边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置和方法

1.本发明涉及材料的电磁屏蔽技术领域，特别是涉及一种边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置和方法。


背景技术：

2.随着用频设备数量的增多，空间电磁环境变得日趋复杂、恶劣，需要对现代电子设备内部的电子模块、部组件进行高效的电磁防护，使用电磁防护材料阻隔、衰减电磁波的传播是电磁防护常用的技术措施。屏蔽效能是衡量材料电磁防护能力的核心技术指标。新型电磁防护材料大多为复合材料，由于材料复合工艺、金属掺杂的不确定性等因数的影响，数值模拟往往很难得到材料屏蔽效能的精确解，实验测量是准确评估材料电磁防护能力的首选技术。
3.常用的屏蔽效能测试通常采用单一平面波垂直辐照材料表面的方法来获取其屏蔽效能。然而作为电磁防护功能使用的材料，其工作环境往往是电磁波多入射方向和极化方式共存的复合电磁环境。因此，材料的屏蔽效能测试也应该在类似的复杂环境中进行。混响室内部是空间统计均匀、各向同性、随机极化的电磁环境，与材料在实际使用中遇到的环境更为接近，因此适合用于测试材料的屏蔽效能。国际电工委员会提出了“在大型机械搅拌混响室内部嵌套小型机械搅拌混响室、将受试材料安装在小型机械搅拌混响室测试窗口上的方法来测试材料的屏蔽效能”，称为嵌套混响室屏蔽效能测试方法。该方法存在着系统结构复杂、可用频率带宽受限、屏蔽效能定义不完善导致测试结果误差大等缺陷。
4.针对此问题，一些学者提出柔性双混响室屏蔽效能测试方法：将两个柔性屏蔽布混响室通过测试窗口结合在一起，使用电机带动混响室晃动的方法获得统计均匀的电磁环境。然而通过晃动方式获取的混响室均匀场环境，测试结果随机性大，且无法使混响室工作于标准认可的模调谐模式；选用的基于能量守恒原理的屏蔽效能定义方法导致测试流程过于繁琐，且测试结果也不准确。因此需要提出新的屏蔽效能定义方法。
5.1、传统屏蔽效能测试装置及缺陷：
6.传统混响室屏蔽效能测试装置是在一个大型机械搅拌混响室内部安装一个小型机械搅拌混响室，在小混响室的一个腔体表面设置测试窗口，在测试窗口安装受试材料，根据大、小两个混响室内接收天线的接收功率的比率计算其屏蔽效能，传统的测试装置框图如图1所示。
7.该方法尽管为材料屏蔽效能测试提供了更为贴近实际的复合电磁环境，但存在如下缺陷：一是需要两个机械搅拌混响室，测试装置复杂，特别是大、小搅拌器的设计和控制是技术难题；二是小混响室的体积不能超过大混响室体积的8％，小混响室的体积决定着其内部模态数量，小混响室的体积小就意味着难以拓展可用频率的下限，进而导致测试带宽窄；三是机械搅拌混响室造价昂贵；这些问题的存在导致嵌套混响室屏蔽效能测试方法难以推广使用。
8.2、现有屏蔽效能定义方法及其缺陷：
transactions on electromagnetic compatibility,2003,45(2):350-356.]采用功率平衡方法提出了新的屏蔽效能定义方法，计算式为
[0023][0024]
式中，p
r，in，s
、p
r，in，ns
分别表示有无安装受试材料时小混响室内天线接收功率；p
r，o，s
、p
r，o，ns
分别表示有无安装受试材料时大混响室内天线接收功率；p
rq，in，s
、p
rq，in，ns
分别表示小混响室内放置发射天线时有无安装受试材料时小混响室内天线接收功率；p
tx，in，s
、p
tx，in，ns
分别表示有无安装受试材料时小混响室内发射天线的发射功率。
[0025]
该定义方法通过对大、小混响室内8个参数的测量，获得屏蔽效能。然而这种定义方法存在误差，因子为有无受试材料时小混响室内天线接收功率比值，因子为有无受试材料时小混响室布置发射天线时接收功率的比值，已包含了受试材料加载导致的测试误差，的存在会导致测试误差加大。因子为小混响室内输入功率的比值，一般可简化为1。该定义方法需要将发射天线分别放置在大小混响室内部，分别测试安装受试材料前后接收天线的功率和发射天线的功率，测试过程十分繁琐。
[0026]
用上述三种屏蔽效能定义方法得到的某材料的屏蔽效能如图4所示。
[0027]
从图4可以看出，不同方法测试得到屏蔽效能整体趋势一致，但是公式(2)和公式(4)方法波动较大，特别是在6ghz频点，两种定义方法测试结果相差约30db。根据前面分析可知，公式(1)结果偏大，公式(2)结果偏小，然而公式(4)测试结果比公式(1)测试结果还要大，所以也验证了该定义方法存在误差。


技术实现要素：

[0028]
本发明的目的是提供一种边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置和方法，为准确测试材料在复合电磁环境下的屏蔽效能提供了平台和方法。
[0029]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0030]
一种边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置，包括：柔性屏蔽布混响室、金属板、步进电机组、发射天线、第一接收天线、第二接收天线、第一频谱分析仪、第二频谱分析仪和控制器；
[0031]
所述金属板作为隔断将所述柔性屏蔽布混响室分为发射混响室和接收混响室，所述金属板与所述柔性屏蔽布混响室四周紧密连接；
[0032]
所述金属板中心开设有测试窗口，用于安装受试材料；所述受试材料与所述金属板电搭接；
[0033]
所述步进电机组用于控制发射混响室和接收混响室的墙壁形变；
[0034]
所述发射天线和第一接收天线放置于所述发射混响室内部；
[0035]
所述第二接收天线放置于所述接收混响室内部；
[0036]
所述第一频谱分析仪与所述第一接收天线连接；
[0037]
所述第二频谱分析仪与所述第二接收天线连接；
[0038]
所述控制器与所述第一频谱分析仪、第二频谱分析仪和步进电机组连接。
[0039]
可选的，所述步进电机组包括六个正交方向的步进电机，所述发射混响室和接收混响室均由三个正交方向的步进电机带动墙壁形变。
[0040]
所述步进电机沿其所连接腔体表面的法线方向做往复运动。
[0041]
可选的，所述步进电机的行程和运动速度可调。
[0042]
可选的，所述测试窗口为正方形或者圆形。
[0043]
可选的，所述发射天线和第一接收天线为2幅双脊宽带喇叭天线。
[0044]
可选的，所述第二接收天线为1幅喇叭天线。
[0045]
可选的，所述第一接收天线放置在所述发射混响室内部距离腔体边界大于等于1/4测试频率波长的任意位置。
[0046]
可选的，所述第二接收天线放置在所述接收混响室内部距离腔体边界大于等于1/4测试频率波长的任意位置。
[0047]
一种边界形变互耦混响室屏蔽效能测试方法，包括：
[0048]
设置六个步进电机的行程和运行速度，确定互耦混响室的形变状态；
[0049]
设置信号源输出频率的范围、频率间隔和信号幅度；
[0050]
根据混响室内的信号强度调整功率放大器增益；
[0051]
设置第一频谱分析仪和第二频谱分析仪的扫频带宽和分辨率带宽；
[0052]
将受试材料安装在测试窗口，确保受试材料与测试窗口之间无电磁泄漏；
[0053]
测试发射混响室内天线的接收功率和接收混响室内天线的接收功率；
[0054]
撤走受试材料；
[0055]
测试窗口空置时发射混响室内天线的接收功率和接收混响室内天线的接收功率；
[0056]
采用公式计算受试材料的屏蔽效能，式中，se为受试材料的屏蔽效能，p
o，s
为安装受试材料后发射混响室内天线接收功率，p
i，s
为安装受试材料后接收混响室内天线接收功率，p
o，ns
为撤走受试材料后发射混响室内天线接收功率，p
i，ns
为撤走受试材料后接收混响室内天线接收功率。
[0057]
根据本发明提供的具体实施例，本发明实现了以下技术效果：
[0058]
(1)用边界形变屏蔽布混响室代替传统机械搅拌混响室，测试装置简化了，造价也随之降低。
[0059]
(2)用互耦混响室取代嵌套混响室，互耦混响室的体积可以一样大，不需要一大一小混响室，因为小混响室决定着可用测试频率的下限，用互耦混响室拓宽了测试频带。
[0060]
(3)首先制作一个大型的柔性屏蔽布混响室，然后用一个金属板作为隔断将屏蔽布制作的大混响室一分为二，屏蔽布与金属板四周紧密固定确保无电磁泄漏，构成了两个柔性屏蔽布混响室。两个混响室共用一个金属板作为墙壁，解决了互耦混响室之间良好电搭接的问题。互耦混响室良好电搭接问题是个难点，且代价较高。
[0061]
(4)步进电机带动腔体表面形变，取代步进电机带动混响室整体晃动，使混响室既
可以工作在模搅拌模式，也可以工作在模调谐模式。
[0062]
(5)测试装置简单、造价便宜，工作模式多，易于推广使用。
附图说明
[0063]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0064]
图1为现有技术中嵌套混响室法屏蔽效能测试装置框图；
[0065]
图2为空窗时测试的屏蔽效能示意图；
[0066]
图3为测试窗口加载影响示意图；
[0067]
图4为材料屏蔽效能测试结果示意图；
[0068]
图5为本发明边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置框图；
[0069]
图6为测试装置动态范围示意图；
[0070]
图7为发射混响室电场分布均匀性示意图；
[0071]
图8为接收混响室电场分布均匀性示意图；
[0072]
图9为不同定义方法测试结果的比较示意图；
[0073]
图10为新定义方法测试结果重复性示意图。
具体实施方式
[0074]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0075]
本发明的目的是提供一种边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置和方法，改进了现有的测试装置和方法，为准确测试材料在复合电磁环境下的屏蔽效能提供平台和方法依据。
[0076]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0077]
1、关于边界形变互耦混响室的构建
[0078]
本发明边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置框图如图5所示。
[0079]
首先制作一个大型的柔性屏蔽布混响室，然后用一个金属板作为隔断将屏蔽布制作的大混响室一分为二，构成两个柔性屏蔽布混响室，屏蔽布与金属板四周紧密连接确保无电磁泄漏。
[0080]
其中，将两个柔性屏蔽布混响室中的任意一个作为发射混响室，另一个作为接收混响室，两个柔性屏蔽布混响室共用一个金属板作为墙壁，解决了互耦混响室之间良好电搭接的问题。将电磁能量通过共用金属板上的测试窗口由发射混响室传递到接收混响室。
[0081]
发射混响室和接收混响室都由三个正交方向的步进电机带动墙壁形变。发射混响室的三个步进电机通过第一电机控制器控制，接收混响室的三个步进电机通过第二电机控
制器控制。每个步进电机均沿所连接腔体表面的法线方向做往复运动，步进电机行程和运动速度可调，这样混响室就可以工作于模调谐模式。由于混响室内部不需要放置任何机械搅拌器，并且壳体由屏蔽布制作而成，因此制作简单且造价极低，只有同体积金属混响室的百分之一。
[0082]
在共用的金属板中心设置一个测试窗口，可以为正方形或者圆形，优选为60cm
×
60cm的正方形测试窗口。测试时，将受试材料安装在测试窗口上，并与测试窗口保持良好的电搭接。
[0083]
在发射混响室内部使用2幅双脊宽带喇叭天线分别作为辐射天线和第一接收天线，在接收混响室内部使用1幅喇叭天线作为第二接收天线。发射天线放置在混响室的一个角落内，第一接收天线和第二接收天线分别放置在混响室内部距离腔体边界大于或等于1/4波长(对应测试频率)以内的任意位置。
[0084]
第一接收天线和第二接收天线分别与外界第一频谱分析仪和第二频谱分析仪连接。
[0085]
具体的，本发明装置中各个部件的功能如下：
[0086]
发射天线：通过大功率射频放大器的推动，辐射出射频电磁波。
[0087]
第一接收天线：接收发射混响室中的电磁波信号，传输给第一频谱分析仪。
[0088]
第二接收天线：接收接收混响室中的电磁波信号，传输给第二频谱分析仪。
[0089]
定向耦合器和功率计：二者配合使用，用于实时监测功率放大器输出给混响室发射天线的功率及天线反射功率。
[0090]
功率放大器：将信号源输出的小功率信号放大为大功率信号输送给发射天线。
[0091]
射频信号源：产生混响室测试所需一定频率的电磁信号，信号频率、调制方式、幅度受计算机控制。
[0092]
第一频谱分析仪：频域上记录接收第一天线接收到的信号强度。
[0093]
第二频谱分析仪：频域上记录接收第二天线接收到的信号强度。
[0094]
第一电机控制器：控制连接发射混响室三个壁面的步进电机运动，从而带动墙壁形变。
[0095]
第二电机控制器：控制连接接收混响室三个壁面的步进电机运动，从而带动墙壁形变。
[0096]
2、关于基于窗口加载效应的屏蔽效能定义修正方法
[0097]
方法整体逻辑如下：
[0098]
步骤1:根据现有文献研究，屏蔽效能定义为放置被试材料前后小混响室内天线接收功率的比值
[0099][0100]
式中p
i，ns
和p
i，s
分别代表小混响室测试窗口安装测试材料前后天线的接收功率。
[0101]
步骤2：基于步骤1屏蔽效能定义公式，对混响室内天线接收功率归一化，引入大混响室的品质因数，修正屏蔽效能表达公式。
[0102]
公式(2)从物理意义上是最为明确的，所存在的主要问题是未能保持放置被试材
料前后外界电磁辐射的一致，即p
i，ns
和p
i，s
对应的外部大混响室内的功率密度发生了变化，带来变化的主要原因是被试窗口覆盖的材料带来大混响室品质因数发生了变化，导致同样输入功率下大混响室内部的功率密度产生了漂移，因此需要对大混响室内的功率密度进行归一化处理。
[0103]
步骤3：由于混响室内天线的接收功率等于功率密度与天线等效面积乘积，功率密度的归一化就转化为了天线接收功率的归一化。
[0104]
步骤4：对屏蔽效能计算公式中的p
i，ns
和p
i，s
进行归一化。
[0105][0106]
式中q为混响室品质因数，p
t
和《pr》分别表示输入功率和平均接收功率，v为混响室体积，λ为波长。
[0107]
小混响室安装受试材料前后，大混响室的输入功率为p
i，ns
和p
i，s
时，对应的大混响室内天线接收功率分别为
[0108][0109][0110]
可以看出，p
o，ns
和p
o，s
与大混响室的品质因数成正比。
[0111]
步骤5：假定大混响室的输入功率保持不变，则
[0112][0113]
因此可以将屏蔽效能计算公式转化为
[0114][0115]
式中，p
o，s
、p
i，s
分别指安装受试材料后大小混响室内天线接收功率；p
o，ns
、p
i，ns
分别指安装受试材料前大小混响室内天线接收功率。对应于互耦混响室，p
o，s
、p
i，s
分别指安装受试材料后发射和接收混响室内天线接收功率；p
o，ns
、p
i，ns
分别指安装受试材料前发射和接收混响室内天线接收功率。
[0116]
公式(9)中第一个因子与公式(1)是等效的，第二个因子为接收混响室未安装受试材料时的屏蔽效能，是屏蔽效能测试装置带来的加载效应。修正后的公式等于公式(1)减去测试装置带来的误差。
[0117]
步骤6：将公式(9)写作如下形式：
[0118]
[0119]
其中，第一个因子与公式(2)是等效的，反映的是安装受试材料前后发射混响室品质因数变化情况，是对加载效应的修正。
[0120]
3、关于边界形变互耦混响室屏蔽效能测试方法
[0121]
测试之前，首先确保混响室内部的电磁环境是空间统计均匀的，然后分别测试安装受试材料前后发射和接收混响室内天线的接收功率，再根据公式(9)或(10)计算材料的屏蔽效能。
[0122]
材料屏蔽效能测试流程如下：
[0123]
测试前参数设置：设置6个步进电机行程、运行速度，确定互耦混响室的形变状态。
[0124]
设置信号源输出频率的范围、频率间隔、信号幅度。
[0125]
将功率放大器调整为适当增益，确保混响室内的信号强度适中。
[0126]
设置频谱分析仪的扫频带宽为100khz、分辨率带宽为100hz，确保测试数据准确可靠。
[0127]
将受试材料安装在测试窗口，确保受试材料与测试窗口之间无电磁泄漏。首先信号源输出为起始频率，第一频谱分析仪和第二频谱分析仪间隔固定时间分别读取发射混响室和接收混响室内部天线的接收功率，读取数据为12个；然后根据前期设置的频率步长更换下一个测试频率，重复上述测试过程，直至测试完所有频率。
[0128]
撤走受试材料，测试窗口空置。首先信号源输出为起始频率，第一频谱分析仪和第二频谱分析仪间隔固定时间分别读取发射混响室和接收混响室内部天线的接收功率，读取数据为12个；然后根据前期设置的频率步长更换下一个测试频率，重复上述测试过程，直至测试完所有频率。
[0129]
测试完毕，保存数据并关闭测试装置，并根据公式(9)或(10)计算受试材料的屏蔽效能。
[0130]
实施例：
[0131]
基于本发明的技术构思研制的边界形变互耦混响室屏蔽效能测试装置。两个混响室的几何尺寸均为1.6m
×
1.2m
×
1m，最低可用频率约为650mhz。由于测试装置硬件的限制，测试频率范围设置为1ghz-10ghz，步长250mhz。
[0132]
开始测试之前，需要获取系统的动态范围，以确保测试数据是可信的。
[0133]
然后开始测试，在输入功率为1w的情况下，屏蔽效能测试装置的动态范围如图6所示。
[0134]
从图6可以看出，该系统动态范围在1ghz-10ghz频率范围内从90db逐渐下降到约60db。配置大功率的功率放大器提高输入功率，或使用精度更高的接收机或频谱分析仪，可以获取更大的动态范围。
[0135]
图7和图8是测试得到的系统的空间电场均匀性。该结果通过测试工作区域8个顶点位置处的电场强度，然后依据混响室标准容差计算方法计算得到。可以看出，发射混响室和接收混响室在测试频率范围内的电场标准偏差都小于3db，完全满足混响室均匀性要求，可以用于屏蔽效能测试。
[0136]
图9是采用本发明提出的屏蔽效能定义修正方法获得的实验结果。在整个测试频率范围，测试结果相对稳定，波动率远小于使用公式(2)的计算结果，与公式(1)基本相当。
在大部分频点，测试结果小于公式(1)、大于公式(2)，相对比较合理。
[0137]
图10是采用新定义方法获得测试重复性，其中实验1～实验4分别改变了两个混响室中接收天线的位置，实验5与实验1接收天线位置一致，但混响室形变幅度和电机运行速率做了调整。从测试结果看，5次实验数据的重复性较好，在1.5ghz和2.5ghz频点不同测试结果偏差较大，最大为5.7db。
[0138]
为量化5次测试结果的重复性，使用变异系数来反映测试数据的离散程度，定义为测试数据标准偏差与平均值的比值。表1为屏蔽效能重复性测试数据。
[0139]
表1屏蔽效能重复性测试结果
[0140][0141]
根据表1可知，在测试频率范围内屏蔽效能均值在28db～34db之间波动，结果稳定性比较好；不同组测试数据的标准偏差最大1.24db，变异系数也小于4％，说明测试结果重复性很好。
[0142]
然而由于测试数据是间隔1ghz，漏掉了在图10中波动比较大的1.5ghz和2.5ghz两个频点，经过计算，1.5ghz的平均值为38.53db，标准偏差为1.61db，变异系数为4.18％；2.5ghz的平均值为24.31db，标准偏差为1.96db，变异系数为8.05％。所有数据均反映测试结果具有良好的重复性。
[0143]
本发明还公开了如下技术效果：
[0144]
关于测试装置：
[0145]
(1)用边界形变屏蔽布混响室代替传统机械搅拌混响室，测试装置简化了，造价也随之降低。
[0146]
(2)用互耦混响室取代嵌套混响室，互耦混响室的体积可以一样大，不需要一大一小混响室，因为小混响室决定着可用测试频率的下限，用互耦混响室拓宽了测试频带。
[0147]
(3)用一个金属板作为隔断将屏蔽布制作的大混响室一分为二，这样两个混响室
共用一个金属板作为墙壁，解决了互耦混响室之间良好电搭接的问题。
[0148]
(4)屏蔽布与金属板四周紧密连接无电磁泄漏，构成了两个柔性屏蔽布混响室，解决了互耦混响室良好电搭接问题。
[0149]
(5)步进电机带动腔体表面形变，取代步进电机带动混响室整体晃动，使混响室既可以工作在模搅拌模式，也可以工作在模调谐模式，尤其是一些国内国际标准只认可模调谐模式，例如：航空标准rtca do-160g《机载设备的环境条件和测试流程》，国内标准gjb 151b-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》。
[0150]
总结：测试装置简单、造价便宜，工作模式多，易于推广使用。
[0151]
关于定义方法：
[0152]
传统定义方法(1)测试简单，但结果偏大。传统定义方法(2)测试流程一般复杂，但结果偏小，结果波动较大。传统定义方法(3)测试流程特别复杂，结果偏大，测试结果波动较大。本发明的方法测试流程与定义方法(2)相当，测试结果比较稳定，重复性好，数据比定义方法(1)小、比定义方法(2)大，符合预期设想。
[0153]
总结：测试结果比较稳定，重复性好，测试量值符合预期设想。
[0154]
关于测试方法：
[0155]
本发明根据新定义方法，提出了测试方法，需要测试4个数据。定义方法(1)的测试方法只需要测一遍，两个参数；定义方法(2)的测试方法需要测两遍，2个参数；新定义方法与定义方法(1)的测试方法相比，需要配置的设备一样，但需要在安装受试材料前后各测试一遍。新定义方法与定义方法(2)的测试方法相比，需要在发射混响室内部多放置一个接收天线，测试流程一样，需要多记录2个参数。
[0156]
总结：测试方法相对简单，需要的仪器设备也不多。
[0157]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0158]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。