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作者：
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發(fā)布：
測量電磁屏蔽體屏蔽效能的嵌套混波室方法
Nested Reverberation Chamber Measurement Method for
Shielding Effectiveness of Electromagnetic Shields
1 中國電子技術標準化研究院 2 北京無線電計量測試研究所 3 北京大澤科技有限公司
沙長濤 1 沈濤 2 李立嘉 3
摘要
對電磁屏蔽體屏蔽效能的嵌套混波室測量方法的特點進行了理論分析，并通過與傳統(tǒng)測量方法的比較，詳細論述了兩者之間的差異，歸納了采用嵌套混波室測量方法需要注意的問題。
關鍵詞
嵌套混波室；屏蔽效能；測量
Abstract
In this paper, the characteristics of nested reverberation chamber measurement method of electromagnetic shielding effectiveness are analyzed theoretically. And by comparing with traditional measurement methods, the differences between them are discussed in detail. Also, the problems that should be paid attention when using nested reverberation chamber measurement method are summarized.
Keywords
nested reverberation chamber; shielding effectiveness; measurement
引言
2003 年國際電工委員會（IEC）發(fā)布了第一版
IEC 61000-4-21《電磁兼容性（EMC） 第 4-21 部分 ： 試驗和測量技術 混波室試驗方法》。該標準及后續(xù)修訂版本主要提供了混波室的三類應用，輻射抗擾度試驗（附錄 D）和輻射發(fā)射測量（附錄 E）為規(guī)范性附錄 ；三種產(chǎn)品的屏蔽效能測量（附錄 F~H）為資料性附錄，即僅供參考采用，沒有標準符合性要求，其中附錄 H“箱體的屏蔽效能測量”介紹的就是應用嵌套混波室原理測量屏蔽體屏蔽效能的方法。
2013 年電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）經(jīng)多年研究之后，首次發(fā)布了 IEEE Std 299.1-2013《0.1~2 m 屏蔽殼體屏蔽效能的測量方法》。該標準規(guī)范了結構尺寸0.1~2 m 的屏蔽體屏蔽效能的測量方法，在 7.2 章節(jié)中給出的結構尺寸 0.1~0.75 m 的屏蔽體屏蔽效能的測量方法即為嵌套混波室測量方法，這是該方法首次在標準中成為規(guī)范性條款。
本文將對 IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 給出的嵌套混波室測量方法之間的同異進行分析比較，并對嵌套混波室測量方法和傳統(tǒng)測量方法進行分析比較，提出采用嵌套混波室測量方法應注意的問題。
1 IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 中 嵌 套混波室測量方法比較
1.1 測量原理
所謂“嵌套混波室的方法”即指一個混波室置于另一個混波室內(nèi)的方法。IEC 61000-4-21 和 IEEE Std299.1 給出的屏蔽體屏蔽效能的嵌套混波室測量方法基本原理相同，即將被測屏蔽體作為內(nèi)部混波室置于測試混波室中，且在被測屏蔽體滿足混波室條件（電磁波傳輸模式數(shù)至少為 60）頻率范圍內(nèi)，按照混波室場強測量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的規(guī)則，對被測屏蔽體內(nèi)外信號電平的測量平均值進行比較，得到被測屏蔽體的屏蔽效能。
IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 之 間 的 區(qū) 別是混波室的攪拌形式、測量值獲取和測量數(shù)據(jù)計算。IEC 61000-4-21 采用機械攪拌式混波室原理，即要求測試混波室和被測屏蔽體都要安裝機械攪拌器，某頻點的測量結果為攪拌器所有位置獲得的測量值的平均值 ；IEEE Std 299.1 采用頻率攪拌式混波室原理，不需要安裝機械攪拌器，某標稱頻點的測量結果是以該頻點為中心頻率設置一個帶寬（頻率攪拌帶寬的選取準則見IEEE Std 299.1 中的條款 7.2.8），并在該帶寬內(nèi)取 n 個頻點進行測量，然后將所有頻點上獲得的測量值的平均值作為該標稱頻點的測量結果。
1.2 計算公式
1.2.1 最低測量頻率的計算公式
IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 規(guī)定的最低適用頻率以屏蔽體內(nèi)電磁波傳輸模式數(shù)至少為 60 為基本條件，其中 IEC 61000-4-21 給出了模式數(shù) N 和最低適用頻率的典型關系式 ：
式（1）中，N 為模式數(shù) ；a、b、d 為屏蔽體三維尺寸 ； f 為工作頻率 ；c 為光速。由于式（1）比較復雜，不易直接得到N=60 時的頻率，所以用該式計算最低適用頻率時，一般可采取逐步逼近的方法。
IEEE Std 299.1 給出的最低適用頻率公式是將式（1） 中等號右側減號后面部分假設為 0，且 N=60 時的簡化式，見式（2）。
式（2）中，fmin 為最低適用頻率 ；c 為光速 ；V 為屏蔽體的體積。
由式（2）可見，當被測屏蔽體的體積已知時，可直接算出 fmin。但因式（2）是從式（1）簡化而來，故用該式計算出的 fmin 是近似值。
由式（1）和式（2）可知，最低適用頻率與被測屏蔽體的體積直接相關且成反比，即被測屏蔽體的體積越大則最低適用頻率越低。
1.2.2 屏蔽效能測量結果的計算公式
IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 給出的屏蔽效能
SE 計算公式的表示形式略有不同，但物理含義一致。IEC 61000-4-21 中 SE 的計算公式見式（3），IEEE Std
299.1 中 SE 的計算公式見式（4）。
式（3）中，PRef 為耦合到參考天線的功率 ；PEUT 為耦合到 EUT 內(nèi)的功率。
SE=-10lg（Pin/Pout） （4）
式（4）中，Pin 為被測屏蔽體內(nèi)天線所接收到的功率 ；
Pout 為被測屏蔽體外天線所接收到的功率。
由式（3）和式（4）可以看出，它們都采用了與傳統(tǒng)測量方法相同的對單一測量值進行比較的數(shù)學表達式，沒有反映出嵌套混波室測量方法 , 采用多次測量取“測量平均值”進行比較的原理特點。與屏蔽效能計算公式相關的問題，將在嵌套混波室測量方法和傳統(tǒng)測量方法的比較中進一步討論。
1.3 被測屏蔽體結構尺寸限制條件
IEC 61000-4-21 規(guī)定“被測屏蔽體距測試混波室的壁面應至少為 λ/4”，即該標準對被測屏蔽體結構尺寸的限制條件與測試混波室結構尺寸及測量頻率相關，但沒有固定的限制值。也說明在理想情況下，被測屏蔽體的結構尺寸與測試混波室的結構尺寸成正比，故可以測量較大尺寸屏蔽體的屏蔽效能。之所以稱為理想情況下， 是因為在實際工程應用時，被測屏蔽體的尺寸還將受到測試混波室出入口尺寸、攪拌器尺寸和搬運布置條件的限制。
IEEE Std 299.1 對被測屏蔽體結構尺寸的限制條件給出了 0.1~0.75 m 的明確規(guī)定，即固定的限制值。但在實際工程應用中，測試混波室結構尺寸和出入口尺寸應滿足被測屏蔽體測量布置的要求。
從這兩個標準對被測屏蔽體結構尺寸的限制條件可見，依據(jù) IEC 61000-4-21 方法可以測量結構尺寸更大的屏蔽體。但從另一個角度來說，由于依據(jù) IEEE Std299.1 方法不需要在被測屏蔽體內(nèi)部安裝機械攪拌器，故采用該方法可以測量結構尺寸更小的屏蔽體。
1.4 可操作性
由于 IEC 61000-4-21 規(guī)定的機械攪拌式嵌套混波室法要求內(nèi)外混波室都是機械攪拌式的混波室，故在被測屏蔽體內(nèi)部需安裝機械攪拌器后才能進行屏蔽效能測量，這就使該方法的可操作性大大下降。
首先，對屏蔽體所有者和測試方而言，給不同結構尺寸的被測屏蔽體設計安裝與之匹配的機械攪拌器是一件比較困難或根本無法完成的工作，可能需要第三方來負責實施，從而增加測試的材料、人員和時間成本。
其次，雖然機械攪拌器安裝在被測屏蔽體內(nèi)部，但通常驅動電機和驅動控制電路是安裝在被測屏蔽體外部的，這勢必要在被測屏蔽體上額外增加開口，而對開口縫隙進行的任何屏蔽處理都難以達到被測屏蔽體的原有屏蔽效果，這種結構直接影響被測屏蔽體的屏蔽效能指標。
再次，安裝于被測屏蔽體外部的驅動控制電路在整個測量過程中都處于強電磁干擾環(huán)境下，為避免強電磁干擾對驅動控制電路的正常工作造成影響，還需對其采取良好的屏蔽措施。
反觀 IEEE Std 299.1 規(guī)定的頻率攪拌式嵌套混波室法，對被測屏蔽體除與機械攪拌式嵌套混波室法一樣要考慮內(nèi)部測量天線的安裝布置及測量信號電平的引出外，不對被測屏蔽體進行其它的結構改變，所以，頻率攪拌式嵌套混波室法的可操作性優(yōu)于機械攪拌式嵌套混波室法。
2 傳統(tǒng)測量方法與嵌套混波室測量方法比較
2.1 測量原理
傳統(tǒng)測量方法是通過發(fā)射天線產(chǎn)生輻射場。在無屏蔽體時，且發(fā)射和接收天線按規(guī)定的高度和距離布置的情況下，測量發(fā)射波的信號電平即參考測量，獲得的測量數(shù)據(jù)稱為參考測量值 ；在有屏蔽體時，保持發(fā)射天線產(chǎn)生的輻射場、發(fā)射和接收天線的空間相對位置與參考測量時一致的情況下，測量透射波的信號電平即屏蔽測量，獲得的測量數(shù)據(jù)稱為屏蔽測量值 ；通過對參考測量值和屏蔽測量值的比較計算，得到被測屏蔽體在某一測量頻點及某一測量位置的屏蔽效能值。
嵌套混波室測量方法是通過發(fā)射天線向測試混波室內(nèi)（被測屏蔽體外）施加一個輻射場 ；然后，通過布置在被測屏蔽體外部和內(nèi)部的兩個接收天線同時分別對測試混波室的輻射信號和泄漏到被測屏蔽體內(nèi)的輻射信號進行機械或頻率攪拌測量，并獲得被測屏蔽體外部和內(nèi)部的兩組測量數(shù)據(jù) ；最后，通過對兩組測量數(shù)據(jù)平均值的比較計算得到被測屏蔽體在某一測量頻點的整體屏蔽效能值。
由此可見，傳統(tǒng)測量方法是在有或無被測屏蔽體狀態(tài)進行兩次場強測量（參考測量與屏蔽測量），屏蔽效能是單一測量值之間比較 ；嵌套混波室測量方法是在有被測屏蔽體狀態(tài)下對被測屏蔽體內(nèi)部和外部場強多次測量（機械攪拌的所有攪拌器位置或頻率攪拌的所有頻率點），屏蔽效能是測量平均值之間比較。所以，嵌套混波室測量方法和傳統(tǒng)測量方法就其原理而言，可以說有本質(zhì)上的不同。
2.2 屏蔽效能測量結果的計算公式
在傳統(tǒng)測量方法中，根據(jù)不同的測量項其屏蔽效能的計算公式可用磁場H、電磁E、電壓V 或功率P 來表達。當測量值為功率時，屏蔽效能 SE 的計算公式 ：
SE=10lg（P0/P1） （5）
式（5）中，P0 為參考測量值；P1 為屏蔽測量值。
比較式（3）、式（4）、式（5） 可見，IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 給出的嵌套混波室測量方法的屏蔽效能計算公式，都是將被測屏蔽體外部的信號電平測量平均值看作式（5）的參考測量值，將被測屏蔽體內(nèi)部的信號電平測量平均值看作式（5）的屏蔽測量值，而用這種單一測量值的數(shù)學表達式來等效嵌套混波室測量方法的測量平均值的計算公式顯然是不合適的 ；更
式（6）中，〈Pout〉為被測屏蔽體外天線所接收到的平均功率；〈Pin〉為被測屏蔽體內(nèi)天線所接收到的平均功率。
2.3 影響屏蔽效能測量結果的因素
嵌套混波室測量方法和傳統(tǒng)測量方法由于測量原理不同，還將導致影響屏蔽效能測量結果的因素不同。對于傳統(tǒng)測量方法而言，式（5）有兩層含義 ：一
是在參考測量和屏蔽測量過程中，由于輻射信號強度、收發(fā)天線相對位置、測量電纜和所用設備都沒改變，故前后兩次測量時，從發(fā)射天線端口到接收測量設備端口之間的信號傳輸系數(shù)（如電纜損耗系數(shù)、空間損耗系數(shù)和天線系數(shù)等）不變 ；即式（5）通過參考測量值和屏蔽測量值的比值使固定的傳輸系數(shù)相互抵消，僅保留了反映被測屏蔽體屏蔽性能的量（兩次測量因插入被測屏蔽體等原因引起的傳輸系數(shù)的變化可作為測量不確定度考慮）。二是由于上述傳輸系數(shù)可抵消，故式（5）中屏蔽測量值僅與被測屏蔽體孔、縫尺寸和結構缺陷等原因造成的電磁泄漏有關。不會因屏蔽體結構尺寸的不同或結構材料的不同而發(fā)生變化。
對嵌套混波室測量方法來說，外部混波室（即測試混波室）或內(nèi)部混波室（即被測屏蔽體）的測量平均值與各自的 Q 值相關，而 Q 值又與體積 V 相關 ：
式（7）中，〈Pt〉為對于外部混波室為發(fā)射信號的平均輸入凈功率，對于內(nèi)部混波室為泄漏進去的信號的平均功率；〈Pr〉為外部混波室或內(nèi)部混波室的平均測量功率；λ 為波長；V 為被測屏蔽體的體積。
另外，內(nèi)外部混波室的 Q 值還與各自所用材料的特性相關 ：
式中，δx 為趨膚深度；μr 為相對磁導率；μ0 為真空磁導率； S 為屏蔽體表面積；ω 為角頻率；σ 為電導率。
部分金屬材料的相對磁導率和相對電導率見表 1。
混波室為了獲得高 Q 值，通常采用銅板、鋁板或鍍鋅鋼板等表面為低相對磁導率的材料建造。屏蔽體主要為隔離電磁輻射，一般不考慮 Q 值問題，所以除銅、鋁材料外，大多采用相對磁導率 μr 較高的鋼鐵材料。
通過對式（7）、式（8）和式（9）的推導可以看出：外部混波室和內(nèi)部混波室的平均測量功率〈Pr〉分別與各自的〈Pt〉、Q、λ 和 σ 成正比，與各自的 V 和 μr 成反比。
通過表 1 可以看出 ：鋼鐵材料的相對磁導率 μr 對Q 值影響較大。
表 1 部分金屬材料的相對磁導率和電導率
|
材料種類 |
相對磁導率 μr |
電導率 σ |
|
銀 |
1 |
1.064 |
|
銅 |
1 |
1.000 |
|
金 |
1 |
0.700 |
|
鉻 |
1 |
0.664 |
|
鋁（軟） |
1 |
0.610 |
|
黃銅 |
1 |
0.350 |
|
鋅 |
1 |
0.305 |
|
鉛 |
1 |
0.079 |
|
鐵（含雜質(zhì) 0.2%） |
200 |
0.170 |
|
鋼 |
50~1000 |
0.100 |
|
冷軋鋼 |
180 |
0.170 |
|
不銹鋼 |
200 |
0.020 |
綜上所述，在式（6）中被測屏蔽體外天線所接收到的平均功率〈Pout〉不變且泄漏進被測屏蔽體的信號電平值也不變（即孔、縫大小和結構缺陷一致）的情況下，當被測屏蔽體的材料相同時，其體積越大式（6）中〈Pin〉 越小 ；當被測屏蔽體的體積相同時，其使用材料的相對磁導率越大式（6）中〈Pin〉越小，反之亦然。
通過分析影響因素發(fā)現(xiàn)，對電磁波泄漏相同的被測屏蔽體，采用傳統(tǒng)測量方法時，不管其結構尺寸或材料如何變化，得到的屏蔽效能測量結果相同 ；但采用嵌套混波室測量方法得到的屏蔽效能測量結果，會因被測屏蔽體的體積和材料的改變而不同。
2.4 屏蔽效能的術語定義
包含傳統(tǒng)測量方法和嵌套混波室測量方法的 IEEE Std 299.1 對屏蔽效能的定義為“沒有屏蔽體時接收到的信號值與在屏蔽體內(nèi)接收到的信號值的比值，即發(fā)射天線與接收天線之間存在屏蔽體以后所造成的插入損耗”，實際上該定義僅符合傳統(tǒng)方法的測量原理。嵌套混波室原理得到屏蔽效能測量結果的確切含義應為“屏蔽體外部接收到的發(fā)射信號平均值和屏蔽體內(nèi)部接收到的泄漏信號平均值的比值”，但現(xiàn)有標準并沒有給出準確定義該原理的“屏蔽效能”術語。
另外，值得一提的是，我國目前對“屏蔽效能”術語的標準定義，按被測對象劃分為屏蔽體的“屏蔽效能”和屏蔽材料的“屏蔽效能”。 如 GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》和 GJB 72A-2002《電磁干擾和電磁兼容性術語》給出的是屏蔽體的“屏蔽效能”，且測量原理都為傳統(tǒng)方法 ；GB/T 26667-2011《電磁屏蔽材料術語》和 GB/T 25471-2010《電磁屏蔽涂料的屏蔽效能測量方法》給出的是屏蔽材料的“屏蔽效能”，它們的測量原理也為傳統(tǒng)測量方法（同軸法或窗口法）。隨著嵌套混波室測量方法的應用，“屏蔽效能”的術語不能僅按被測對象的不同分別進行定義，還應根據(jù)屏蔽效能測量方法原理的不同分別對屏蔽體和屏蔽材料的“屏蔽效能”術語進行定義。
2.5 測量頻率范圍
在嵌套混波室方法中，制約其工作頻率下限的是被測屏蔽體殼體的結構尺寸。而制約混波室工作頻率上限的是測試設備的最高使用頻率，與混波室本身無關。根據(jù) IEEE Std 299.1 規(guī)定被測屏蔽體結構尺寸為 0.1~0.75 m，對于各邊長為 0.75 m 的屏蔽體其測量頻率下限約為 771 MHz，對于各邊長為 0.1 m 的屏蔽體其測量頻率下限約為 5.78 GHz。IEC 61000-4-21 雖然沒有規(guī)定被測屏蔽體的結構尺寸，但被測屏蔽體的結構尺寸越大， 搬運布置越困難 ；例如 ：各邊長為 2 m 的屏蔽體其測量頻率下限為 289 MHz。另外，嵌套混波室方法僅能測量電場屏蔽效能，不能測量磁場屏蔽效能。
傳統(tǒng)測量方法的測量頻率范圍與被測屏蔽體的結構尺寸無關，測量設備的技術指標是制約測量頻率范圍的主要因素。傳統(tǒng)測量方法的測量頻率范圍為 50 Hz~110 GHz，不僅能完全覆蓋嵌套混波室的測量頻率范圍，而且電場屏蔽效能可下探到 20 MHz，還能進行 50 Hz~20 MHz 的磁場屏蔽效能測量。
2.6 其 它
（1）嵌套混波室測量因為需要混波室，僅可在固定地點測量和檢測便于搬運和布置的小型屏蔽體，而傳統(tǒng)測量方法不存在這些限制。
（2）混波室工作在高 Q 環(huán)境，容易產(chǎn)生高場強（通常 100 W 的輸入功率可以產(chǎn)生 kV/m 級別的場強），故嵌套混波室測量方法比傳統(tǒng)測量方法更易獲得較大的測量動態(tài)范圍。
（3）嵌套混波室法得到的屏蔽效能測量結果是某頻點被測屏蔽體的整體屏蔽效能 ；而傳統(tǒng)測量法得到的屏蔽效能測量結果是某頻點中某測量位置、某極化方式下的被測屏蔽體的局部屏蔽效能，某頻點的整體屏蔽效能只有在完成該頻點所有測量位置的兩種極化方式的全部測量，比較得到最小值后才能確定。所以，嵌套混波室測量方法的測量時間應更短。
（4）混波室測量方法是對被測屏蔽體進行所有方向和極化的電磁波照射，不能給出極化和方向性等方面的信息，故難以判斷被測屏蔽體的屏蔽缺陷對來自哪個方向和哪種極化的電磁波更敏感。而傳統(tǒng)測量方法對被測屏蔽體分別進行垂直和水平極化的電磁波照射且電磁波傳播方向確定，故能清楚的知道被測屏蔽體的屏蔽缺陷對來自哪種極化或哪個傳播方向的電磁波的敏感程度是多少。
（5）嵌套混波室測量方法反映的是被測屏蔽體的整體屏蔽效能，故該方法不利于對其屏蔽缺陷進行定位。而傳統(tǒng)測量方法的每次測量針對的是被測屏蔽體的某一局部，故該方法便于查找被測屏蔽體的屏蔽缺陷位置。
（6）嵌套混波室測量方法是在被測屏蔽體外部產(chǎn)生輻射場，更適用于進行防電磁干擾屏蔽體的屏蔽效能測量。傳統(tǒng)測量方法可在被測屏蔽體外部或內(nèi)部產(chǎn)生輻射場，所以，不僅適用于防電磁干擾屏蔽體的屏蔽效能測量，還適用于防電磁泄漏屏蔽體的屏蔽效能測量。
3 結語
采用嵌套混波室測量方法進行屏蔽體的屏蔽效能測量時，應注意以下問題 ：
（1）嵌套混波室測量方法與傳統(tǒng)測量方法是兩種不同的屏蔽效能評價方法，因此，這兩種測量方法得到的屏蔽效能測量結果之間通常沒有可比性。
（2）采用嵌套混波室測量方法時，由于測量結果與被測屏蔽體的體積和材料相關，所以，對于評價被測屏蔽體的屏蔽缺陷而言，同材料不同結構尺寸、同結構尺寸不同材料、材料和結構尺寸均不相同的被測屏蔽體，測得的屏蔽效能測量結果之間或沒有可比性或可比性較差。只有結構尺寸和材料都相同的被測屏蔽體測得的屏蔽效能測量結果之間才完全可比。
（3）當對采用嵌套混波室測量方法得到的屏蔽效能測量結果有疑義時，宜以傳統(tǒng)測量方法得到的屏蔽效能測量結果作為最終的評判依據(jù)。
如果采用嵌套混波室測量方法進行屏蔽材料的屏蔽效能測量，該方法與傳統(tǒng)測量方法（同軸法或窗口法） 之間同樣存在某些類似的差異，也應加以注意，不在本文贅述。
參考文獻
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[2] 張林昌 . 混響室及其進展上 [J]. 安全與電磁兼容 , 2001(4): 2-8.
[3] IEC 61000- 4-21 ：Testing and Measurement Techniques - Reverberation Chamber Test Methods[S], 2011.
[4] IEEE Std 299.1: IEEE Standard Method for Measuring the Shielding Effectiveness of Enclosures and Boxes Having all Dimensions between 0.1 m and 2 m[S], 2013.
End
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