用于电磁兼容测量的电磁屏蔽半电波暗室

1 引言
随着对电子产品电磁兼容性(EMC)认识的不断提高，国内很多单位纷纷筹建和正在建设EMC实验室。电磁屏蔽半电波暗室(以下简称EMC暗室)是EMC实验室主要的组成单元，它的性能影响整个EMC实验室的主要技术指标，并且其所需费用占整个EMC实验室的比重较大，用户在建造前根据自己的使用要求和相关标准提出科学合理的暗室技术要求是非常必要的。EMC暗室的技术要求要提得恰当，要有先进性、前瞻性和可扩展性，应当满足当前和以后较长时期内所研制和检测的实验任务。
2 EMC 暗室
2．1 开阔测试场
对一个设备或系统进行辐射发射(RE)和辐射敏感度(RS)试验时，早期的CISPR标准要求电磁兼容性辐射发射测量在开阔场地(OATS)进行。根据标准要求，开阔场通常为一个菲涅尔椭圆，EUT与接收天线分别位于椭圆的两个焦点处，间距为L，长轴是焦距的两倍，为2L，短轴是L。在开阔场，接收天线受两种波的照射：直射路径D波和地面反射路径R波，总的接收信号是它们的矢量和，如图l所示。菲涅尔椭圆两个焦点的距离即是我们所要求的测量距离，根据现有标准可分为3m、10m 和30m。以前可以在开阔试验场上进行，但是近几十年来，随着环境电磁噪声强度和密度的不断增强，很难找到符合标准要求的0ATS。目前电波暗室被广泛地用来模拟OATS进行辐射发射和辐射敏感度试验。


2．2 屏蔽室
在EMC测试中，屏蔽室能提供环境电平低而恒定的电磁环境，它为测量精度的提高、测量的可靠性和重复性的改善提供了保障。但是由于被测设备在屏蔽室中产生的干扰信号通过屏蔽室的六个面产生无规则的漫反射，特别是在辐射发射测量和辐射敏感度测量中表现更严重，导致在屏蔽室内形成驻波而产生较大的测量误差。
2．3 电波暗室
电波暗室又称为电波无反射室，通常所说的电波暗室在结构上大都由屏蔽室和吸波材料两部分组成。电波暗室在工程应用上有两种结构形式：一种是在屏蔽室的四壁、天花板和地板等六面全装有六面吸波材料，模拟自由空间传播环境，称为全电波暗室，主要用作天线测量、仿真试验、天线罩测量，性能用静区尺寸、反射电平、固有雷达截面、交叉极化度参数表示；另一种是在电磁屏蔽室的内壁、天花板上加装电波吸收材料，地板采用金属地板的导电面，这样可以与OA rs等效，称为半电波暗室，主要用于电磁兼容测量，包括电磁辐射干扰测量和电磁辐射敏感度测量，主要性能指标用归一化场地衰减(NSA)和测试面场均匀性来衡量。从使用频率范围看，电波暗室用于微波段，而EMC暗室频率下限扩展到十几kHz，虽然30MHz以下吸波材料的吸波性能下降，但仍可作屏蔽室使用。由此可见，虽然EMC暗室和微波电波暗室看上去很相似，两者都挂有大量的吸波材料，但两者的用途、性能指标都不同，所以设计上也有各自不同的标准。
在军、民用EMC标准中均规定是在半电波暗室条件下进行EMC检测，这主要是由于以前的EMC标准制定是以OATS为基础的，采用半电波暗室具有继承性。半电波暗室主要是模拟开阔场地，即在暗室中测试时．接收天线接收到的场是EUT辐射电磁波的直达波和标准地面反射波的矢量和。因此，由暗室的外壳-屏蔽室解决背景噪声的问题，并在屏蔽室五个面上挂贴吸波材料，以消除屏蔽室内电磁波的漫反射。
3 EMC暗室的主要技术要求
3．1 EMC暗室的尺寸
暗室的长、宽、高是相对于被试设备(EUT)的最大尺寸、电波暗室性能指标以及执行的EMC标准确定的。决定屏蔽体尺寸的要素间的关系如图2所示。
在EMC暗室内进行辐射发射和敏感度测试时，希望EUT布置在暗室的静区范围之内(一般将产品置于转台上)，并且与壳体上的吸波材料尖端有适当的间隙。国际CISPR民用EMC标准对RE测试的收发距离通常按EUT的最大尺寸来选择．见表l。
由于暗室中的测试环境要模拟开阔场的传播条件，所以暗室尺寸应以开阔场的要求为依据。理想暗室净空尺寸要求为：若收发距离为L，则暗室净空间的长度为2L，宽度为

L，高度由下列式(1)来计算选取，其中L为收发距离(m)。




（1）
在半电波暗室中进行实际的3m法测试时，接收天线的高度要求在1．0～4．0m范围内改变，如采用垂直极化天线，则在4m上加天线上半部尺寸和天线端与半暗室顶部吸波材料尖端间的距离0．25m。在确定暗室的实际屏蔽体尺寸时，应在暗室净空尺寸的基础上加上吸波材料的高度，使粘贴完吸波材料的暗室的净空尺寸满足上述要求。例如，对于标准3m 法半电波暗室，净空最小尺寸应为6．0m(长)、5．2m(宽)、4．6m(高)，考虑EUT的摆放、测试天线的架设、人员活动空间、标准要求预留的最小尺寸，则暗室的屏蔽体长度应达到9．0m，宽度为6．5m，高度为6．0m。
吸波材料的吸波性能与电波入射角有密切关系，垂直入射时最好，斜射时性能降低。对于泡沫尖劈型介质材料，3O。入射时性能降低l～2dB，45。入射时降低3～4dB，60。入射时降低8～10dB ，所以入射角不要超过6O。暗室宽度和高度的减小将影响入射角。上述设计中测试距离为L，宽度为

L，则入射角为30。，如把入射角增加到45。，则宽度可减少为L，高度可减少到L／2+2，这时吸波性能的降低还是可以容忍的，这样可以适当的降低屏蔽体的空间体积的要求。
3．2 EMC暗室的频率范围
EMC暗室工作频率范围由暗室的功能、需贯彻的军标或民标的要求决定。例如，为满足GJB152A一97的要求，EMC暗室工作频率需要与它的屏蔽效能和所选的吸波材料相一致。为满足30MHz18GHz频率范围的归一化场地衰减要求，通常暗室需采用复合型的宽带吸波材料。近几年EMC暗室采用的工作频率范围一般为10kHz18GHz，个别实验室要求频率上限为40GHz。
3．3 吸波材料
目前．电波暗室用吸波材料有以下几种：
a．聚氨酯角锥吸波材料
暗室中用得最多的吸波材料，是软质聚氨酯泡沫浸渍炭黑并进行阻燃处理制成的，它具有良好的电性能，在较宽的频带具有很低的反射、散射和较大的透射衰减。缺点是：重量重、尖部易下垂、空间利用率将非常低。
b．磁损耗型吸波材料
主要是铁氧体材料，如铁氧体吸波砖。铁氧体吸波材料的特点是反射率曲线比较平坦，在低频时也具有较好的吸波效果，缺点是当频率高于1GHz时，吸波效果变差，当到6GHz时几乎变为镜面反射。另外，同样面积的铁氧体瓦比聚氨酯角锥吸波材料要贵一倍。
C．复合型吸波材料
这种材料由聚氨酯角锥型吸波材料和铁氧体复合而成，以减小吸波材料总体高度，提高暗室的空间利用率。其突出特点是：占空体积小，并能在很宽频率范围内吸收电磁波，吸波性能良好。组合的关键是角锥材料底部与铁氧体砖表面之间的阻抗匹配、使两者的高低频吸波性能优势互补。
d.高功率吸波材料
目前常见的形式是以无纺布为基材、刷涂吸波材料后制成的空心角锥。其功率容量远高于原聚胺酯泡沫型角锥吸波材料。锥高2．5m左右的空心角锥可克服同高度实心角锥的重量重、价格贵、尖部易下垂等缺点，电性能可满足电磁兼容的要求，但比泡沫实心角锥略差。硬发泡材料制的进口高功率吸波材料在大型半
电波暗室中多有采用。
半电波暗室采用的吸波材料的安全性能需满足美国NRL report 8093标准和GB 2406标准中规定的要求，其反射损耗最低性能要求见表2。


3．4 地板和电源
暗室的地板是电波唯一反射面，要求平整无凹凸。地板通常用金属板材焊接而成，焊缝不得超过3mm。整个地面要保持导电连续性，不能有超过工作波长1／10的缝隙。接地线和电源线要靠墙脚布设，不要横越室内。电线还需穿金属管，并保持金属管与地板良好搭接。金属地面上最好不要再铺木地板和塑胶地板等。木地板经测试表明对暗室的归一化场地衰减值有一定影响，特别是在低频(700)this.width=700;" >
屏蔽效能的测量结果与所用测量方法有关，因此，检测暗室的屏蔽效能必须严格按照标准规定的测试方法进行，可按照GB 12190—9O《高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法》进行测试，重点对可能造成屏蔽效能降低的接缝、暗室的通风窗、屏蔽门等部位进行检测。
3．5．3 归一化场地衰减(NSA)
场地衰减是测量用场地的一个固有参数，场地衰减与下列参数有关：地面的不平度、地面的电参数、周围环境、收发天线之间的距离、天线类型和极化方向、收发天线端口的阻抗等。场地衰减定义为：输入到发射天线上的功率与接收天线负载上所获得的功率之比，定义式为：

(2)
式中，Pr为发射天线端口的实际发射功率；PR为接收天线端口的实际接收功率。
半电波暗室场地衰减的测试是在开阔测试场场地衰减测试的基础上进行的。根据GJB 2926—97附录A 中提供的“电波暗室归一化场地衰减的测试方法”中提供的场地衰减单点测试方法，用一对天线分别垂直和平行于地面放置，通过电缆，分别与发射源和接收机连接，则发射天线源电压UT(dB)与接收天线终端测得的接收电压UR(dB)之差即为开阔试验场的场地衰减。
如果水平和垂直测得的NSA与GJB 2926附录A 中相应表中的理论值相差在±4dB之内，则测试场地被认为是可接受的。归一化场地衰减只用来表明测试场地的性能，与天线或测量仪器并没有多大的关系，是衡量测试场地性能的重要指标之一。信号从发射源传输到接收机时，由于场地影响所产生的损耗为NSA，它反映了场地对电磁波传播的影响。
半电波暗室是为模拟开阔场地而建造的，暗室中的NSA应和开阔场相一致，CISPR16一l和其他相关标准要求：在30MHzl8GHz频率范围内，当测量的垂直与水平的NSA值在归一化场地衰减理论值的±4dB之内，则测试场地被认为是合格的，可以在暗室中进行电磁辐射干扰的检测。
3．5．4 测试面场均匀性
该指标是为在暗室中进行电磁辐射敏感度测量而制定的。敏感度测量需在被测设备(EUT)处产生规定的场强(3V／m200V／m)，考察是否会引起EUT工作性能下降。由于EUT表面有一定范围，所以在静区地板上方0．8m高度规定了一个1．5m×1．5m 的假想垂直平面，即均匀区，在这个平面中场的变化非常小．在26MHz18GHz频率范围内，要求该区域内75 的表面上的幅值偏差应在标称值的0～+6dB范围之内，如图3所示。具体做法是，把该面均匀划分l6个点，用各向同性场探头测量每点的场强，取数值最接近的l2个值，删除另4个。l2个值中最大和最小的差值如小于6dB ，则可认为该测试面是均匀的，可以进行电磁辐射敏感度认证检测。


当激励场源引起暗室谐振时，尤其是引起抑制强干扰源向外界辐射的主动屏蔽室谐振时，会使暗室的屏蔽效能大大降低。在电磁兼容性试验中，常在电波暗室内对电子或机电设备进行辐射发射测量，一旦发射频率和激励方式使暗室产生谐振，将造成很大的测量误差。
GB 12190规定：在所有场合，模拟源的频率范围都应选得远高于屏蔽室的最低固有谐振频率。为了避免电波暗室谐振引起的测量误差，必须事先掌握所用半电波暗室较低的几个固有谐振频率点。它们可以通过理论计算来获得，并将其记录备案，这样在测试时可有意避开谐振频率点，或对该点测试结果加注解，以便于分析。
3．5．6 电磁环境电平
在EUF断电但辅助设备通电时，试验场地的传导和耦合电平与频率的关系通常叫该场地的电磁环境电平(电源线上的环境电平应在断开EUT、接上一个阻性负载的情况下测量，此负载应具有与EUT相同的额定电压)，不同的标准对电磁环境电平有不同的要求。
半电波暗室的电磁环境电平测试分为辐射和传导两种模式。半电波暗室的辐射发射环境电平与暗室的屏蔽效能和场地衰减特性有关，暗室的辐射发射环境电平按照GJB152A规定，在25Hz～lOOkHz磁场辐射发射、10kHz18GErz电场辐射发射测试中，在全频段范围内电磁环境电平应至少低于GJB151A 规定的极限值6dB；半电波暗室的传导发射环境电平与暗室的接地、绝缘性能指标有关，与供电电源、电源滤波器的性能好坏有关。暗室的传导发射环境电平按照GJB152A规定，在25Hz10MHz范围内进行电源线传导发射测试时，全频段范围内电磁环境电平应至少低于GJB151A规定的极限值6dB。
4 其他技术要求及注意事项
A．接地电阻
半电波暗室的接地电阻应≤1Q。
B．供电要求
半电波暗室里，测试系统和受试设备应尽可能分开供电；三相供电时尽可能做到三相平衡。
C．滤波要求
理论和实践都表明，进入半电波暗室的电源线(DC和AC)和信号线，都需要经过滤波。电源滤波器的作用是防止电网的电磁干扰影响半电波暗室内的设备，同时也防止暗室内设备的电磁干扰进入电网。
D．与系统的连接
EMC测试实验室除半电波暗室外，还有控制室、功放室、传导测试室等。应根据所订购的测试设备确定电缆连接信导板的位置、尺寸要求，以及连接电缆的铺设等。

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这里可以共同学习：
PCB的EMC设计——《PCB电磁兼容设计“万能”模板》（6页）；
PCB的EMC评审案例——《XX电源板PCB电磁兼容设计案例》（5页）；
PCB的EMC测试案例——《XX数字信号处理板电磁兼容测试案例分析》（5页）；
整机EMC认证案例——《XX系统电磁兼容认证案例分析》（6页）；
链接
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