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user: 3. 屏蔽效能测试对比研究 屏蔽效能测试数据除决定于材料的本征电磁参数外，与测试方法有极大关系，目前对于装备屏蔽效能的测试标准主要有GJB 6785-2009、GB/T 12190-2006、GJB 3039-1997等；对于系统、整机屏蔽效能的测试标准有GJB 5792-2006、GJB 5362-2005、GJB 5240-2004、GJB 5185-2003等，因此，装备与材料屏蔽效能测试方法的差异对屏蔽效能的影响是一个值得探讨的问题，本文以GB/T 12190-2006 (简称GB12190)和GB/T 30142-2013 (简称GB30142)为例对其测试方法进行对比研究。 图1. 屏蔽室窗口测试法示意图 图2. 小屏蔽体窗口测试法示意图 图3. 法兰同轴装置测试法示意图 GB12190和GB30142采用屏蔽室法进行屏蔽效能测试时，其测试系统组成及测试设备要求基本相同，表1列出了两标准对测试天线类型及推荐测量频率点规定。 两标准对测试天线距离的规定中，低频段9 kHz~20 MHz规定相同，发射、接收天线与受试样间距离均为0.3 m；谐振频段20 MHz~1000 MHz规定的参考距离相同，均为2.0 m，但GB12190规定了发射天线与受试样距离1.7 m，接收天线与受试样距离为0.3 m；GB30142规定了发射、接收天线与受试样间距离均为0.6 m；高频段1 GHz~18 GHz规定的参考距离、发射、接收天线与受试样间距离均不相同，具体见表2。 此外，两标准的校准参考方式不同，GB12190的校准参考方式采用自由空间 [ 6 ] ，GB30142采用窗口校准方式。 为避免测量结果的失真和无效，GB30142规定了测试窗口为0.6 m窗口，即测试窗口尺寸为600 mm × 600 mm，低频达到环天线直径的4倍以上，高频达到标准增益喇叭天线口径尺寸的2~3倍以上 [ 7 ] ，为 Table 1 Types of testing antennas and recommending testing frequency point 天线类型 推荐测量频率点 GB12190 GB30142 GB12190 GB30142 环天线 环天线、垂直极化单极天线 9 k~16 k 10 k， 14 k 环天线 环天线、垂直极化单极天线 140 k~160 k / 环天线 环天线、垂直极化单极天线 / 200 k 环天线 环天线、垂直极化单极天线 / 1 M 环天线 环天线、垂直极化单极天线 14 M~16 M 15 M 双锥天线 双锥天线 20 M~300 M 80 M 偶极天线、对数周期天线 偶极天线、对数周期天线 300 M~600 M 300 M， 450 M 偶极天线、对数周期天线 偶极天线、对数周期天线 600 M~1000 M 915 M 喇叭天线 喇叭天线 1 G~2 G 1 G， 1.5 G， 1.8 G 喇叭天线 喇叭天线 2 G~4 G 2.45 G， 3 G 喇叭天线 喇叭天线 4 G~8 G 6 G 喇叭天线 喇叭天线 8 G~18 G 10 G， 18 G 表1. 测试天线类型及推荐测量频率点表 Table 2 Comparison of antenna testing distance 测量频段 发射天线与受试样距离 接收天线与受试样距离 参考天线间距离 备注 GB12190 GB30142 GB12190 GB30142 GB12190 GB30142 9 k~20 M 0.3 m 0.3 m 0.3 m 0.3 m 0.6 + t 0.6 + t 相同 20 M~1000 M 1.7 m 1.0 m 0.3 m 1.0 m 2.0 + t 2.0 + t 参考距离相同 1 G~18 G 2 m 0.6 m 0.3 m 0.6 m 2.3 + t 1.2 + t 不同 表2. 天线测试距离对比表 此，本文基于屏蔽室0.6 m窗口，选取平面屏蔽材料作为受试样，按照以上推荐频点进行频率范围为10 k~18 GHz的屏蔽效能测试试验。 3.1. 试验方案 a) 受试对象：平面丝网屏蔽材料，基本参数为：尺寸600 × 600，结构165目/052，σ r = 0.3，μ r = 636。 b) 测试环境：3 m法钢板屏蔽室，开有0.6 m方形测试窗口。系统测量动态范围为：>60 dB/14 kHz；>80/200 kHz；>100/450 kHz~18 GHz。归一化场地衰减测试的NSA值与理论的NSA值相比较，误差在±4 dB以内，根据屏蔽室尺寸可粗略计算出其最低谐振点分别为：63 MHz。 c) 测试仪器设备：射频信号发生器、微波信号发生器、功率放大器、频谱分析仪、环天线(套)、双锥天线、对数周期天线、双脊喇叭天线、传输线缆、衰减器等，依据不同场源要求选择天线和测试电缆搭建测试环境 [ 8 ] 。 d) 测试步骤： i) 将测试系统置于屏蔽室外，按GB12190规定，在自由空间条件下，测试天线中心正对，测得接收机的接收功率，作为参考数据，定义为“自由空间校准值”A1 (dBm)； ii) 将信号源、发射天线置于屏蔽室外，接收天线、频谱分析仪(接收机)置于屏蔽室内，测试天线中心正对测试窗口中心，在窗口敞开条件下，分别按GB12190和GB30142规定的测试距离，测得接收机的接收功率，作为参考数据，定义为“窗口校准值”A2 (dBm)和“窗口校准值”B2 (dBm)； iii) 将受试样铺设于测试窗口，导电压接牢固，保持与ii)同样条件，再次按GB12190和GB30142规定的测试距离，测得接收机的接收功率，作为衰减数据，定义为“窗口测试值”A3 (dBm)和“窗口测试值”B3 (dBm)； iv) 按屏蔽效能定义，由“窗口测试值”减去“自由空间校准值”或“窗口校准值”，得出“GB12190测试屏蔽效能”SE1 (dB)、“GB12190窗口校准屏蔽效能”SE1’和“GB30142测试屏蔽效能”SE2 (dB)。 3.2. 试验结果分析 3.2.1. 屏蔽效能测试结果 GB 12190-2006和GB/T 30142-2013的屏蔽效能测试结果见表3。 将表3数据绘制成曲线图4，可以看出，两标准测试的屏蔽效能区别还是很明显的，在1 GHz以下，SE1普遍高出SE2近7 dB；在1 GHz以上，SE1与SE2差值近5 dB，呈波浪交叉形态。其中在80 MHz出现屏蔽效能异常点，由于80 MHz是在屏蔽室的谐振频段范围内，最大可能是由于窗口谐振使测试值出现异常，因此，测试时应特别注意避开屏蔽室的固有谐振频率。 Table 3 Measurements of shielding effectivenes 序号 测量 频点 GB12190 GB30142 屏蔽效能差值 (dB) A1 自由空间校准值 (−dBm) A3 窗口测试值 (−dBm) SE1 屏蔽效能 (dB) B2 窗口校准值 (−dBm) B3 窗口测试值 (−dBm) SE2 屏蔽效能 (dB) 1 10 k 25 52 27 36 52 16 11 2 14 k 22 49 27 26 49 23 4 3 150 k 24 57 33 29 57 28 5 4 200 k 26 60 34 30 60 30 4 5 1 M 26 65 39 30 65 35 4 6 14 M 28 88 60 34 88 54 6 7 15 M 27 90 63 35 90 55 8 8 80 M 7 94 87 31 84 53 34 9 300 M 8 70 62 6 58 52 10 10 450 M 12 84 72 16 77 61 11 11 915 M 15 85 70 13 77 64 6 12 930 M 16 83 67 13 76 63 4 13 1 G 18 85 67 9 80 71 −4 14 1.5 G 18 75 57 15 62 47 10 15 1.8 G 16 67 51 11 64 53 −2 16 2.45 G 23 73 50 18 67 49 1 17 3 G 22 66 44 17 65 48 −4 18 6 G 27 71 44 21 61 40 4 19 10 G 34 85 51 29 64 35 16 20 18 G 57 98 41 52 95 43 −2 表3. 屏蔽效能表 本文对两标准差异的原因从电磁辐射传输过程的基本理论进行分析。按照Schelkunoff等效传输线原理，电磁波在自由空间传播的过程与行波在传输线中传输过程相似，可利用传输线方程来分析计算，这里传输线就是传输电磁能量的线路系统 [ 9 ] 。在测试中，电磁辐射传输过程包括：发射天线发射电磁波，经过自由空间场辐射到屏蔽室壁，经窗口进入屏蔽室，在屏蔽室腔体传播后，由接收天线接收。此过程中，电磁波能量损耗主要包括自由空间场传播损耗、屏蔽室壁及窗口(受试样)损耗、以及屏蔽室腔体损耗，见图5所示。 1) 自由空间场传播损耗 天线发射电磁波在自由空间传播时，其能量损耗简化计算可用下式(2)表示 [ 10 ] ： P L = 20 lg ( f ) + 20 lg ( d ) + 32.4 (2) 式中，PL——自由空间损耗，单位：dB； f——频率，单位：MHz； d——距离，单位：Km。 可知，在频率一定的情况下，发射天线距离窗口越远，自由空间对电磁波的损耗衰减越大，距离从1 m增加到1.7 m，PL将增加4.6 dB；距离从0.6 m增加到2 m，PL将增加10.4 dB。 2) 屏蔽室窗口损耗 屏蔽室窗口对电磁波的损耗可采用截止波导理论解释，将屏蔽室窗口模拟为一种矩形波导结构，存 图4. 屏蔽效能曲线 图5. 屏蔽效能测试系统组成示意图 在一个截止频率f c ： f c = 15 w   ( GHz ) (3) 式中，w——矩形窗口长边长度，单位：cm。 电磁波在穿过屏蔽室窗口时，可以采用公式(4)求得窗口屏蔽效能 [ 2 ] ： S E = 1.823 × 10 − 9 f c 1 − ( f f c ) 2 ⋅ t   ( dB ) (4) 式中，f——频率，单位：Hz； t——屏蔽壁厚度，单位：cm。 本文屏蔽室窗口尺寸为60 cm × 60 cm × 20 cm，计算出其截止频率为0.25 GHz，屏蔽效能接近9 dB，当频率大于0.25 GHz时，屏蔽室窗口对电磁波基本不产生损耗。 3) 屏蔽室腔体损耗 电磁波在屏蔽室内的传播与自由空间场不同，当电磁波进入屏蔽室腔体后，电磁波遇到地面、天花板、墙壁等不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等，形成腔体损耗。根据Schelkunoff传输线理论，将屏蔽室腔体等效为无限长的导体板，屏蔽效能见式(5) [ 2 ] ： S E = R + A + B   ( dB ) (5) 其中，R——反射损耗，计算公式为： R = 168 − 10 lg [ f μ r σ r ]   ( dB ) (平面波) (6) R = 3.217 − 10 lg [ f 3 r 3 μ r σ r ]   ( dB ) (电场) (7) R = 20 lg ( 5.35 r f σ r μ r + 0.354 + 1.17 × 10 − 2 r μ r f σ r )   ( dB ) (磁场) (8) A——吸收损耗，计算公式为： A = 131 t ( f μ r σ r )   ( dB ) (9) B——材料内部多次反射损耗，计算公式为： B = 10 lg [ 1 − 2 × 10 − 0.1 A cos ( 0.23 A ) + 10 − 0.2 A ]   ( dB ) (10) 式中，f——频率，单位：Hz； t——屏蔽壁厚度，单位：m； r——发射天线至屏蔽室材料距离，单位：m； μ r ——相对磁导率； σ r ——相对电导率。 由上式可知，屏蔽室腔体对电磁波具有很强的反射特性。因此，室内接收天线接收到的电磁波除了来自发射天线的直接辐射外，来自屏蔽室腔体表面的反射波也不能忽略，即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，合成场加强或减弱取决于直射波与反射波到达接收天线的波程差，当直射波与反射波的波程差是半波长的奇数倍时，二者相加后合成场将加强；当波程差是半波长的偶数倍时，合成场将减弱。直射波与反射波到达接收天线的波程差又取决于接收天线与窗口的距离、屏蔽室空间尺寸等因素 [ 11 ] ，接收天线距离越远，接收到的电磁波受反射波影响越大。 综上分析，屏蔽效能测试数据是一个自由空间场传播损耗、屏蔽室窗口(受试样)损耗和屏蔽室腔体损耗的综合结果，影响因素较多，为此，本文以试验的方式对两标准的天线测试距离和校准参考方式进行了对比测试，以直观反映其差异性。 3.2.2. 天线测试距离的影响 本文试验了在相同0.6 m窗口下，依据GB12190和GB30142对天线测试距离的规定，进行屏蔽效能测试，测试结果见表4。 为了直观，本文将两标准天线测试距离及屏蔽效能测试结果绘制成对应曲线，见图6所示。 可以看出，在同为0.6 m窗口条件下，两标准测试的屏蔽效能平均差值有6 dB。在1 GHHz以下，虽然参考测试距离相同，但SE1’普遍比SE2高出8.4 dB；在1 GHz以上，SE1’与SE2差值有5 dB，呈波浪交叉形态。 3.2.3. 校准参考方式的影响 本文采用GB12190规定的天线测试距离，测试自由空间与0.6 m窗口两种校准参考方式下的屏蔽效能，测试结果见表5。 屏蔽效能曲线见图7所示，在相同的天线测试距离条件下，两种参考校准方式表现为在300 MHz以下，SE1较SE1’平均高出6 dB；300 MHz以上，两曲线趋于相同。 Table 4 Results of shielding effectiveness of the 0.6 m shielding enclosur 序号 测量频点 (Hz) GB12190 GB30142 A2 窗口校准值 (−dBm) A3 窗口测试值 (−dBm) SE1＇ 窗口屏蔽效能 (dB) B2 窗口校准值 (−dBm) B3 窗口测试值 (−dBm) SE2 屏蔽效能 (dB) 1 80 M 38 94 56 31 84 53 2 300 M 7 70 63 6 58 52 3 450 M 11 84 73 16 77 61 4 915 M 12 85 73 13 77 64 5 930 M 13 83 70 13 76 63 6 1 G 14 85 71 9 80 71 7 1.5 G 18 75 57 15 62 47 8 1.8 G 17 67 50 11 64 53 9 2.45 G 22 73 51 18 67 49 10 3 G 22 66 44 17 65 48 11 6 G 25 71 46 21 61 40 12 10 G 32 85 53 29 64 35 13 18 G 57 98 41 52 95 43 表4. 0.6 m窗口屏蔽效能表 Table 5 Shielding effectiveness based on two calibration reference 序号 测量频点 (Hz) A1 自由空间校准值 (−dBm) A2 窗口校准值 (−dBm) A3 窗口测试值 (−dBm) SE1 屏蔽效能 (dB) SE1’ 窗口屏蔽效能 (dB) 1 10 k 25 36 52 27 16 2 14 k 22 26 49 27 23 3 150 k 24 29 57 33 28 4 200 k 26 30 60 34 30 5 1 M 26 30 65 39 35 6 14 M 28 34 88 60 54 7 15 M 27 35 90 63 55 8 300 M 8 7 70 62 63 9 450 M 12 11 84 72 73 10 915 M 15 12 85 70 73 11 930 M 16 13 83 67 70 12 1 G 18 14 85 67 71 13 1.5 G 18 18 75 57 57 14 1.8 G 16 17 67 51 50 15 2.45 G 23 22 73 50 51 16 3 G 22 22 66 44 44 17 6 G 27 25 71 44 46 18 10 G 34 32 85 51 53 19 18 G 57 57 98 41 41 表5. 两种校准参考方式屏蔽效能表 图6. 天线测试距离及屏蔽效能对应曲线 图7. 两种校准参考方式屏蔽效能曲线