電磁兼容半電波暗室

隨著國內(nèi)外越來越多的電磁兼容指令、 規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定和強制性執(zhí)行,電氣和電子產(chǎn)品的電磁兼容性( EMC)問題日益受到各國政府和國內(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 ,國內(nèi)各行各業(yè)先后引進了針對不同產(chǎn)品的電磁兼容實驗室 ,如通信、電力、家電、 汽車等。

國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心從德國引進包括3/ 5 m法半電波暗室、傳導(dǎo)測試屏蔽室、 屏蔽放大器室等在內(nèi)的電磁兼容實驗室已于 2005 年 2 月份建成 ,并順利通過了中國實驗室國家認(rèn)可委員會(CNAL)的驗收。在中心 3/ 5 m法半電波暗室的規(guī)劃建設(shè)過程中 ,我們積累和總結(jié)了一部分經(jīng)驗 ,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電磁波干擾的開闊試驗場進行電磁輻射騷擾測量和電磁輻射敏感度測量。由于半電波暗室的測試環(huán)境需要模擬開闊試驗場地的電磁波傳播條件(即電磁波傳播時只有直射波和地面反射波) ,故暗室尺寸應(yīng)以開闊試驗場的結(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)使用者需要的測試類型 ,被測物的空間尺寸、 試驗級別等。首先我們要明確測試頻率范圍 ,是作軍標(biāo)測試還是民標(biāo)測試 ,是進行廠家內(nèi)部預(yù)兼容及診斷測試 ,還是要進行第三方的認(rèn)證測試;其次要明確被測對象可能占據(jù)的最大空間、 試驗室主要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、自身的資金狀況以及將來可能的擴展升級需求等因素 ,由此選擇一個合適可行的試驗場地和儀器設(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)對他們采用的屏蔽板及其連接方式進行詳細了解和比較 ,并結(jié)合實際的施工周期等要求進行選擇。
2 母體建筑及基礎(chǔ)設(shè)施
建設(shè)一個 EMC 實驗室是一項系統(tǒng)工程 ,它遵循科學(xué)的設(shè)計接口關(guān)系:測試設(shè)備 →半電波暗室 →母體建筑設(shè)計。對具體工程的實施來說 ,該順序正好相反,經(jīng)歷母體建筑施工 →半電波暗室安裝 →測試設(shè)備安裝調(diào)試的過程。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)不超過幾毫米 ,還有很高的防潮要求。此外 ,暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺需要裝設(shè)在一定深度的混凝土凹坑中 ,地勢較低 ,必須作好防水處理。在開始安裝暗室前 ,對承載地面一般還有比較高的殘留濕度要求 ,對每一個試驗室還要提供接地電阻很低的接地點等。由于暗室與母體建筑之間所涉及的接口問題比較多 ,并且國內(nèi)建筑公司對其中的一些要求基本上沒有可借鑒的經(jīng)驗 ,所以盡量讓土建設(shè)計單位、施工單位和暗室廠商進行交流和溝通是非常必要的。
3 暗室本身的問題3. 1 進出口

通常暗室需要兩扇用于人員和被測物進出的屏蔽門。屏蔽門的設(shè)計方案多種多樣 ,常常選擇易于維護的類型。由于屏蔽門是導(dǎo)致試驗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),通過把門上的釬刀插入固定到門框上的指狀彈簧片來保證良好的電連續(xù)性。人員進出門通常采用活頁結(jié)構(gòu) ,通過兩個活頁與門框相連;通過杠桿輔助裝置 ,使門扇和門框關(guān)閉平穩(wěn)、 接觸緊密。對于諸如汽車、 摩托車等尺寸較大的被測對象而言 ,因其外形體積比較大 ,活頁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)門已不適用 ,通常還要采用滑動門?；瑒娱T上常裝有吸波材料 ,其實際的寬度和高度尺寸主要根據(jù)被測物的最大尺寸來確定?；瑒娱T不但可以提供很大的進出空間 ,而且在門的通道處還裝設(shè)有跨接平臺或斜面 ,門關(guān)閉時斜面自動下降 ,門開啟時斜面自動升起,以保證暗室內(nèi)外地面水平 ,便于大件物品的進出搬運。

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 ,又能抑制室內(nèi)測試信號的外泄 ,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 ,則吸波材料的長度越長。

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。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、價格等諸多因素來決定。吸波材料性能的優(yōu)劣 ,將會極大地影響到暗室的整體性能和將來的運行維護成本 ,必須謹(jǐn)慎考察和選擇。

3. 3 轉(zhuǎn)臺和天線升降塔

轉(zhuǎn)臺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、 是否便于移動等都要仔細斟酌;另外 ,還要限制它們的伺服電機的騷擾水平滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

主要根據(jù)被測設(shè)備所占據(jù)的面積和最大重量來確定轉(zhuǎn)臺的尺寸和承載能力 ,同時還要保證半電波暗室的轉(zhuǎn)臺上平面與接地平板在同一水平面上 ,并且要求轉(zhuǎn)臺與接地平板有良好的電接觸。對于汽車測試還需要確定在轉(zhuǎn)臺上是否安裝輪鼓測功機、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 ,是否受到測試設(shè)備的支持(即與它相連接的測試設(shè)備的測試軟件是否能對它驅(qū)動控制)等。

3. 4 電氣照明

日光燈會發(fā)射騷擾信號 ,不允許在暗室內(nèi)使用。而鹵素射燈不產(chǎn)生無線電干擾 ,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 消防探測系統(tǒng)與實時監(jiān)控系統(tǒng)

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

因為絕大多數(shù) EMC測試是無人在半電波暗室內(nèi)進行的 ,但在整個測試過程中既需要對被測物的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控 ,還要隨時對附屬儀器設(shè)備的工作狀況進行跟蹤觀察,因此暗室必須配置實時監(jiān)控系統(tǒng)。通常在暗室內(nèi)部裝有兩套實時監(jiān)控系統(tǒng) ,一套用于監(jiān)視暗室本身 ,另一套用于監(jiān)視被測物。每套監(jiān)控系統(tǒng)包括暗室內(nèi)部的攝像機和測試區(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試區(qū)域外部 ,而攝像機常安裝在暗室內(nèi)部無反射區(qū)域。對于暗室內(nèi)部的攝像機要求其正常工作時產(chǎn)生的射頻干擾很
低 ,并能在寬頻帶范圍內(nèi)承受較高的輻射場強。
4 暗室的接口
為滿足半電波暗室內(nèi)部的供電、 通風(fēng)以及測試和監(jiān)控等信號傳輸?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)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對暗室背景噪聲水平的要求。下面逐一對這些接口作介紹。

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)計截止工作頻率到 18GHz。如果工作頻率更高 ,如到40 GHz時 ,造價將會更高。通風(fēng)波導(dǎo)窗的數(shù)量和窗口總面積根據(jù)試驗室換風(fēng)量要求來確定。

4. 2 電源線濾波器

為保證通向轉(zhuǎn)臺、 天線塔、 暗室內(nèi)的被測物、 測試設(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)計余量 ,選購電源線濾波器。進入半電波暗室、 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/控制線濾波器

屏蔽控制室內(nèi)測試設(shè)備與暗室、 傳導(dǎo)屏蔽室和放大器室等均有信號傳輸要求。另外 ,對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/控制線等都有濾波要求?？梢愿鶕?jù)各信號/控制線的工作頻率范圍、是模擬信號還是數(shù)字信號等具體情況來選擇對應(yīng)的信號/控制線濾波器。

4. 4 接線板

電源線和信號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試的射頻接頭、 被測物電源插座、被測物信號接頭以及轉(zhuǎn)臺、 天線塔電源插座、輔助設(shè)備電源插座和信號接頭、控制電纜和光纖接頭等。對于接線板的位置和數(shù)量主要根據(jù)測試點的布置和數(shù)量等來確定 ,同時還必須滿足測試設(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)每個測試點實際需要用到或?qū)砜赡艿臄U展需求來確定。

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試頻率相匹配。如果暗室中需要進行供水(用于洗衣機等測試) ,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 本電磁兼容實驗室的特點及功能
國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心電磁兼容實驗室主要由半電波暗室、 傳導(dǎo)測試屏蔽室、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 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)臺和0. 8～4 m的自動升降天線系統(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)臺上方位置的測試區(qū)域靜區(qū)為 4 m、 高 2 m的圓柱。暗室內(nèi)部還配有氣動固定裝置和冷卻風(fēng)機。可完成汽車整車及其電子零部件、摩托車整車及其電子零部件等的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射測試、輻射和傳導(dǎo)抗擾度測試以及整車靜電放電測試。

傳導(dǎo)測試屏蔽室的尺寸為長 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、靜電放電等項目的測試以外 ,還可以完成家用電器、 電動工具、 電氣照明設(shè)備等的傳導(dǎo)騷擾電壓、 吸收功率、騷擾磁場等項目的測試。

實驗室所有項目都通過了國外第三方測試 ,各項指標(biāo)均大大優(yōu)于相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。實驗室的配置和性能均達到了國際先進水平 ,為以汽車、摩托車整車及其零部件為主的多種機電產(chǎn)品的 EMC性能提供了理想的測試環(huán)境。