大电场Z分量标准偏差；
图12为归一化最大电场总的标准偏差；
图13为基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试流程；
图14为基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试原理示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，包括屏蔽室、电磁场搅拌设备、信号发射设备、信号接收设备和控制系统。根据航天无源产品电磁泄漏度测试需求及混响室测试原理，为了降低测试设备本身造成的电磁干扰，对本发明提出的基于混响室的4-40GHz航天无源产品电磁泄漏度测试系统，除天线和搅拌器外，其余设备均在混响室外进行配置，如图1所示。
对于屏蔽室：屏蔽室为封闭的矩形腔体结构，尺寸为(0.6±0.002)m×(0.7±0.002)m×(0.67±0.002)m，材料为铝等；其内部划定有测试工作区，用于确定无源受试设备(EUT)的放置位置；屏蔽门尺寸为(0.4±0.002)m×(0.4±0.002)m，正对测试工作区。
为了确保测试过程中场均匀性等满足要求，无源受试设备必须放置于测试工作区内。测试工作区设置符合以下要求：1)为了减小受试设备与混响室之间的耦合，确保混响室内场均匀性，测试工作区要求距离边界≥0.25*λmax(λmax为最低测试频率fmin对应的电磁波长)；2)为了工程实用性和操作便易性(连接器、电缆等相关操作)，测试工作区要求距离边界≥0.15m。
屏蔽室附件主要包括信号转接板、射频连接器和射频电缆。如图1所示，以屏蔽门所在面为侧面I，侧面I相对面为侧面III，左右两面分别为侧面II和侧面IV，信号转接板安装在屏蔽室侧面IV，其上布置SMA型、K型等射频连接器，主要用于屏蔽室内外射频信号的转接；射频电缆包括两路射频电缆，两路射频电缆一端分别连接无源受试设备(EUT)、测试天线，另一端连接至信号转接板，主要用于射频信号的传递。
对于电磁场搅拌设备：电磁场搅拌设备主要包括电源、滤波器、电机控制器、步进电机和搅拌器；所述电源通过滤波器向电机控制器和步进电机供电，滤波器的作用是滤除电源线上的噪声干扰；步进电机在电机控制器的控制下驱动搅拌器按照步进模式进行机械搅拌。搅拌器采用两个垂直放置的Z字型搅拌器，搅拌器I和搅拌器II的尺寸均为(0.08±0.002)m×(0.4±0.002)m，材料为铝，铝板厚度为0.002～0.0025m；搅拌器I旋转区域与屏蔽室侧面II和侧面III的垂直距离均为(0.05±0.002)m，搅拌器II旋转区域与屏蔽室侧面II和顶面的垂直距离同样均为(0.05±0.002)m。
对于信号发射设备：信号发射设备主要包括信号源、宽带功率放大器和测试天线，工作频率均需覆盖航天无源产品电磁泄漏度测试的主要频段4-40GHz。其中，信号源负责干扰信号(电平)的生成，并输出给宽带功率放大器；宽带功率放大器连接信号源，负责对干扰信号的功率进行放大和调节，目的在于使屏蔽室内电磁场达到电磁兼容测试所要求的强度；宽带功率放大器将放大或调节后的干扰信号(电平)输出至测试天线，测试天线进一步将干扰信号(电平)转化为干扰电磁波输出至屏蔽室内，完成电磁泄漏度测试所需干扰信号的输入。
对于信号接收设备：信号接收设备主要包括频谱仪。受试设备与频谱仪连接，受试设备负责测试数据的接收，并将接收的测试数据输出至频谱仪；频谱仪的工作频率覆盖4-40GHz，负责测试数据的采集与频谱分析，并与控制系统连接。
对于控制系统：控制系统通过GPIB线连接频谱仪、信号源和电机控制器，用于实施对频谱仪、信号源和电机控制器等设备的远程控制、测试配置和参数设置等。具体地，所述控制系统包括电磁泄漏度测试模块和电机控制模块，所述电磁泄漏度测试模块用于接收频谱仪采集的测试数据，并实施混响室场均匀性校准、电磁泄漏度测试等功能必需的数据分析和后处理；所述电机控制模块用于远程控制电机控制器按照命令驱动步进电机，最终驱动搅拌器按照步进模式进行机械搅拌，目的在于通过边界条件的不断改变实现混响室内电磁场统计均匀。控制系统的功能从硬件上可通过计算机实现，软件上通过安装在控制计算机上的测试软件实现。
由于本发明提出的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统具有小型化、宽频带、高场强等特点，因此天线设计必须适应小型化、宽频带、高场强环境等系统需求。喇叭天线由开口波导逐渐张开形成，具有频带宽、功率容量高、增益高、相位中心稳定等优点。基于以上考虑，本发明基于双脊喇叭天线理论，设计了一种4-40GHz小型化超宽带双脊喇叭天线作为测试天线。
如图2所示，喇叭天线结构包括馈电结构、波导段和喇叭段，喇叭轴向为Z方向，喇叭口张开方向为Y，轴向向前方向为+Z。
馈电结构设计：如图2所示，馈电结构的设计采用同轴-脊波导转换结构，同轴结构的阻抗为50欧姆。为了使脊波导结构和同轴结构的阻抗更好匹配，同轴结构中外导体与脊波导结构相连接，内导体连接至脊波导上脊臂。
波导段设计：如图2所示，波导段整体采用双脊波导结构，馈电点与短路板之间形成空气背腔，空气背腔的长度一般取值≤0.5*λmin(λmin为最高测试频率对应电磁波长)，空气背腔可以有效滤除TE20模，实现TE10模单模传输。
喇叭段设计：如图2所示，为了实现较宽的阻抗带宽，喇叭段采用指数渐变展开，曲线函数如公式(1)所示。
y(z)＝A·ekz+B·z(0≤z≤lh) (1)
为了设计方便，设置频率扩展因子B＝0，可以得到，
其中，yh为喇叭口面张开距离，数值大约为0.5*λmax(λmax为最低测试频率对应的电磁波长)。y2为波导脊间距，z为以波导段和喇叭段交点为起点的喇叭段在Z轴上的坐标。
为了有效消除高次模，喇叭段长度lh取值≥0.5*λmax。
基于商业化电磁仿真软件Ansoft-HFSS，对4-40GHz双脊喇叭天线进行建模，并采用有限元方法进行仿真。根据以上双脊喇叭天线理论，将喇叭口面尺寸xh×yh、喇叭段长度lh、波导段长度lw、波导脊间距y2等参数均设置为变量，通过参数扫描方法进行优化设计，最终得到一种小型化的4-40GHz超宽带双脊喇叭天线。天线三维尺寸控制为(0.046±0.0005)m×(0.04±0.0005)m×(0.04±0.0005)m，材料为铝。天线总体尺寸如下：喇叭口面xh×yh＝(0.04m±0.0005)×(0.04±0.0005)m，喇叭段长度lh＝(0.035±0.0005)m，波导段长度lw＝(0.011±0.0005)m，波导段横向尺寸xw×yw＝(0.016±0.0005)m×(0.012±0.0005)m。如图3所示，优选天线三维尺寸控制为0.046m×0.04m×0.04m，材料为铝。天线总体尺寸如下：喇叭口面xh×yh＝0.04m×0.04m，喇叭段长度lh＝0.035m，波导段长度lw＝0.011m，波导段横向尺寸xw×yw＝0.016m×0.012m。
优化后的双脊喇叭天线，在4-40GHz频率范围内，天线驻波比(VSWR)≤2.0，如图4所示。在4-40GHz频率范围内选取4GHz、6GHz、8GHz、12GHz、16GHz、23GHz、30GHz、35GHz和40GHz共9个频点进行电磁仿真验证。如图5所示，天线增益均≥5.5，且方向图无明显畸变，能够满足混响室天线使用要求。
本发明人对混响室的场均匀性进行了深入研究。混响室通常由一个良导体腔体、天线、搅拌器及相关附件构成，本发明中屏蔽室及其内部结构构成混响室。混响室的分析通常采用腔模理论，其性能评价参数主要包括：最低可用频率、品质因数、场统计特征和场均匀性等，其中最低可用频率和场均匀性是混响室评价的核心指标。
混响室腔体模型如图6所示，基于麦克斯韦方程及边界条件原理，利用分离变量法，混响室腔体的内部模式场可表示如式(2)。
其中，Ex、Ey、Ez分别为矩形腔内x、y、z方向上的模式电场分量；kx、ky、kz分别为x、y、z方向上的波数分量，
a、b、c分别为矩形腔x、y、z方向上的长度；m、n、p分别为矩形腔x、y、z方向上的半波数。基于以上模式理论，进一步可得矩形腔的模式频率和空腔模数，如式(3)和式(4)所示。
矩形腔的理论模式频率：
式中，μ和ε分别为腔体内介质(通常为空气)的磁导率和介电常数。
矩形腔的空腔模数：
式中，f为工作频率，c0为电磁波传播速度(通常为空气中)。
为了确保混响室具有足够多的模数，在搅拌过程中能够达到电磁场统计均匀，要求混响室的最低可用模式频率fmin必须大于或等于腔体截止频率(f110、f101或f011中最小者)的5-6倍，且空腔模数≥100。
作为混响室的核心指标，其场均匀性评估方法如下：
选取混响室工作区域的N个采样点，当搅拌器搅拌一周时，每个点的电场最大值分别为Emaxx,N、Emaxy,N和Emaxz,N，其归一化电场分别为
和
(对混响室输入功率进行归一化)，归一化最大电场各分量标准偏差σx、σy、σz及总的标准偏差σ计算如式(5)。
其中，
为任意顶点处归一化最大电场分量；
分别为归一化最大电场各分量在N个顶点处的平均值；
为归一化最大电场所有分量在N个顶点处的联合平均值。
将归一化最大电场各分量标准偏差及总的标准偏差用dB表示如式(6)所示。
混响室的场均匀性要求归一化最大电场各分量标准偏差及总的标准偏差均≤3dB。
综合考虑混响室最低截止频率、场均匀性、测试工作区尺寸(待测产品一维尺寸≤0.3m)和操作空间等因素，对混响室进行整体建模和优化设计，并采用多层快速多极子方法(全波电磁算法)进行电磁仿真。混响室模型的俯视图和侧视图分别如图7和图8所示。
4-40GHz小型化混响室的最终尺寸为(0.6±0.002)m×(0.7±0.002)m×(0.67±0.002)m，材料为铝。工作区为(0.3±0.002)m×(0.3±0.002)m×(0.3±0.002)m，与屏蔽室侧面I和侧面IV的垂直距离分别为0.15～0.152m和0.2～0.202m。搅拌器I和搅拌器II均采用Z字型搅拌器，尺寸为(0.08±0.002)m×(0.4±0.002)m，材料为铝，厚度为0.002～0.0025m；搅拌器I和搅拌器II相互垂直，搅拌器I旋转区域与屏蔽室侧面II和侧面III的垂直距离均为(0.05±0.002)m，搅拌器II旋转区域与屏蔽室侧面II和顶面的垂直距离同样均为(0.05±0.002)m。天线采用本发明设计的4-40GHz小型化超宽带双脊喇叭，天线原点(喇叭段与波导段交界面中心)距离侧面I和侧面IV的垂直距离均为(0.08±0.002)m。
对以下尺寸的4-40GHz小型化混响室进行仿真测试：4-40GHz小型化混响室的最终尺寸为0.6m×0.7m×0.67m，材料为铝。工作区为0.3m×0.3m×0.3m，与屏蔽室侧面I和侧面IV的垂直距离分别为0.15m和0.2m。搅拌器I和搅拌器II均采用Z字型搅拌器，尺寸为0.08m×0.4m，材料为铝，厚度为0.002m；搅拌器I和搅拌器II相互垂直，搅拌器I旋转区域与屏蔽室侧面II和侧面III的垂直距离均为0.05m，搅拌器II旋转区域与屏蔽室侧面II和顶面的垂直距离同样均为0.05m。天线采用本发明设计的4-40GHz小型化超宽带双脊喇叭，天线原点(喇叭段与波导段交界面中心)距离侧面I和侧面IV的垂直距离均为0.08m。
根据公式(3)计算可以得出，混响室最低截止频率f011＝309.9MHz，因此，fmin＞＞6f011；根据公式(4)计算可以得出，最低测试频率模式数N(fmin)＝5559＞＞100，因此，该模型符合混响室设计要求。
混响室电磁仿真参数设置如下：(1)搅拌器I和搅拌器II采用步进模式搅拌，每次同步旋转30°，共12个位置；(2)设置测试工作区八个顶点为电场采样点；(3)在4-40GHz频率范围内，仿真频点间隔设置为4GHz，共10个频点，以上设置符合IEC61000-4-21标准要求。根据公式(6)对仿真所得采样点的电场进行统计处理，可得混响室工作区内归一化最大电场X分量、Y分量、Z分量和总的标准偏差。如图9～图12所示，该混响室工作区内归一化最大电场X分量、Y分量、Z分量和总的标准偏差均小于3dB，能够满足混响室场均匀性要求，能够确保采用该混响室进行航天无源产品电磁泄漏度测试具有较高的测试精度和可重复性。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试方法。电磁泄漏度为产品输入功率与产品泄漏功率之比(通常用dB表示)。由于航天无源产品外部尺寸一般小于0.3m，且从工艺上无法支持从内部安装相关测试设备，因此航天无源产品的电磁泄漏度测试只能采用参考天线方法(参考天线优选波同转换器)。为了使用混响室系统准确测量航天无源产品的电磁泄漏度，测试流程设计如图13所示，具体如下。
(1)选取覆盖4-40GHz频段的波同转换器，放置于测试工作区，将波同转换器连接射频电缆受试设备(EUT)端口。搅拌器搅拌一周过程中，采用矢量网络分析仪对波同转换器的输入反射系数Γ进行校准。由网络互易定理可知，波同转换器输出方向的反射系数同为Γ；
(2)初始化搅拌器位置，重复采用搅拌器搅拌一周，采用频谱仪测试得到波同转换器的输出功率PUMrefout(校准时阻抗未匹配)，并计算得到波同转换器的平均输出功率
根据传输线理论，当波同转换器阻抗匹配情况下，平均输出功率
计算如式(7)所示；
(3)将受试设备更换为航天无源产品，放置于测试工作区，并初始化搅拌器位置。搅拌器搅拌一周过程中，采用频谱仪测试得到待测产品的输出功率Peutout，并计算得到待测产品的平均输出功率
(4)如图14所示，将处于混响室内的待测航天无源产品看作三端口网络，三个端口分别为波同端口、负载端口和电磁泄漏端口。根据电磁泄漏度(SE)定义可知，电磁泄漏度等于无源产品的平均输入功率
与平均泄漏功率
之比，如式(8)所示。
由于航天无源产品和混响室通常均为互易材料构成，且混响室搅拌过程不变，因此，由网络互易定理可得公式(9)。
其中，
为电磁泄漏端口的平均输入功率。
鉴于航天无源产品尺寸及工艺的特殊性，无法从内部安装相关测试设备，因此电磁泄漏度测试只能采用参考天线法。当混响室输入功率保持不变时，电磁泄漏端口的平均输入功率
近似等于待测无源产品无屏蔽情况下波同转换器的平均输出功率
(波同转换器阻抗匹配时)，推理可得，航天无源产品的电磁泄漏度计算如式(10)所示。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，包括屏蔽室、电磁场搅拌设备、信号发射设备、信号接收设备和控制系统；
所述屏蔽室为封闭的矩形腔体结构，其内部划定有测试工作区，用于确定无源受试设备的放置位置；屏蔽室布置有信号转接板、射频连接器和射频电缆，信号转接板安装在屏蔽室侧面上，其上布置射频连接器，用于屏蔽室内外射频信号的转接；射频电缆包括两路射频电缆，两路射频电缆一端分别连接无源受试设备、测试天线，另一端连接至信号转接板，用于射频信号的传递；
所述电磁场搅拌设备包括电源、滤波器、电机控制器、步进电机和搅拌器；所述电源通过滤波器向电机控制器和步进电机供电，滤波器用于滤除电源线上的噪声干扰，步进电机在电机控制器的控制下驱动搅拌器按照步进模式进行机械搅拌；
所述信号发射设备包括信号源、宽带功率放大器和测试天线，工作频率均需覆盖航天无源产品电磁泄漏度测试的主要频段4-40GHz；其中，信号源用于干扰信号的生成，并输出给宽带功率放大器；宽带功率放大器连接信号源，负责对干扰信号的功率进行放大和调节，使屏蔽室内电磁场达到电磁兼容测试所要求的强度；宽带功率放大器将放大或调节后的干扰信号输出至测试天线，测试天线将干扰信号转化为干扰电磁波输出至屏蔽室内，完成电磁泄漏度测试所需干扰信号的输入；
所述信号接收设备包括频谱仪，受试设备与频谱仪连接，受试设备负责测试数据的接收，并将接收的测试数据输出至频谱仪；频谱仪的工作频率覆盖4-40GHz，负责测试数据的采集与频谱分析，并与控制系统连接；
所述控制系统连接频谱仪、信号源和电机控制器，用于实施对频谱仪、信号源和电机控制器的远程控制、测试配置和参数设置；所述控制系统包括电磁泄漏度测试模块和电机控制模块，所述电磁泄漏度测试模块用于接收频谱仪采集的测试数据，并实施混响室场均匀性校准、电磁泄漏度测试所必需的数据分析和后处理；所述电机控制模块用于控制电机控制器按照命令驱动步进电机，最终驱动搅拌器按照步进模式进行机械搅拌。
2.根据权利要求1所述的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，所述屏蔽室的最终尺寸为(0.6±0.002)m×(0.7±0.002)m×(0.67±0.002)m；工作区为(0.3±0.002)m×(0.3±0.002)m×(0.3±0.002)m；
工作区距离屏蔽室侧面距离满足：工作区距离屏蔽室侧面距离≥0.25*λmax，λmax为最低测试频率fmin对应的电磁波长；以及工作区距离屏蔽室侧面距离≥0.15m。
3.根据权利要求1所述的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，所述搅拌器采用两个垂直放置的Z字型搅拌器，尺寸均为(0.08±0.002)m×(0.4±0.002)m，厚度为0.002～0.0025m；
以屏蔽门所在面为侧面I，侧面I的相对面为侧面III，左右两面分别为侧面II和侧面IV，搅拌器I旋转区域与屏蔽室侧面II和侧面III的垂直距离均为(0.05±0.002)m，搅拌器II旋转区域与屏蔽室侧面II和顶面的垂直距离同样均为(0.05±0.002)m。
4.根据权利要求1所述的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，所述测试天线为双脊喇叭天线，包括馈电结构、波导段和喇叭段；所述馈电结构的设计采用同轴-脊波导转换结构，同轴结构中外导体与脊波导结构相连接，内导体连接至脊波导上脊臂；
波导段整体采用双脊波导结构，馈电点与短路板之间形成空气背腔，空气背腔的长度≤0.5*λmin，λmin为最高测试频率对应电磁波长；
喇叭段长度≥0.5*λmax，λmax为最低测试频率对应的电磁波长。
5.根据权利要求4所述的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，所述测试天线的三维尺寸为(0.046±0.0005)m×(0.04±0.0005)m×(0.04±0.0005)m；喇叭口面xh×yh＝(0.04m±0.0005)×(0.04±0.0005)m，喇叭段长度lh＝(0.035±0.0005)m，波导段长度lw＝(0.011±0.0005)m，波导段横向尺寸xw×yw＝(0.016±0.0005)m×(0.012±0.0005)m。
6.根据权利要求5所述的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，在4-40GHz频率范围内，所述测试天线的驻波比≤2.0，天线增益≥5.5，且方向图无明显畸变。
7.根据权利要求5所述的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，所述测试天线的原点距离侧面I和侧面IV的垂直距离均为(0.08±0.002)m。
8.根据权利要求1所述的基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试系统，其特征在于，所述屏蔽室及其内部结构构成混响室，混响室的最低可用模式频率大于或等于腔体截止频率的5-6倍，且空腔模数≥100；
混响室的场均匀性要求归一化最大电场各分量标准偏差及总的标准偏差均≤3dB。
9.一种基于混响室的航天无源产品电磁泄漏度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取覆盖4-40GHz频段的波同转换器，放置于测试工作区，将波同转换器连接射频电缆受试设备端口；搅拌器搅拌过程中，对波同转换器的输入反射系数Γ进行校准；由网络互易定理可知，波同转换器输出方向的反射系数同为Γ；
(2)初始化搅拌器位置，重复采用搅拌器搅拌，采用频谱仪测试得到波同转换器的输出功率PUMrefout，并得到波同转换器的平均输出功率
根据传输线理论，当波同转换器阻抗匹配情况下，平均输出功率
计算如式(7)所示；
(3)将受试设备更换为航天无源产品，放置于测试工作区，并初始化搅拌器位置；搅拌器搅拌过程中，采用频谱仪测试得到待测产品的输出功率Peutout，并得到待测产品的平均输出功率
(4)确定航天无源产品的电磁泄漏度：
电磁泄漏度SE等于无源产品的平均输入功率
与平均泄漏功率
之比，如式(8)所示：
由于航天无源产品和混响室均为互易材料构成，且混响室搅拌过程不变，因此，由网络互易定理可得公式(9)：
其中，
为电磁泄漏端口的平均输入功率；
当混响室输入功率保持不变时，电磁泄漏端口的平均输入功率
近似等于待测无源产品无屏蔽情况下波同转换器的平均输出功率
进而航天无源产品的电磁泄漏度计算如式(10)所示：
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