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什么是电磁屏蔽室,它的特性和功能又是什么?

发布日期:2023-11-29     229 次

一、 前言

电磁屏蔽室是一种重要的设施,用于提供符合要求的试验环境,以实现电磁兼容性试验。它能够提供与外部世界隔离的环境,以确保试验的准确性和可靠性。尽管在一些情况下,开阔、平坦的场地是必要的,但由于地面反射、建筑物的影响、架空电力线、地下电缆以及树木的吸收作用等不利因素的影响,这些场地很难满足技术要求。因此,基于相关标准和规范,许多试验项目应在屏蔽室内进行。

在GB6838-86《电子测量仪器  电磁兼容性试验规范》、GJB152-86《设备和分系统电磁发射和敏感度测量》以及其他电磁兼容性标准中,明确规定了电磁屏蔽室的重要性。该设施为各种电磁兼容性试验提供了理想的场所,以确保试验结果的准确性和可靠性。此外,电磁屏蔽室还具有许多其他优点,例如减少外部干扰的影响、提高试验环境的可控性和稳定性等。因此,在许多电磁兼容性试验中,电磁屏蔽室已成为不可或缺的重要设施之一。

二、 屏蔽室的特性

1. 屏蔽效能

屏蔽效能是指对于给定的外部干扰源进行屏蔽时,在某一点上屏蔽室安放前后的电场强度或磁场强度之比。

以某单位建造的屏蔽室为对象,我们对其进行了屏蔽效能测试,表1提供了部分测试数据。

 

屏蔽室的实际屏蔽效能比理论计算值还低。影响屏蔽效能的因素有:屏蔽室壁材料、通风口、门、电源滤波器和施工质量等。仍以该屏蔽室为例,它采用3mm的薄钢板做为壁材料,以满足屏蔽效能高和工作频带宽的要求。为了防止通风口泄漏电磁能量,采用了截止波导式通风口。它根据高通滤波器的原理而制造,其特点是对于低于波导截止频率的电磁能量具有衰减作用,从而提高屏蔽效能。一般情况下,电磁能量的泄漏主要来自于屏蔽室的门和电源引入线,因此门必须具有良好的电气接触。采用黄铜簧片弹性接触式结构,使门缝泄漏减小到最低程度。关于整体建造需要多块钢板焊接而成,故屏蔽性能与施工质量关系密切,所以上述屏蔽室采用整 体钢板三道焊接缝密焊的方法,保证了屏蔽室有良好的屏蔽效能。

2. 谐振

    屏蔽室是一种封闭式的金属空腔。当放入辐射源后,屏蔽室在某些特定的频率点上因激励可能出现谐振现象。因此,一个六面体屏蔽室可被看成是一个矩形金属谐振腔(如图1所示)

 

            图1  矩形谐振腔

图1中 a>l>b,  a、b和l分别代表长宽高

(1) 谐振频率

当电磁 波的矩形谐振腔中谐振时,腔体长度等于波长的整数倍,这个波长被称为谐振波长(λ0)。λ0满足条件:

其中:

     m,n=0,1,2,…….

     P=1,2,3,…..

这里,m,n,p均为电磁波在相应坐标方向上的振荡周期数。

相应地,谐振频率为

 

这里,C代表光速,其值为C=3*108   m/s。

上述屏蔽室的长宽高分别为:

a=12.02m

b=4,61m

l=8.45m

利用公式2计算,得出最低谐振频率为21.7MHz.

表2列举了通过公式2计算的屏蔽室内几个低次模的谐振频率。

为了获得实际使用的屏屏蔽谐振频率f0,可采用试验手进行探索。具体方法是:将信号源及发射天线放在门外,接收天线放在屏蔽室内,选定天线高度及位置,将接收机输入端与接收天线相连,信号源输出端与发射天线相连,把屏蔽室门一小缝,以便于信号耦合到屏蔽室,在室内产生电磁场。

为了掌握实际使用情况,在20-200MHz频率范围内,我们利用高灵敏度接收机进行了精确测试。测试曲线如图2所示,部分测试数据(第一谐振峰附近)在表3中给出。

 

   从测试数据以及图2中看出,第一谐振峰出现在频率为33.8MHz上。这就是最低谐振模式TM001模的谐振频率

。由于屏蔽室内放置了仪器设备及其它物品,相当于缩小了谐振腔体有效空间尺寸,所以实际谐振频率高于理论计算值。除了第一谐振峰以外,还有第二谐振峰以及更多次模的谐振峰。由于屏蔽室内存在多种模式,因而相互作用的结果可能使谐振曲线呈上升趋势。

(2) Q值估算

谐振腔的另一参要参量是Q值,它是衡量腔体内储能与耗能指标,因此称Q值为品质因素。

Q值用下式计算:

该值是屏蔽室的实际有载Q值。这对屏蔽室内的测量很有利,因为这样可以减少反射,提高测量结果的精度。

(3) 驻波现象

电磁波在屏蔽室内产生多次反射,当发生谐振时,形成驻波现象,驻波现象对测量结果有直接影响。因此,在屏蔽室内进行EMC实验时,应注意选择测量位置。

图3例举了理想屏蔽室内三种谐振模式形成的驻波波形。

为了掌握现有屏蔽室的驻波分布情况,我们在该屏蔽室内进行了实地测试。测试方法是:选择一对相同的振子天线,固定好发射开线位置及高度,选择发射频率为f=150MHz。将接收天线沿屏蔽室中心长轴移动,测得一组数据,绘出XY平面(见图1) 的驻波波形如图4所示。

 

 

3. 屏蔽室的反射

屏蔽室内因存在激励源而引起的另物理现象是电磁波的反射。在对受试设备进行辐射发射测试时,接收天线除了接受来自受试设备的直接辐射外,还有来自屏蔽室腔体表面(包括地面、天花板以及墙壁)的反射波,如图5所示。

 

    图5中矢径1为直射波,矢径2、3、4为经过壁面的一次反射波,矢径5为二次反射波。由于屏蔽室内接收天线处的电磁场是直射波与各种反射波的合成场,而开阔场地上的天线主要接收来自受试设备的直接辐射以及地面的反射。因此,与开阔场地相比,在屏蔽室测量会产生一定的误差。

在屏蔽室内,天线处的合成场取决于直射波与反射波的相位差。假设反射波只经过壁面一次反射、在金属壁板界面上入射波与反射波相位差180的情况下,当直射波与反射波的波程差是半波长的奇数倍时,二者桑加后的合成场将增加;当直射波与反射波的波程差是半波长的偶数倍时,合成场将减弱。若反射场经壁面二次反射到达接收天线,则结果与上述情况恰好相反。

直射波与反射波到达接收天线的波程差取决于受试设备与接收天线的距离、位置、屏蔽室的空间尺寸以及受试设备的辐射频率,改变上述因素,将会使测量数据受到影响。

4. 天线校准系数

对于电磁兼容试验中的辐射干扰测试,在不同的环境条件下,必须对使用天线的天线系数重新进行校准。下面介绍利用互易原理校准双锥天线的方法。

(1) 测试配置及校准方法

将一对完全相同的双锥天线置于测试现场,选定好天线间距,一般取1m、3m、10m。两天线的架设高度和极化方向均一致。天线高度在1~4m内调整。收发天线经电缆l1、l2分别接到信号源阻抗为和场强测量仪上。

如图6所示,设天线输入50Ω,测试系统接口匹配良好。使信号源输出一种恒定电平Vt,这时干扰仪读数为Vr。保持信号源输出不变,将电缆l1、l2拆下,用同轴连接器直接相连,如果电缆损耗忽略不计,这时干扰仪的读数就是信号源的输出电平Vt,在20~200MHz范围内改变频率,即可得到双锥天线的校准系数。

 

(2) 计算公式

在工程上,我们主要关心的是与实际工作相关的计算公式,这里,介绍两个计算天线的增益和天线的校准系数的实用公式,同时免去较繁复的推导过程。


图7说明,测试天线架高2m,距离1m。在开阔场地测量时,天线周围3m距离范围之内无障碍物,在屏蔽到内测量时,天线置于屏蔽室的几何中心利用(4)(5)两式即可给出天线校准系数的频响关系曲线。图7给出了双锥天线在开阔场与屏蔽室内的校准曲线。从上图中我们发现,在30~200MHz范围内,双锥天线在开阔场与屏蔽室内的校准曲线具有大致相同的趋势。由于屏蔽室内存在反射现象,因而天线系数明显高于自由空间开阔场的校准系数。

一、 屏蔽室的适用性与局限性

在执行辐射干扰试验时,屏蔽室内部可以有效地隔离外界的不利影响。然而,由于屏蔽室内部的谐振、驻波和反射现象,电磁兼容性(EMC)测试可能会遭遇一些困难。为了解决屏蔽室内部的强烈反射问题,建议将现有的屏蔽室改造成电波暗室。这种暗室的表面应采用尖劈或锥状的吸收材料,其长度大约为四分之一波长。这样,当电磁波到达顶部时,大部分能量都会被吸收,从而模拟出无反射的自由空间环境。此外,还可以扩大屏蔽室的尺寸,以降低其谐振频率。

在进行EMC测试时,应确保受试设备周围3米范围内没有任何其他物品。在选择测试位置时,应避免在驻波最大的地方进行测试。同时,受试设备和测试设备之间应保持一定的距离,以防止测试设备产生的系统噪声对受试设备造成干扰。

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