電磁兼容半電波暗室

隨著國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的電磁兼容指令、 規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定和強(qiáng)制性執(zhí)行,電氣和電子產(chǎn)品的電磁兼容性( EMC)問(wèn)題日益受到各國(guó)政府和國(guó)內(nèi)外廠商的重視。半電波暗室是開展 EMC 研究、提高EMC技術(shù)的基礎(chǔ)和必不可少的最重要的科學(xué)手段之一。近幾年 ,國(guó)內(nèi)各行各業(yè)先后引進(jìn)了針對(duì)不同產(chǎn)品的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室 ,如通信、電力、家電、 汽車等。

國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心從德國(guó)引進(jìn)包括3/ 5 m法半電波暗室、傳導(dǎo)測(cè)試屏蔽室、 屏蔽放大器室等在內(nèi)的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室已于 2005 年 2 月份建成 ,并順利通過(guò)了中國(guó)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)(CNAL)的驗(yàn)收。在中心 3/ 5 m法半電波暗室的規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中 ,我們積累和總結(jié)了一部分經(jīng)驗(yàn) ,以供大家借鑒和參考。
1 半電波暗室總體方案的選擇及建造方式
電磁兼容半電波暗室主要用于替代無(wú)電磁波干擾的開闊試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行電磁輻射騷擾測(cè)量和電磁輻射敏感度測(cè)量。由于半電波暗室的測(cè)試環(huán)境需要模擬開闊試驗(yàn)場(chǎng)地的電磁波傳播條件(即電磁波傳播時(shí)只有直射波和地面反射波) ,故暗室尺寸應(yīng)以開闊試驗(yàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)要求為依據(jù) ,一般分為標(biāo)準(zhǔn)的 10 m 法 ,5 m法和 3 m 法等。半電波暗室的種類很多 ,無(wú)論從功能上、結(jié)構(gòu)形式上、 材料選擇上、 安裝形式上都有較大的差異。但是采用哪種方案 ,主要根據(jù)使用者需要的測(cè)試類型 ,被測(cè)物的空間尺寸、 試驗(yàn)級(jí)別等。首先我們要明確測(cè)試頻率范圍 ,是作軍標(biāo)測(cè)試還是民標(biāo)測(cè)試 ,是進(jìn)行廠家內(nèi)部預(yù)兼容及診斷測(cè)試 ,還是要進(jìn)行第三方的認(rèn)證測(cè)試;其次要明確被測(cè)對(duì)象可能占據(jù)的最大空間、 試驗(yàn)室主要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、自身的資金狀況以及將來(lái)可能的擴(kuò)展升級(jí)需求等因素 ,由此選擇一個(gè)合適可行的試驗(yàn)場(chǎng)地和儀器設(shè)備的配置方案。

建造半電波暗室可以采用兩種基本方式:拼裝式和焊接式。拼裝式殼體由成型鋼板(在四邊經(jīng)兩次彎板制成)和螺栓固定模塊構(gòu)成。任意相鄰兩塊屏蔽模塊間都有導(dǎo)電襯墊 ,以保證優(yōu)良的射頻屏蔽和電連續(xù)性。這種方式結(jié)構(gòu)輕 ,易于裝配 ,便于將來(lái)維修和拆卸 ,施工周期短。焊接屏蔽系統(tǒng)由大片的鋼板焊接在一起構(gòu)成 ,它們形成了一個(gè)緊密的射頻密封體。焊接封裝的好處在于經(jīng)久耐用 ,并因消除了接縫泄漏而具有更高的屏蔽性能 ,但不易拆卸 ,適合于固定場(chǎng)所。由于各暗室廠家建造暗室的屏蔽板類型不同 ,屏蔽板之間的連接方式和工藝也不一樣 ,為了保證良好的電接觸和密封性 ,應(yīng)對(duì)他們采用的屏蔽板及其連接方式進(jìn)行詳細(xì)了解和比較 ,并結(jié)合實(shí)際的施工周期等要求進(jìn)行選擇。
2 母體建筑及基礎(chǔ)設(shè)施
建設(shè)一個(gè) EMC 實(shí)驗(yàn)室是一項(xiàng)系統(tǒng)工程 ,它遵循科學(xué)的設(shè)計(jì)接口關(guān)系:測(cè)試設(shè)備 →半電波暗室 →母體建筑設(shè)計(jì)。對(duì)具體工程的實(shí)施來(lái)說(shuō) ,該順序正好相反,經(jīng)歷母體建筑施工 →半電波暗室安裝 →測(cè)試設(shè)備安裝調(diào)試的過(guò)程。因此 ,在建造半電波暗室之前必須先建好母體建筑 ,包括占地面積、 結(jié)構(gòu)承載、 空間尺寸、供電、 供氣、 空調(diào)及防水等。母體建筑的設(shè)計(jì)首先要考慮足夠的天花板高度以容納所建的半電波暗室、傳導(dǎo)測(cè)試屏蔽室、 屏蔽放大器室 ,以及其它附屬設(shè)施的要求。母體建筑與暗室之間必須預(yù)留足夠的空間 ,以便于暗室的安裝、維修和通風(fēng)。母體建筑的地板主要承擔(dān)所有屏蔽體和安裝部分的重量及負(fù)荷 ,也需要特別注意。土建地面需要精心鋪設(shè) ,要求地面的波紋度在數(shù)米的范圍內(nèi)不超過(guò)幾毫米 ,還有很高的防潮要求。此外 ,暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)需要裝設(shè)在一定深度的混凝土凹坑中 ,地勢(shì)較低 ,必須作好防水處理。在開始安裝暗室前 ,對(duì)承載地面一般還有比較高的殘留濕度要求 ,對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)室還要提供接地電阻很低的接地點(diǎn)等。由于暗室與母體建筑之間所涉及的接口問(wèn)題比較多 ,并且國(guó)內(nèi)建筑公司對(duì)其中的一些要求基本上沒有可借鑒的經(jīng)驗(yàn) ,所以盡量讓土建設(shè)計(jì)單位、施工單位和暗室廠商進(jìn)行交流和溝通是非常必要的。
3 暗室本身的問(wèn)題3. 1 進(jìn)出口

通常暗室需要兩扇用于人員和被測(cè)物進(jìn)出的屏蔽門。屏蔽門的設(shè)計(jì)方案多種多樣 ,常常選擇易于維護(hù)的類型。由于屏蔽門是導(dǎo)致試驗(yàn)室性能下降的主要因素 ,通常要求屏蔽門的壽命和可靠性與試驗(yàn)室的工作年限相匹配。通常門扇與門框之間的屏蔽采用內(nèi)凹三刀狀接觸結(jié)構(gòu),通過(guò)把門上的釬刀插入固定到門框上的指狀彈簧片來(lái)保證良好的電連續(xù)性。人員進(jìn)出門通常采用活頁(yè)結(jié)構(gòu) ,通過(guò)兩個(gè)活頁(yè)與門框相連;通過(guò)杠桿輔助裝置 ,使門扇和門框關(guān)閉平穩(wěn)、 接觸緊密。對(duì)于諸如汽車、 摩托車等尺寸較大的被測(cè)對(duì)象而言 ,因其外形體積比較大 ,活頁(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)門已不適用 ,通常還要采用滑動(dòng)門。滑動(dòng)門上常裝有吸波材料 ,其實(shí)際的寬度和高度尺寸主要根據(jù)被測(cè)物的最大尺寸來(lái)確定。滑動(dòng)門不但可以提供很大的進(jìn)出空間 ,而且在門的通道處還裝設(shè)有跨接平臺(tái)或斜面 ,門關(guān)閉時(shí)斜面自動(dòng)下降 ,門開啟時(shí)斜面自動(dòng)升起,以保證暗室內(nèi)外地面水平 ,便于大件物品的進(jìn)出搬運(yùn)。

3. 2 吸波材料

半電波暗室在結(jié)構(gòu)上就是由屏蔽室和吸波材料兩部分組成 ,屏蔽室的外殼尺寸還與吸波材料的選擇相關(guān)。屏蔽室既可以隔斷外界的電磁騷擾信號(hào) ,又能抑制室內(nèi)測(cè)試信號(hào)的外泄 ,即起到雙向屏蔽作用。而吸波材料不但能有效降低屏蔽室內(nèi)的駐波 ,還可以減小屏蔽室表面的電磁反射 ,這樣才能準(zhǔn)確地測(cè)量電磁輻射的大小。

吸波材料通常作成尖劈狀 ,以保證阻抗的連續(xù)漸變 ,即使其傳輸阻抗與周圍空氣介質(zhì)的阻抗相接近 ,從而保證對(duì)室內(nèi)發(fā)射源的功率吸收和最大限度的減小反射。吸波材料要能在寬頻帶內(nèi)吸收較大的功率而且要有較好的阻燃性。吸波材料的長(zhǎng)度與欲吸收的電磁波頻率有關(guān) ,欲吸收的電磁波頻率越低 ,則吸波材料的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

吸波材料主要分為薄膜型、 泡沫塑料型(含碳泡沫) 、 鐵氧體型以及復(fù)合型等四種。其中薄膜型吸波材料是近年來(lái)新出現(xiàn)的 ,它具有優(yōu)異的吸波特性 ,不存在老化或下垂問(wèn)題 ,并且具備防火不可然 ,批量生產(chǎn)容易控制質(zhì)量 ,便于安裝、替換等優(yōu)點(diǎn)。吸波材料的選擇主要根據(jù)其品質(zhì)保證(低頻性能和高頻性能) 、 材料類型、 吸波性能指標(biāo)、 尺寸大小、阻燃特性、價(jià)格等諸多因素來(lái)決定。吸波材料性能的優(yōu)劣 ,將會(huì)極大地影響到暗室的整體性能和將來(lái)的運(yùn)行維護(hù)成本 ,必須謹(jǐn)慎考察和選擇。

3. 3 轉(zhuǎn)臺(tái)和天線升降塔

轉(zhuǎn)臺(tái)和天線升降塔都是半電波暗室中使用最頻繁的設(shè)施 ,其運(yùn)行的可靠性和是否易于操作控制是首先需要考慮的;其次 ,轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑大小、最大承重、最大轉(zhuǎn)角、 可調(diào)轉(zhuǎn)速以及天線升降塔的可調(diào)高度范圍、可裝設(shè)的天線類型數(shù)量、 定位精度、 是否便于移動(dòng)等都要仔細(xì)斟酌;另外 ,還要限制它們的伺服電機(jī)的騷擾水平滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

主要根據(jù)被測(cè)設(shè)備所占據(jù)的面積和最大重量來(lái)確定轉(zhuǎn)臺(tái)的尺寸和承載能力 ,同時(shí)還要保證半電波暗室的轉(zhuǎn)臺(tái)上平面與接地平板在同一水平面上 ,并且要求轉(zhuǎn)臺(tái)與接地平板有良好的電接觸。對(duì)于汽車測(cè)試還需要確定在轉(zhuǎn)臺(tái)上是否安裝輪鼓測(cè)功機(jī)、冷卻風(fēng)扇、尾氣排放系統(tǒng)和車輛固定裝置等。天線塔的選取要考慮最大掃描的范圍、 是否安裝有天線的適配器 ,是否受到測(cè)試設(shè)備的支持(即與它相連接的測(cè)試設(shè)備的測(cè)試軟件是否能對(duì)它驅(qū)動(dòng)控制)等。

3. 4 電氣照明

日光燈會(huì)發(fā)射騷擾信號(hào) ,不允許在暗室內(nèi)使用。而鹵素射燈不產(chǎn)生無(wú)線電干擾 ,是非常適用于暗室的照明燈具。為把干擾反射降至最低水平 ,將照明用電纜鋪設(shè)于吸波材料背面的金屬薄板通道或鎧裝金屬管內(nèi) ,同時(shí)安裝在天花板上的照明燈數(shù)量也應(yīng)受到限制。為方便更換維修 ,半電波暗室內(nèi)照明燈應(yīng)允許能自動(dòng)降至反射地面附近。除此以外 ,還需要裝設(shè)一些由備用蓄電池供電的應(yīng)急照明燈。

3. 5 消防探測(cè)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

消防探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、 選型 ,應(yīng)根據(jù)相關(guān)的消防規(guī)定來(lái)確定。在安裝完所有火警控制、警報(bào)裝置、 空氣取樣管道等后 ,既能正常進(jìn)行火警探測(cè)報(bào)警工作 ,又不影響暗室的屏蔽效能。

因?yàn)榻^大多數(shù) EMC測(cè)試是無(wú)人在半電波暗室內(nèi)進(jìn)行的 ,但在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中既需要對(duì)被測(cè)物的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 ,還要隨時(shí)對(duì)附屬儀器設(shè)備的工作狀況進(jìn)行跟蹤觀察,因此暗室必須配置實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。通常在暗室內(nèi)部裝有兩套實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng) ,一套用于監(jiān)視暗室本身 ,另一套用于監(jiān)視被測(cè)物。每套監(jiān)控系統(tǒng)包括暗室內(nèi)部的攝像機(jī)和測(cè)試區(qū)域外部(通常在控制室或監(jiān)視室)的監(jiān)視器和控制器。通常操作桿和控制器安裝在測(cè)試區(qū)域外部 ,而攝像機(jī)常安裝在暗室內(nèi)部無(wú)反射區(qū)域。對(duì)于暗室內(nèi)部的攝像機(jī)要求其正常工作時(shí)產(chǎn)生的射頻干擾很
低 ,并能在寬頻帶范圍內(nèi)承受較高的輻射場(chǎng)強(qiáng)。
4 暗室的接口
為滿足半電波暗室內(nèi)部的供電、 通風(fēng)以及測(cè)試和監(jiān)控等信號(hào)傳輸?shù)桨凳彝饷娴男枨?,在暗室與土建房屋、 屏蔽控制室、屏蔽放大器室等房間之間還有一些重要的傳輸接口。這些接口應(yīng)該謹(jǐn)慎選取和安裝 ,以保證半電波暗室屏蔽性能的完整性和相關(guān)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)暗室背景噪聲水平的要求。下面逐一對(duì)這些接口作介紹。

4. 1 波導(dǎo)窗

所有用于通風(fēng)或排氣的開口均裝有蜂窩狀波導(dǎo)窗 ,并安裝有法蘭與通風(fēng)扇或空調(diào)系統(tǒng)相連接。通風(fēng)波導(dǎo)窗由許多截面為六邊形的小波導(dǎo)組成 ,小波導(dǎo)邊長(zhǎng)與最高工作頻率相關(guān) ,以其屏蔽性能與半電波暗室屏蔽效能相匹配為原則。大多數(shù)波導(dǎo)窗設(shè)計(jì)截止工作頻率到 18GHz。如果工作頻率更高 ,如到40 GHz時(shí) ,造價(jià)將會(huì)更高。通風(fēng)波導(dǎo)窗的數(shù)量和窗口總面積根據(jù)試驗(yàn)室換風(fēng)量要求來(lái)確定。

4. 2 電源線濾波器

為保證通向轉(zhuǎn)臺(tái)、 天線塔、 暗室內(nèi)的被測(cè)物、 測(cè)試設(shè)備及附件、 暗室內(nèi)部照明等的各電源都是 “干凈的” ,必須根據(jù)將要使用電源類型、各自的最大功率及一定的設(shè)計(jì)余量 ,選購(gòu)電源線濾波器。進(jìn)入半電波暗室、 屏蔽控制室、屏蔽放大器室內(nèi)的所有電源均應(yīng)經(jīng)電源線濾波器濾除騷擾。電源線濾波器的選購(gòu)不但要考慮抑制頻帶、插入損耗、 最大工作電流、最大工作電壓等功能性指標(biāo) ,還要考慮漏電流等安全指標(biāo)。

4. 3 信號(hào)/控制線濾波器

屏蔽控制室內(nèi)測(cè)試設(shè)備與暗室、 傳導(dǎo)屏蔽室和放大器室等均有信號(hào)傳輸要求。另外 ,對(duì)于通向暗室或屏蔽室內(nèi)的電話線、網(wǎng)絡(luò)線或其它信號(hào)/控制線等都有濾波要求?？梢愿鶕?jù)各信號(hào)/控制線的工作頻率范圍、是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)等具體情況來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的信號(hào)/控制線濾波器。

4. 4 接線板

電源線和信號(hào)線接線柱和端子安裝在暗室內(nèi)部參考地板下面的接線盒內(nèi) ,該接線盒面板上還包括有輻射測(cè)試的射頻接頭、 被測(cè)物電源插座、被測(cè)物信號(hào)接頭以及轉(zhuǎn)臺(tái)、 天線塔電源插座、輔助設(shè)備電源插座和信號(hào)接頭、控制電纜和光纖接頭等。對(duì)于接線板的位置和數(shù)量主要根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的布置和數(shù)量等來(lái)確定 ,同時(shí)還必須滿足測(cè)試設(shè)備的具體需求。而每塊接線板上各種電源插座的數(shù)量、電纜接頭數(shù)量、光纖接頭數(shù)量以及它們之間的排列布置則要根據(jù)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)實(shí)際需要用到或?qū)?lái)可能的擴(kuò)展需求來(lái)確定。

4. 5 廢氣排放裝置

為滿足汽車、 摩托車等需排放尾氣的實(shí)際需要 ,半電波暗室內(nèi)必須安裝廢氣排放裝置。廢氣排放裝置將暗室內(nèi)部廢氣排放物引至建筑物的排放煙囪 ,包括軟管、 管道排風(fēng)扇、 蜂窩狀波導(dǎo)窗等 ,其中波導(dǎo)窗的截止頻率必須與暗室的最高測(cè)試頻率相匹配。如果暗室中需要進(jìn)行供水(用于洗衣機(jī)等測(cè)試) ,則還需要在供水和排水管與暗室的接口處裝設(shè)具備適當(dāng)截止頻率的波導(dǎo)窗。
5 本電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)及功能
國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心電磁兼容實(shí)驗(yàn)室主要由半電波暗室、 傳導(dǎo)測(cè)試屏蔽室、屏蔽放大器室和屏蔽控制室四部分組成。其中暗室的屏蔽體尺寸為長(zhǎng) 17. 6 m、 寬 13. 5 m、 高 9. 5 m ,暗室內(nèi)配有承重8 000 kg、 直徑為 5 m的轉(zhuǎn)臺(tái)和0. 8～4 m的自動(dòng)升降天線系統(tǒng)以及尾氣排出系統(tǒng)。暗室的工作頻率為9 kHz～40 GHz ,暗室內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)上方位置的測(cè)試區(qū)域靜區(qū)為 4 m、 高 2 m的圓柱。暗室內(nèi)部還配有氣動(dòng)固定裝置和冷卻風(fēng)機(jī)?？赏瓿善囌嚰捌潆娮恿悴考⒛ν熊囌嚰捌潆娮恿悴考鹊妮椛浜蛡鲗?dǎo)發(fā)射測(cè)試、輻射和傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試以及整車靜電放電測(cè)試。

傳導(dǎo)測(cè)試屏蔽室的尺寸為長(zhǎng) 8. 0 m、寬 4. 0 m、高3. 0 m ,除了可完成汽車零部件傳導(dǎo)瞬態(tài)發(fā)射、傳導(dǎo)抗擾度、靜電放電等項(xiàng)目的測(cè)試以外 ,還可以完成家用電器、 電動(dòng)工具、 電氣照明設(shè)備等的傳導(dǎo)騷擾電壓、 吸收功率、騷擾磁場(chǎng)等項(xiàng)目的測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)室所有項(xiàng)目都通過(guò)了國(guó)外第三方測(cè)試 ,各項(xiàng)指標(biāo)均大大優(yōu)于相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)驗(yàn)室的配置和性能均達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平 ,為以汽車、摩托車整車及其零部件為主的多種機(jī)電產(chǎn)品的 EMC性能提供了理想的測(cè)試環(huán)境。