CN115356558A

CN115356558A - 一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置和方法

Info

Publication number: CN115356558A
Application number: CN202210943365.2A
Authority: CN
Inventors: 刘晔; 封安辉; 张永搏; 刘鹏飞; 周忠祖; 张润祖; 李欢
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2022-11-18

Abstract

本发明涉及一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置和方法，包括：屏蔽室以及设置在屏蔽室内的控制存储器、低频信号发生装置、频谱分析仪、环天线和屏蔽机柜；控制存储器经屏蔽网线和光纤与低频信号发生装置和频谱分析仪相连，用于基于选择的不同频段的天线进行屏蔽效能测试；低频信号发生装置基于控制存储器发送的控制指令产生相应频段的信号，并发送到环天线；环天线包括分别设置在屏蔽机柜外部和内部的发射环天线和接收环天线，且发射环天线与低频信号发生装置相连，接收环天线与设置在屏蔽机柜内的频谱分析仪相连，频谱分析仪用于对接收环天线接收的信号进行频谱分析并发送到控制存储器。本发明可以广泛应用于电磁屏蔽效能检测领域。

Description

一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置和方法

技术领域

本发明属于电磁屏蔽效能检测领域，尤其涉及一种低频及以下频段的屏蔽效能测试装置和方法，特别是一种应用于各边尺寸不小于1.2m的电磁屏蔽机柜及电磁屏蔽室的电磁屏蔽效能测试装置和方法。

背景技术

带电粒子加速器为一种用人工方法产生高能带电粒子束的装置，该装置涉及系统中设备多，电磁发射水平高，一些大功率设备发射水平可达数百毫伏，而离子束流或者物理实验的探测信号一般在微安或毫伏量级，电磁噪声会将有用信号淹没，影响弱信号的探测，此外，强电磁干扰也会导致设备故障和异常，影响系统可靠性。

为有效解决上述问题，电磁兼容工程师基于弱信号探测设备，建立干扰耦合路径模型，从场和路的角度分析主要的干扰因素，并提出加速器装置相关系统设备需要进行屏蔽的方案，若采用专业屏蔽机柜，该方案可很大程度的缓解因电磁干扰原因造成的系统稳定性差、观测数据不理想的问题，但也会出现费效比的矛盾，原因是专业屏蔽机柜在保证屏蔽效能的同时也增加了成本，而加速器装置各系统的屏蔽要求并不是很高，因此电磁兼容工程师提出自主研发适用于加速器装置的低成本屏蔽机柜。

由于加速器装置系统众多，各系统设备的工作频率千差万别，因此低成本屏蔽机柜的设计需要考虑DC～1GHz的频率范围。但现有屏蔽效能测试标准仅给出了9kHz～40GHz的测试方法，如GB/T12190、GJB5792、GJB5240等，对于低频及以下频段没有具体的测试方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种低频及以下频段的屏蔽效能测试装置和方法，旨在解决低成本屏蔽机柜在低频及以下频段屏蔽效能检测能力不足的问题，同时也为屏蔽效能在低频及以下频段的检测提供参考。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种屏蔽效能测试装置，其包括：

屏蔽室以及设置在所述屏蔽室内的控制存储器、低频信号发生装置、频谱分析仪、环天线和屏蔽机柜；

所述控制存储器经屏蔽网线和光纤与所述低频信号发生装置和频谱分析仪相连，用于基于选择的不同频段的天线进行屏蔽效能测试；

所述低频信号发生装置基于所述控制存储器发送的控制指令产生相应频段的信号，并发送到所述环天线；

所述环天线包括分别设置在所述屏蔽机柜外部和内部的发射环天线和接收环天线，且所述发射环天线与所述低频信号发生装置相连，所述接收环天线与设置在所述屏蔽机柜内的频谱分析仪相连，所述频谱分析仪用于对所述接收环天线接收的信号进行频谱分析并发送到所述控制存储器。

进一步，所述低频信号发生装置包括功分器、电流驱动器、低频函数发生器和信号源；所述低频函数发生器和信号源的输入端经屏蔽网线和第一光电转换器与所述控制存储器相连；所述低频函数发生器和信号源的输出端经屏蔽射频线缆与所述功分器的两个输入端相连，所述功分器的输出端经屏蔽射频线缆与所述发射环天线相连；所述电流驱动器设置在所述低频函数发生器的输出端与所述功分器的输入端之间，用于增大所述低频函数发生器的驱动电流。

进一步，所述低频函数发生器输出频率为20Hz～100kHz的信号；所述信号源输出频率为100kHz～30MHz的信号。

进一步，所述电流驱动器包括电源、低内阻放大器、电阻和输出端口；所述低内阻放大器用于对所述低频函数发生器输出的电压信号进行放大，使其电压幅度不变，内阻降低；所述电阻用于对所述低内阻放大器输出的信号进行限流，并通过所述输出端口输出；所述电源用于为电流驱动器供电。

进一步，所述频谱分析仪采用屏蔽网线与第二光电转换器相连，所述第二光电转换器的光纤由设置在所述屏蔽机柜壁的波导管穿出后经所述第一光电转换器与所述控制存储器相连。

进一步，发射环天线和接收环天线共面设置，且发射环天线和接收环天线环心连线应垂直于测试点所在的壁面。

进一步，所述屏蔽机柜通过绝缘支撑与所述屏蔽室之间形成绝缘，且所述绝缘支撑的厚度至少为100mm。

进一步，所述接收环天线采用天线支架支撑，并通过屏蔽射频线缆与所述频谱分析仪连接。

第二方面，本发明提供一种屏蔽效能测试方法，其包括以下步骤：

将控制存储器、低频信号发生装置、环天线和频谱分析仪进行连接，形成测试链路，并确定测试频点；

确定发射环天线和接收环天线位置，并测试背景噪声，得到噪声矩阵；

保持发射环天线和接收环天线位置不变，并检测屏蔽机柜在各测试频点下的数据矩阵；

重复上一步骤，并基于噪声矩阵和各测试频点的数据矩阵，得到屏蔽机柜在各测试频点的屏蔽效能测试结果。

进一步，各测试频点的屏蔽效能测试结果的计算公式为：

SE＝S_SE-H_SE

其中，S_SE为某个测试点的数据矩阵，H_SE为背景噪声矩阵。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在低频信号发生装置中设置有电流驱动器，在不改变电压幅度情况下，将低频函数发生器的内阻降低到0.2Ω，有效提升了低频函数发生器的动态范围；

2、本发明在屏蔽机柜壁上设置有波导管，通过波导管、第一光电转换器和第二光电转换器，实现了频谱分析仪与控制存储器的连接，有效降低直接采用屏蔽网线连接带来的传导泄露问题，提高了屏蔽效果；

综上，本发明提出的低频及以下频段的屏蔽效能测试装置能够满足20Hz～30MHz的屏蔽效能测试要求，通过特定的测试链路设计，其动态范围最大可提升约21dB，能够满足加速器装置宽带电磁屏蔽效能测试要求。对低成本屏蔽机柜的研制和优化具有十分重要的意义，同时也为抑制电子设备辐射、改善电磁环境，提高系统信噪比提供重要依据，具有重要的工程意义。因此，本发明可以广泛应用于电磁屏蔽效能检测领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的屏蔽效能测试装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电流驱动器原理框图；

图3是本发明实施例提供的环天线布置示意图；

图4是本发明实施例提供的屏蔽效能测试流程图；

图5是本发明实施例提供的动态范围曲线；

附图中各标记表示如下：

1、控制存储器；2、功分器；3、电流驱动器；31、电源；32、低内阻放大器；33、电阻；34、输出端口；4、低频函数发生器；5、信号源；6、光电转换器；61、第一光电转换器；62、第二光电转换器；7、波导管；8、频谱分析仪；9、环天线；91、发射环天线；92、接收环天线；10、屏蔽机柜；11、绝缘支撑；12、屏蔽室。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

加速器装置针对电磁干扰问题提出低成本屏蔽机柜的研制方案，但现有屏蔽效能的检测方法仅包含9kHz～40GHz的频率范围，无法满足低成本屏蔽机柜的屏蔽效能的检测要求。因此针对该问题，本发明的一些实施例中，提出一种低频及以下频段的屏蔽效能测试装置，旨在解决低成本屏蔽机柜在低频及以下频段屏蔽效能检测能力不足的问题，同时也为屏蔽效能在低频及以下频段的检测提供参考。

与之相对应地，本发明的一些实施例中还提供一种屏蔽效能测试方法。

实施例1

需要说明的是，本发明提供的屏蔽效能测试装置，频率范围为20Hz～4GHz，重点介绍20Hz～30MHz的低频及以下频段屏蔽效能的检测装置和方法，30MHz～4GHz的屏蔽效能测试装置和方法不在本发明重点介绍的范围。

如图1所示，本实施例提供一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其包括：屏蔽室12以及设置在屏蔽室12内的控制存储器1、低频信号发生装置、频谱分析仪8、环天线9和屏蔽机柜10。其中，控制存储器1经屏蔽网线和光纤与低频信号发生装置和频谱分析仪8相连，用于基于选择的不同频段的天线进行屏蔽效能测试；低频信号发生装置基于控制存储器1发送的控制指令产生相应频段的信号，并发送到环天线9；环天线9包括分别设置在屏蔽机柜10外部和内部的发射环天线91和接收环天线92，且发射环天线91与低频信号发生装置相连，接收环天线92与设置在屏蔽机柜10内的频谱分析仪8相连，频谱分析仪8用于对接收环天线92接收的信号进行频谱分析并发送到控制存储器1。

优选地，低频信号发生装置包括功分器2、电流驱动器3、低频函数发生器4和信号源5。其中，低频函数发生器4和信号源5的输入端经屏蔽网线和第一光电转换器61与控制存储器1相连；低频函数发生器4和信号源5的输出端经屏蔽射频线缆与功分器2的两个输入端相连，功分器2的输出端经屏蔽射频线缆与发射环天线91相连；电流驱动器3设置在低频函数发生器4的输出端与功分器2的输入端之间，用于增大低频函数发生器4的驱动电流。

优选地，低频函数发生器4输出频率为20Hz～100kHz的信号；信号源5输出频率为100kHz～30MHz的信号。

优选地，如图2所示，电流驱动器3包括电源31、低内阻放大器32、电阻33和输出端口34。其中，低内阻放大器32用于对低频函数发生器4输出的电压信号进行放大，使其电压幅度不变，内阻降低；电阻33用于对低内阻放大器32输出的信号进行限流，并通过输出端口34输出；电源31用于为其他部件提供交流供电。

实际上，由于低频及以下频段的屏蔽效能测试在现有标准中均无具体规定的测试方法，原因是低频及以下频段的衰减很大，多数标准采用直径为30cm的环天线作为发射天线和接收天线，会出现系统的动态范围无法满足屏蔽效能测试的要求。为解决该问题，本发明实施例在无法大幅度增加天线匝数的前提下，通过增大驱动电流的方法改善系统动态范围。

内阻50Ω的低频函数发生器4输出的电压信号经增益为1的低内阻放大器32后，电压幅度不变，内阻由50Ω降低到0.2Ω，低内阻放大器32输出的信号经电阻33限流后输入发射环天线91。当低频函数发生器4输出为18V Vpp，电阻值为4Ω时，环内电流约1.59A rms，相对于仅用低频函数发生器4输出20V Vpp时产生的0.014A rms，提升动态范围约21dB。

优选地，低内阻放大器32的增益为1。

优选地，频谱分析仪8采用屏蔽网线与第二光电转换器62相连，第二光电转换器62的光纤穿过设置在屏蔽机柜10壁上的波导管7后经第一光电转换器61与控制存储器1相连。控制存储器1采用屏蔽网线和光纤组合方式对频谱分析仪8进行控制，由于屏蔽网线经过屏蔽机柜10时会出现传导泄露的问题，若采用接口板上加网口的方式，会影响屏蔽机柜10的屏蔽效能，因此本实施例采用屏蔽网线接到第二光电转换器62上，光纤通过波导管7连接到第一光电转换器61的方式，实现屏蔽。

优选地，波导管7的直径和长度根据屏蔽效能要求和截止频率具体进行确定，如式(1)、式(2)和式(3)，公式依据波导管7内填充有非空气介质进行计算。

式中，f_εc为波导管内填充其他介质时的截至频率，单位为GHz；f_c为圆形截止波导内只有空气时的截止频率，单位为GHz；d为圆截止波导内直径,单位为cm；ε_r为介质的相对介电常数。

式中，W_SE为波导管的屏蔽效能；f为电磁波频率，单位为GHz；l为波导长度，单位为m；μ_r为介质的相对导磁率，一般除铁磁物质外，其他介质的

优选地，发射环天线91和接收环天线92共面设置，且发射环天线91和接收环天线92环心连线应垂直于测试点所在的壁面。其中，测试点应布置在门、面板和接口板等薄弱点的边缝处，对于每条边缝，根据情况布置测试点，但每条边缝上相邻的两个测试点之间的距离不得大于0.4m。

优选地，如图3所示，发射环天线91与屏蔽机柜10的外壁的距离D1为60mm，接收环天线92与屏蔽机柜10的内壁的距离D2为70mm。

优选地，接收环天线92通过屏蔽射频线缆与频谱分析仪8连接，该屏蔽射频线缆应尽可能的短。由于屏蔽射频线缆存在一定的损耗，对于低频而言损耗更大，因此需要尽量的缩小屏蔽射频线缆的长度以降低因屏蔽射频线缆造成的损耗，一般在1.5-2m左右。

优选地，接收环天线92采用天线支架进行支撑，高度根据测试点位进行确定。

优选地，屏蔽机柜10通过绝缘支撑11与屏蔽室12之间形成绝缘。更为优选地，绝缘支撑11的厚度至少为100mm。

实施例2

如图4所示，基于实施例1提供的低频及以下频段屏蔽效能测试装置，本实施例提供一种低频及以下频段屏蔽效能测试方法，包括以下步骤：

1)搭建测试链路，并确定测试频点；

2)确定发射环天线和接收环天线位置，并测试背景噪声，得到噪声矩阵；

3)保持发射环天线和接收环天线位置不变，并检测屏蔽机柜在各测试频点下的数据矩阵；

4)重复步骤3)，并基于噪声矩阵和各测试频点的数据矩阵，得到屏蔽机柜在各测试频点的屏蔽效能测试结果。

优选地，上述步骤1)中，在确定测试频点时，本发明实施例主要参考国家或军队五线电管理机构提供的频率列表。原则为尽可能避免受保护的民用公共无线业务，军用和紧急管理的频率，同时也要尽可能避免广播电视、通讯、无线导航等，不干扰其他无线业务的运行。

另外，测试频点的选择需避开屏蔽体的谐振频点，原因是谐振频点将会严重影响屏蔽效能的测试结果。谐振频率与屏蔽体的几何尺寸有关，对于屏蔽机柜而言，其谐振屏蔽的计算如式(4)所示。

式中，f_mnk为谐振频率，单位为MHz；m,n,k＝0、1、2…,为正整数，只能有一个取0；a,b,c为屏蔽机柜的长、宽、高，相互关系为a>b>c，单位为m。

优选地，上述步骤4)中，各测试频点的屏蔽效能测试结果的计算公式为：

SE＝S_SE-H_SE(dB)

其中，S_SE为某个测试频点的数据矩阵，H_SE为背景噪声矩阵，且两个矩阵表示如下：

其中，f₁、f₂、f₃为不同信号频率，H₁、H₂、H₃为背景噪声中不同频率的信号幅值；S₁、S₂和S₃为不同频率的信号幅值。

实施例3

为有效验证本方法，基于屏蔽效能测试装置，构建验证硬件链路，包括，频谱分析仪、低频函数信号发生器、电流驱动器、射频电缆、控制与储存器。主要目的是验证低频函数信号发生器与频谱分析仪之间是否接入电流驱动器对信号幅值的影响情况，从而说明本方法的可行性。

设定低频函数信号发生器信号输出幅值为10dBm，测试频段选择如下表所示。

表1测试频段选择

频段	频点
		Hz	20 100 500
kHz	1 5 10 50 80

如图5所示，为两次对比结果。对比发现本发明提出的方法可提高低频及以下频段的动态范围，可为低频及以下频段屏蔽效能测试提供参考。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，所述低频信号发生装置包括功分器、电流驱动器、低频函数发生器和信号源；

所述低频函数发生器和信号源的输入端经屏蔽网线和第一光电转换器与所述控制存储器相连；所述低频函数发生器和信号源的输出端经屏蔽射频线缆与所述功分器的两个输入端相连，所述功分器的输出端经屏蔽射频线缆与所述发射环天线相连；所述电流驱动器设置在所述低频函数发生器的输出端与所述功分器的输入端之间，用于增大所述低频函数发生器的驱动电流。

3.如权利要求2所述的一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，所述低频函数发生器输出频率为20Hz～100kHz的信号；所述信号源输出频率为100kHz～30MHz的信号。

4.如权利要求2所述的一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，所述电流驱动器包括电源、低内阻放大器、电阻和输出端口；所述低内阻放大器用于对所述低频函数发生器输出的电压信号进行放大，使其电压幅度不变，内阻降低；所述电阻用于对所述低内阻放大器输出的信号进行限流，并通过所述输出端口输出；所述电源用于为电流驱动器供电。

5.如权利要求2所述的一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，所述频谱分析仪采用屏蔽网线与第二光电转换器相连，所述第二光电转换器的光纤由设置在所述屏蔽机柜壁的波导管穿出后经所述第一光电转换器与所述控制存储器相连。

6.如权利要求2所述的一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，发射环天线和接收环天线共面设置，且发射环天线和接收环天线环心连线应垂直于测试点所在的壁面。

7.如权利要求2所述的一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，所述屏蔽机柜通过绝缘支撑与所述屏蔽室之间形成绝缘，且所述绝缘支撑的厚度至少为100mm。

8.如权利要求1所述的一种低频及以下频段屏蔽效能测试装置，其特征在于，所述接收环天线采用天线支架支撑，并通过屏蔽射频线缆与所述频谱分析仪连接。

9.一种采用如权利要求1～8任一项所述装置的屏蔽效能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的一种屏蔽效能测试方法，其特征在于，各测试频点的屏蔽效能测试结果的计算公式为：

SE＝S_SE-H_SE

其中，S_SE为某个测试点的数据矩阵，H_SE为背景噪声矩阵。