1GHz~10GHz同轴电缆及其连接器屏蔽效能的混波室法试验研究

1GHz~10GHz同轴电缆及其连接器屏蔽效能的混波室法试验研究 摘要 电子设备的连接电缆是一个极其危险的电磁能量泄漏窗口，而目前尚无精确的计算电缆的屏蔽效能的公式，屏蔽电缆的屏蔽效能一般都是由实际测量确定。电缆的屏蔽效能的测量方法有很多种。混响室是利用屏蔽室内的机械搅拌器，连续改变内部的电磁场结构，使得屏蔽室内任意位置的能量密度的相位、幅度、极化均按某一固定的统计分布规律随机变化。电缆在混响室内处于均匀的电磁场环境中，而且被测电缆不需要特殊的固定装置。由于屏蔽室是高 值的谐振腔，因此可用相对较小的功率得到高的场强。而且因屏蔽室最低谐振频率使混响室低频受到限制外，高频没有限制，因此动态范围大。因为混响室可以产生高的场强，而且场分布均匀，因此可用混响室法测量屏蔽效能好的电缆，这种方法尤其适用于 以上频段的使用。 关键词：混响室 同轴电缆 连接器 屏蔽效能 ABSTRACT Electronic equipment connecting cable is a very dangerous leakage of electromagnetic energy window, at present there is no accurate calculation formula of the cable shielding effectiveness, Shielded cables shielding effectiveness are generally determined by the actual measurement. There are many method to measure Cable shielding effectiveness. There is a stirrer in the reverberation chamber which is used to change electromagnetic field continuously. It makes that inside a reverberation chamber the exciting field statistically comes from any possible direction, with any possible polarization and phase is stochastic. Inside a reverberation chamber the cable is excited by a field statistically uniform, moreover, no test fixture is required to mount the cable under test. Because the reverberation chamber has high value Q, it can get a high field strength from low power , the reverberation chamber has low-frequency limits by its minimum resonant frequency, and has no restrictions on high-frequency ,so it has a large dynamic range. Because of the reverberation chamber can produce high-field strength, and uniform distribution, so available reverberation chamber measuring cable which has high shielding effectiveness, this method is especially applicable to the use of frequency bands above . Keywords: reverberation chamber, coaxial-cable, linking devices, shielding effectiveness TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要 1 ABSTRACT 1 第一章 绪论 3 1.1 引言 3 1.2 电缆及其连接器测量方法的简单介绍 3 1.2.1 屏蔽室天线法 3 1.2.2 混响室法 4 1.2.3 GTEM小室法 4 1.2.4 电流卡钳法 5 1.2.5 电流注入探头法 6 1.2.6 功率吸收钳法 6 1.2.7 三同轴线法 6 1.3 混响室法的主要特点和发展历史 7 1.4 本文的主要研究内容 7 第二章 混响室的工作原理 8 2.1 混响室的结构和工作原理 8 2.2 混响室的主要参数 9 2.2.1 模密度 9 2.2.2 品质因数 10 2.2.3 K系数 10 2.2.4 插入损耗 11 2.2.5 场均匀性与搅拌效率 11 2.2.6 最低可用频率 11 2.3 混响室在电磁兼容中的应用 11 2.3.1 辐射抗扰度测量 11 2.3.2 辐射发射测量 12 2.3.3 电缆等屏蔽效能测量 12 2.3.4 屏蔽衬垫等屏蔽效能测量 13 2.3.5 屏蔽壳体屏蔽效能测量 13 2.3.6 天线效率测量 14 2.4 混响室的特点 14 2.5 小结 15 第三章 试验过程和数据处理 15 3.1 实验设备简单介绍 15 3.1.1 测试设备 15 3.1.2 被测设备 16 3.1.3 连接设备 17 3.2 实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计和测试过程 17 3.2.1 方案设计 17 3.2.2测试过程 18 3.3 数据处理 19 3.4 结论 23 致谢 23 参考文献 23 第一章 绪论 1.1 引言 现代社会，随着科学技术的日新月异，电子设备复杂程度提高，造成了电子设备内部、电子设备之间的电缆线也越来越多。电缆线本身是无源元件，并不会成为电磁干扰源，但是在系统内部，电缆是各部分之间的连接通道，必然会对系统的信息泄露和抗干扰性能产生重要的影响。如果不加以注意的话，连接电缆将会成为一个极其危险的电磁能量泄露窗口。电缆线具有天线效应，它既可以辐射信号，也可以接收信号。辐射的信号可对其它电子设备形成干扰，而电子设备接收到的无用信号可自身造成干扰。根据传输信号的种类不同，电缆可以分为电源线和信号线两类。一般在电源线中传输的信号主要是直流和属于低频的交流信号，因此电源线产生的辐射主要是工频及其谐波，若未采取措施还有从仪器内部泄漏出来的干扰，电源线还会接收干扰信号，将干扰引入仪器内部影响设备正常工作。信号线既可能传送高低频信号，也可能是数字信号，辐射的干扰与其传送的信号有关，一般大功率的信号和数字信号泄漏易通过耦合的方式在电缆束之内产生影响，数字信号线对电缆束中耦合过来的尖峰信号非常敏感，因此，对传输线进行隔离，减小相互间影响是型号EMC工作中的一项重要内容。 连接器作为电缆接头或设备接头部件，与电缆类似会泄漏出信号对其它设备形成干扰，而从接头缝隙中进入的信号对自身也是一种干扰。在多数情况下，接头与电缆是连接在一起使用的，接头的好坏直接影响到整体电缆的性能，因此研究传输线相互影响必须将连接器考虑进去。 解决电缆线干扰的方法有加屏蔽、综合布线、减少电缆线长度等，其中使用屏蔽电缆线是一种简单有效的方法。因为为电缆线加上屏蔽层之后，可以有效地抑制空间电磁场对线路的影响，，既可以防止内部信号泄漏，也可以防止屏蔽层外部干扰信号进入内部。 电缆的屏蔽效能跟电缆屏蔽层的材料，编织密度，尺寸等因素有关，也与电缆屏蔽层的姐弟方式与终端负载，入射信号源的阻抗等因素有关。目前尚无精确的计算公式来计算电缆的屏蔽效能，因此在实际工作中最可靠的方法是通过测量来了解电缆的屏蔽效果。目前电缆屏蔽效能的测量方法有几十种之多，有直接测量屏蔽效能的，也有通过测量 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面转移阻抗的；有基于场的测量方法，也有基于电路（耦合）的测量方法。下面就简单介绍一下目前常用的几种测量电缆屏蔽效能的方法。 1.2 电缆及其连接器测量方法的简单介绍 1.2.1 屏蔽室天线法 屏蔽室天线法通常用来比较不同种类电缆的屏蔽性，它不能给出电缆屏蔽性的数值。利用屏蔽室或暗室测量电缆屏蔽效能，既可以检验从电缆中泄漏信号的状况，也可以检验电缆外部信号渗透到内部的状况。如图1.1所示。将信号送入屏蔽室中的电缆中，利用天线测量电缆泄漏所产生的辐射，可以确定电缆对内部信号的屏蔽效果。如图1.1(A)所示。将屏蔽室中信号源输出的功率通过天线辐射到被电缆上，用频谱仪接收被测电缆中感应出的信号，可以确定电缆对外部信号的屏蔽作用.如图1.1(B)所示。我们可以用这种方法比较不同屏蔽电缆的屏蔽性能，这种方法的频段取决于大线的频段及信号源、频谱仪的频段。 （A） （B） 图1.1 屏蔽室法测量电缆屏蔽示意图 1.2.2 混响室法 混响室是利用屏蔽室内的机械搅拌器，连续改变内部的电磁场结构，使得屏蔽室内任意位置的能量密度的相位、幅度、极化均按某一固定的统计分布规律随机变化。由于屏蔽室是高 值的谐振腔，因此可用相对较小的功率得到高的场强。而且因屏蔽室最低谐振频率使混响室低频受到限制外，高频没有限制，因此动态范围大。因为混响室可以产生高的场强，而且场分布均匀，因此可用混响室法测量屏蔽效能好的电缆，这种方法尤其适合于 以上频段的使用。 1.2.3 GTEM小室法 GTEM小室是一种产生横电磁波场强的装置，在GTEM小室内可产生相对较强并且均匀的电磁场。如果GTEM小室的性能较好，它的高端频率可达10GHz，低端频率不受限制。利用GTEM小室测量电缆屏蔽的示意图如图1.2。信号源向GTEM小室中输出一定幅度的信号，在GTEM小室中产生一个电磁场，将被测电缆放置在这一场强中，通过测量电缆中感应的信号确定被测电缆的屏蔽性能。 图1.2 GTEM小室法测量电缆屏蔽示意图 1.2.4 电流卡钳法 功率吸收钳得测试频率一般在30MHz以上，30MHz以下可以用电流卡钳法来测量电缆的屏蔽效能。电流卡钳是电磁兼容测试中用来测量电源线上传导干扰的设备，它是由绕有线圈的铁氧体磁环组成，使用时将卡钳套在电源线上，电源线上通过电流时周围磁场的变化会在卡钳的线圈是产生感应电流，测量出感应电流就等于测量出电源线上的电流，电流探头可用于电缆屏蔽效能的测量。测量方法如图1.3所示，被测电缆的一端接信号源，另一端接匹配负载，如果需要可在信号源与被测电缆之间接入匹配器，减小信号反射。测量时保持信号源输出一定功率并保持不变，适当移动电流卡钳的位置，使频谱仪得到最大读数，用下式计算电缆的屏蔽效能： 。 （1.1） 式中: 信号源输出功率，单位 。 耦合端口频谱仪读数，单位 。 功率吸收钳转换因子，单位 。 电缆损耗，单位 。 17单位变换过程中产生的常数等于 。 图1.3 电流探头测试电缆屏蔽示意图 1.2.5 电流注入探头法 这种方法被测电缆一端接负载，另一端先接匹配器，再接接收机或频谱仪，将信号源的信号送入探头，探头的磁场在电缆表面产生感应电流，如果电缆的屏蔽性不好，感应电流会渗透到电缆内部，适当移动探头使频谱仪产生最大信号，根据信号幅度的大小能确定电缆的屏蔽性。 1.2.6 功率吸收钳法 功率吸收钳法测量同轴电缆的屏蔽效能是一种基于电路原理的长线测量屏蔽效能的方法，其示意图见图1.4。信号从受试电缆注入，作为第一级电路，电缆屏蔽层与周围环境构成第二级电路。泄漏的信号由于电缆和周围环境之间的电磁耦合，在屏蔽层上激励了表面波它沿屏蔽层向两个方向传播，我们分别在两个方向上(即近端和远端)用功率吸收钳进行测量，并取近端和远端测量所得的最大功率值。 图1.4 功率吸收钳法测量射频同轴电缆屏蔽效能示意图 用功率吸收钳测量同轴电缆的屏蔽效能，必须对测量设备进行校准，其中最主要的是对吸收器衰减性能的测定和测量装置插入损耗的校准。校准时都需要把受试电缆的屏蔽层和发生器输出的内导体相连。 目前市场上销售的功率吸收钳有两种30-1000MHz和300-2500MHz ，表明了功率吸收钳法的适用频段。 1.2.7 三同轴线法 这种方法主要用于屏蔽接头屏蔽效能的测试，将屏蔽接头放置在特制的同轴线中，屏蔽接头中漏出的信号通过同轴线测出。这种方法的动态范围约70dB，对高性能屏蔽接头偏差要大一些。考虑到实际使用中，电缆总是和接头连接在一起使用，接头的屏蔽性能直接关系到整个电缆的屏蔽性能，因此必须充分重视接头的屏蔽性。 1.3 混响室法的主要特点和发展历史 混响室法是近年来在电磁兼容领域得到越来越高的关注度，发展的非常快，因为这种方法具有很多优点。首先因为混响室法不受高频的限制，只要是高于自身谐振频率3倍以上的频率一般都能得到满意的测试结果，尤其是在1GHz以上的频率；其次，用混响室法测量的话试验布局非常简单，由于混响室自身的特点，在混响室内发射天线和接受天线都不需要特比的固定装置；混响室最大的特点是其内部的电磁场环境与现实的环境非常的接近，具有空间均匀，各向同性，随机极化等特点。 最早在1968年，Dr.H.A.Mendes就提出了将空腔谐振用于电磁辐射测量的思想。1971年，美军发布了MIL-STD 1377，接受使用混响室用于电缆和屏蔽材料屏蔽效能的测试。但在这之后的十多年里，这种测量方法并未得到更多的关注。直到20世纪80年代，随着军工产品、汽车、航空工业产品的辐射抗扰度要求越来越高，希望对大体积的受试设备(EUT)获得高频电磁场。对于开阔场地或半电波暗室等传统的测量环境，这就要求十分高的功率放大器。此外，在电缆、电缆连接器或屏蔽材料的屏效能测试方面，也需要更经济有效的方法。这些需求使得混响室重获新生。1986年，美国国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 局(National Bureau of Standards)的Dr. Mike LCrawford及其小组为混响室的发展奠定了基础。到80年代末，混响室开始为各国际标准所接受。1987年3月，CISPR/A/(Sec.)82 (CISPR 16-1 《无线电骚扰与抗扰度测量设备 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》的草稿)描述了作为辐射总功率测量的混响室。规定了混响室的结构及性能试验(搅拌效率及耦合衰减)。后来，这些内容基本上未作修改地纳入CISPR/A代Sec.)83 (CISPR 16-2 《无线电骚扰与抗扰度测量方法》的草稿)列入了在混响室内测量辐射发射的方法，并指出其优点。主要如:内外电磁环境的隔离、在大体积下获得高电平的场、宽的频率覆盖、少量的仪器更换即可N9辐射发射又可测辐射抗扰度，以及不要求EUT位置旋转等。第一个专门规范混响室的标准是美国通用汽车公司1993年6月发布的标准GM 9120P《辐射电磁场抗扰度(混响室)。1999年发布的美国军用标准MIL-STD-461E 《电磁干扰辐射和敏感度控制要求》也接受了混响室这一测量场地。近年来，IEC/TC77B与CISPR/A组成了一个联合工作组，致力于起草关于 混响室的标准，并于2003年8月发布了一个正式版本:IEC 61000-4-21《混响室试验法》。 近年来，混响室的研究工作得到了迅速发展，有关混响室论文逐年增加，论文涉及理论分析、测量方法以及新的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 等方面。 1.4 本文的主要研究内容 本文主要是在对混响室工作原理及其性能理解、对同轴电缆性能了解、对用混响室法测电缆屏蔽效能所用的仪器熟悉掌握的基础上，用混响室法对同轴电缆在高频情况下的屏蔽性能通过测量来分析。通过对测量结果的分析，研究混响室法在电磁兼容领域的优点，研究同轴电缆在高频情况下的屏蔽特性。 第二章 混响室的工作原理 混响室要求在屏蔽腔体内产生空间均匀、各向同性、随机极化的电磁环境用于受试设备的测量。产生这种电磁环境的方案有很多，但是实际建造的混响室中运用最多的还是机械搅拌法。东南大学电磁兼容实验室的混响室就是搅拌式的，本文所用的试验数据也是在这种混响室内测到的。所以在这里就简单介绍下搅拌式混响室的结构，工作原理和测量方法。 2.1 混响室的结构和工作原理 混响室的屏蔽壳体具有很高的品质因素（ ），内部装有搅拌器，其作用就是连续地改变混响室内部的电磁场结构，从而获得与现实环境相类似的电磁场环境。混响室中的设备主要包括： 1、射频信号源：射频信号源的主要作用是输入信号的发射天线接受测试，要满足频率要求，扫描时间、保持时间等可以通过计算机用程序控制。 2、功率放大器：放大信号，提供发射天线所需的设射频功率信号。如果信号源的功率足够大，就科研不用功率放大器。只有在必要的时候才用。 3、EUT监测设备：用于监测受试设备。 4、搅拌器：要求至少有一个方向尺度大于最小工作频率波长的四分之一，大于混响室最小边长的四分之三。 5、场源探头：用于监测测试区域三个正交方向的电厂强度。 6、场源天线：要满足工作频率的要求，要试线型极化天线，测试使放置位置不能直接指向测试区域，最好指向混响室的角落或搅拌器。 7、接收天线：满足工作频率要求的极化天线即可。 8、控制与数据处理设备：用于控制所有设备和处理数据，一般使计算机。 混响室的结构参见图2.1。搅拌器的作用就是通过旋转改变腔体内的电磁场分布。图2.2是混响室内部有无搅拌器的电磁场分布的比较，可以明显地看出有了搅拌器之后，电磁场分布均匀了许多。 图2.1 混响室结构模型 图2.2 有无搅拌器混响室内部电磁场分布比较 在混响室内的测量可以看作是一个随机过程，因为混响室内的能量密度的相位、服毒、极化在统计意义上来说都是规律随机变化的。受试设备的平均响应市在搅拌器至少旋转一周的时间内相应的积分。混响室内的电磁场环境具有空间均匀、各向同性、随机极化的特点。 2.2 混响室的主要参数 2.2.1 模密度 模的数目和它在不同频率上的分布是混响室的一个基本特性。我们已经知道对于一个矩形的混响室，它的谐振频率为： （2.1） 式中 、 、 分别是屏蔽室的宽、高、长尺寸（ ）; 、 分别是屏蔽室内媒质的磁导率和介电常数，单位分别为 和 ； 、 、 分别是屏蔽室沿着宽、高、长方向半驻波个数，取值0、1、2…。其中 、 、 三者中只能有一个取 。对于 ，最低谐振频率是 。 则矩形空腔的模数为： （2.2） 式中： 考虑的最高频率， ； 模密度大致可以表达为： （2.3） 一般而言，混响室的体积越大，容纳模数越多，场均匀性也就越好。此外，场均匀性还与搅拌器的形状、大小、个数等因数有关。 2.2.2 品质因数 品质因数 是对混响室存储能量的描述。其定义为： （2.4） 式中： 角频率， 。 混响室要求在高的品质因数条件下工作。对于一具体的混响室，其品质因数可以表达为： （2.5） 式中： 混响室体积， ； 工作波长， ； 、 分别为发射天线和接收天线的效率。 为混响室校准系数，在完整的搅拌过程中，取平均接收功率对平均输入功率之比。 2.2.3 K系数 混响室无载情况下的 对计入了EUT等负载之后的 值之比： （2.6） 2.2.4 插入损耗 最大接收功率（ ）对平均输入功率（ ）之比的分贝值： （2.7） 2.2.5 场均匀性与搅拌效率 场均匀性是判断混响室性能好坏的一个重要指标。IEC 61000-4-3种规定在测试区域的顶点处放置八个电场探头，用探头测量在某个频率点，各位置在一个搅拌周期内的三个正交方向电场场强最大值的变化范围。如果75%的测量值的变化范围小于6 。则认为该频点的场强均匀性满足要求。同时容许有不超过3个或者3%的测试频点的场强变化范围大于6 小于10 。 搅拌效率指的是搅拌器提供混响室要求的空间均匀、各向同性、随机极化的电磁环境的能力。搅拌效率可由参数 来衡量，它定义为：固定在混响室中的接收天线在一个搅拌周期内，所接收到的最大功率于最小功率之比。搅拌器的材料、形状、大小、个数都是影响搅拌效率的重要因数。 2.2.6 最低可用频率 在前述2.2.1中介绍了矩形空腔的谐振频率的计算方法，混响室的最低可用频率与混响室的体积、结构和搅拌效率有关。不同的标准对最低可用频率的要求不一样，这里介绍一下美国军标的规定，它规定混响室的最低可用频率取混响室的最低谐振频率的三倍。所以混响室的低频工作范围就受到了限制，目前降低工作频率是混响室研究的一个重点课题。 2.3 混响室在电磁兼容中的应用 2.3.1 辐射抗扰度测量 在混响室内可形成各向同性、均匀的场，因而特别适合进行辐射抗扰度测量。混响室电场（E场）幅度的期望值，可以根据全向场探头的24个最大读数的算术平均值求得。也可按式（2.3.1），基于参考天线的最大读数，以天线位置数去求平均而得到。 （2.3.1） 式中： 对于一个天线位置，在完整搅拌过程中，最大的搅拌功率，W； 参考天线效率； 工作波长，m。式（2.3.1）应该以天线位置数去求平均。即将各个不同的天线位置得到的 求和，再用天线的位置数去除。 2.3.2 辐射发射测量 在混响室内用EUT辐射的功率 可由式（2.3.2）确定： （2.3.2） 式中： 参考天线在测量带宽内测得的功率对搅拌步数的平均值， ； 参考天线效率； 在完整的搅拌过程中，平均接收功率对平均输入功率之比。式（2.3.2）中求出的值，可以折算为电场强度： （2.3.3） 式中： 距离 处， 辐射的电场强度， ； 的等效方向性； 见式（2.3.2）； ——至 的距离， 。 2.3.3 电缆等屏蔽效能测量 对电缆、电缆连接器、波导、无源微波器件等屏蔽效能的测量，其屏蔽效能 可由（2.3.4）确定： （2.3.4） 式中： 耦合至 的功率， ； 耦合至参考天线的功率， 。 图2.3 电缆等屏蔽效能测量 如图2.3.1是混响室法测量电缆屏蔽效能的典型示意图。要注意的几点是混响室内的发射天线和参考天线必须要是同一种天线，而且具有相同的标注。被测电缆由一根长度合适的同轴电缆连接，且连接电缆至少要比测试频率的波长的 长。在测试过程中被测设备的端口要与测试装置连接起来。其他端口连接的匹配负载的屏蔽性能至少要比被测电缆高 或者比理想状况下高 。 2.3.4 屏蔽衬垫等屏蔽效能测量 对屏蔽材料的屏蔽效能测量的特点是在大的混响室内设置另外一个较小的屏蔽壳体，并在此壳体内对屏蔽材料泄露进入的场也进行模搅拌，并分别接收混响室中及屏蔽壳体内电磁场的功率，从而得到屏蔽效能。 图2.4 屏蔽衬垫等屏蔽效能测量示意图 2.3.5 屏蔽壳体屏蔽效能测量 对屏蔽壳体屏蔽效能的测量的工作原理与上一个类似，就不多做介绍。 图2.5 屏蔽壳体等屏蔽效能的测量 2.3.6 天线效率测量 在天线参数测量中，天线效率的测量是比较困难的。这主要是由于测量一付天线在全部立体角范围内辐射的总功率是十分困难的。因为任何一付实用的天线都不可能是完全全向的，不同立体角的辐射功率密度也是不同的。但这些困难在混响室测量中不复存在。天线效率的定义为： （2.3.5） 式中： 被测天线辐射的射频功率，可由式（2.3.5）求出， ； 无耗天线辐射的总功率， 。在实际工作中，式（2.3.5）可以改写为： （2.3.6） 式中 天线的平均输入功率， 。 2.4 混响室的特点 1、用相对较小的功率，可以在大的测量空间获得高的场强。这是利用了高Q的空腔谐振的原因。同时混响室能很好地模拟复合场。 2、在相对较小的功率下，可以获得高的动态范围。可以达到电波暗室的水平。但所需激励功率较小，并且与场的极化无关。 3、工作频率范围很宽。且混响室内不需要吸波材料，所以不存在材料性能对混响室特性的影响。唯一的缺陷就是低频受限制。 4、用途广泛，可以进行辐射发射、辐射抗扰度、天线效率以及各种屏蔽效能的测量。 5、大的测试体积，用途广泛，应用于EMI、EMS、SE等测试。 6、节约测量时间和经费，因为混响室不需要铺设吸波材料，不需要架设天线塔，不需要转台旋转被测物体，所以大大节省了建设成本；又因为不需要天线扫描，不需要EUT旋转，不需要改变极化，所以节省了测量时间。 2.5 小结 综上所述，混响室实际上就是一个配有机械的搅拌器具有高品质因素( )的屏蔽壳体。通过机械搅拌器的旋转作用，连续地改变混响室内部的电磁场结构，使获得理想的与现实环境非常相似的电磁场环境，具有空间均匀、各向同性、随机极化等特点。虽然在混响室刚出现的时候，并没有得到足够的重视，但是近年来，因为混响室所有这些优点所决定，混响室在电磁兼容测试中得到了迅速发展，被广泛应用于辐射抗扰度、辐射发射、屏蔽效能、天线效率的测量。但是目前混响室在国内应用状况还不时令人欣慰，又关混响室的论文、著作很少，希望国内的学者们能引起足够的重视。相比于传统的电磁兼容测量场地，混响室具有工程造价低、易产生较高场强、测量时间短、测试可重复性高、易于模拟复合场等方面的优点。因此越来越多的国际标准接受混响室作为电磁兼容的测试场地。当然混响室也有一些先天的缺陷，例如不能测量EUT的方向特性、低频受限等。 第三章 试验过程和数据处理 3.1 实验设备简单介绍 如图2.3所示是混响室法测量电缆等屏蔽效能的典型装置。可以把测试装置分为三个部分，即：测试设备、被测设备、连接设备。 3.1.1 测试设备 测试设备包括混响室、射频信号源、放大器、天线、计算机、接收机。本文所用的混响室是东南大学电磁兼容实验室自行研制制作的，其尺寸是1.38*1.5*2.28（ ），由式2.1我们可以算出其谐振频率是119.7 ，则根据美军标规定该混响室的最低可用频率是359.1 。本文所做的实验频率是从1 开始的，所以不存在低频受限的问题。该混响室友两个搅拌器，顶部放置一个扇形的，角落处放置一个 字形的，试验的时候，发射天线对准 字形的搅拌器，以此来保证混响室的电磁场环境的均匀性。 射频信号源的作用是输出信号到混响室内的发射天线，用于测量。射频信号源的型号是SML03，它有两个端口，所输出的频率范围不一样，低频的端口输出功率是9 到1 ，高频的输出端口输出功率是1 到3.3 。因为实验室设备的限制，本文的实验频率只到3 ，但是我们可以从这个频率范围内电缆屏蔽效能的特点来推知其后频率的特点。 图3.1 SML03型信号发生器 因为信号发生器的功率已经足够使用，在本实验中并没有用放大器。 天线是混响室测量屏蔽效能的一个重要组成部分，天线的好坏与测量结果的准确度直接相关。在实验中要求发射天线和参考天线要使同一种天线，且具有相同的标准。应用于混响室内的天线对天线方向性等的要求相对不高，主要是要求天线的覆盖频段很宽。这样在测试过程中就不必要为了调换天线而停止试验。用于混响室自身体积的限制，天线的物理尺寸也应该尽量的小。在电磁兼容领域有很多天线，如对数周期天线、双锥天线、螺旋天线、加脊喇叭天线等。因为喇叭天线具有频带宽、体积小、辐射口径位置稳定、具有较高的口径效率和增益使得喇叭天线在混响室内得到了广泛的应用。本文的实验用的天线就是东南大学电磁兼容实验室师兄自行制作的喇叭天线，覆盖频带范围1-18 。在测试过程中天线的放置位置、方向一定要特别的注意，发射天线不能直接对准工作区，不能对准接收天线，要指向角落，最好指向搅拌器。接收天线要放置在工作场区内。图3.2是发射天线在混响室内的位置及被测电缆的放置位置。图3.3是接收天线在混响室内的摆放位置，两图中的搅拌器是在混响室角落的 字形的搅拌器，发射天线对准这个搅拌器。 图3.2 发射天线及被测电缆的位置 图3.3 接收天线及被测电缆的相对位置 接收机通过连接电缆由输出端口与参考天线或被测电缆连接起来。参考天线或被测电缆的输出信号就通过连接电缆送到接收机上，通过接收机送到计算机上进行读数。本文所用的接收机的频带范围是20 -7 。 计算机的作用是把所有这些仪器通过程序联系起来，让所有的仪器都能协调的、按照预期希望的方式运作。本文所用的程序是LabVIEW语言，这种语言是一种图形化的编程语言，它适用于测量和控制仪器或系统的组建和控制。 3.1.2 被测设备 本文研究的是同轴电缆及其连接器的混响室实验法研究，所以被测设备显然是同轴电缆及连接器。 同轴电缆可分为两种基本类型，基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带常用的电缆，其屏蔽线是用铜做成的网状的，特征阻抗为 (如RG-8, RG-58等);宽带同轴电缆常用的电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的，特征阻抗为 (如RG-59)等。同轴电缆的主要参数有： 1.主要电气参数 ①同轴电缆的特性阻抗：同轴电缆的平均特性阻抗为 ，沿单根同轴电缆的阻抗周期性变化为正弦波，中心平均值 。 ②同轴电缆的衰减：当用 的正弦波进行测量时，它的值不超过 ( /公里)；而用 的正弦波进行测量时，它的值不超过 ( /公里)。 ③同轴电缆的传播速度：需要的最低传播速度为 ( 为光速)。 ④同轴电缆直流回路电阻：电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过 毫欧/米(在 ℃下测量)。 2.同轴电缆的物理参数 同轴电缆具有足够的可柔性，能支持 ( 英寸)的弯曲半径。中心导体是直径为 的实芯铜线。绝缘材料必须满足同轴电缆电气参数。屏蔽层是由满足传输阻抗和ECM规范说明的金属带或薄片组成，屏蔽层的内径为 ，外径为 。外部隔离材料一般选用聚氯乙烯(如PVC)或类似材料。 同轴电缆的屏蔽效能与屏蔽层材料、编织密度、电缆屏蔽层的姐弟方式及终端负载、入射信号源的阻抗等因素有关。电缆连接器的性能及电缆安装时的弯曲程度也会影响电缆屏蔽效能。因为编织层的实际覆盖率是随着电缆的弯曲程度而变化的。当电缆弯曲时，靠近内侧的覆盖率内侧的覆盖率增加，近外侧的覆盖率则显著减小。 连接器作为电缆接头或设备接头部件，与电缆类似会泄漏出信号对其它设备形成干扰，而从接头缝隙中进入的信号对自身也是一种干扰。在多数情况下，接头与电缆是连接在一起使用的，接头的好坏直接影响到整体电缆的性能，因此研究传输线相互影响必须将连接器考虑进去。性能良好的连接器与插头配合后，其屏蔽效能应等于甚至优于环路中使用的同等长度电缆的屏蔽效能。电缆连接器的屏蔽效能除决定以连接器本身外，还有很重要的一点是：应该在电缆的周边把电缆屏蔽层和连接器完整地连接起来。N（L）型等高频同轴连接起均已在其内部的电缆安装配件上给予保证，使得连接器外壳和被连接电缆的屏蔽层之间实现良好的连接。屏蔽效能的期望值一般在 。 实验中用的同轴电缆是一根 的具有 特性阻抗的，编织层是铜丝的单层屏蔽电缆。转接头是N型的，另外还测量了型号是L1b/Q9-50kJ的连接器的屏蔽效能。屏蔽终端连接的是一个 的负载，终端匹配，负载的型号是GH1150K，功率是 ，适用频率是 。 3.1.3 连接设备 连接设备通常用屏蔽性能比被测设备高 以上(或者至少比想要的高 )，具有50 特性阻抗的同轴电缆。这主要是对连接被测电缆的那根连接电缆，对其他电缆则没有那么高的要求。且这根电缆最短只能取最低测试频率波长的 。在测试中用的电缆是一根长 的，具有 特性阻抗的，编织层是铜丝的双层屏蔽电缆，且整根电缆用屏蔽胶带包裹住，然后用热塑管包住，这样，这根电缆的屏蔽效能要远高于被测电缆的屏蔽效能。测试的最低频率是 ，则波长是 ，连接电缆的长度是 ，远远比波长的 长，是符合要求的。 3.2 实验方案设计和测试过程 3.2.1 方案设计 实验的时候首先按照图2.3将所有实验设备连接起来，通过计算机使所有设备有机地结合起来。计算机程序可以通过控制马达来控制搅拌器，在一个搅拌周期内测试的点数就能实现——一个搅拌周期就是搅拌器旋转 ，程序可以控制电机每旋转一个角度就记录一个数据，在实验中我是每 取一个数，则在一个周期内取36个数。通过控制信号发生器来选择步进频率，采样频率点，扫描时间等。最后从接收机中读取测得的实验数据。 屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量的一种措施。屏蔽体适用以阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电、导磁、介质的，或带有非金属吸收填料的。对干扰源或感受器进行屏蔽，能有效地抑制干扰并提高电子系统或设备的电磁兼容性，是电子设备结构设计必须考虑的重要措施之一。 屏蔽体的屏蔽性能以屏蔽效能度量。屏蔽效能是无屏蔽体时空间某点的电场强度 （或磁场强度 ）与有屏蔽体时该点电场强度 （或磁场强度 ）的比值，由于屏蔽效能的量值范围很宽，一般均用分贝来计算表达式为： 或者 （3.1） 由于用混响室法测出来的数据是功率，所以混响室法测量电缆的屏蔽效能可用下式来计算： （3.2） 式中： ——耦合至参考天线的功率， ； ——耦合至被测设备的功率， 。 由以上叙述可知要测量电缆及连接器的屏蔽效能必须先测得耦合至参考天线的功率，所以首先把参考天线通过连接电缆连接到接收机，测量只有耦合至参考天线的功率。然后把被测电缆连接到连接电缆上，并在终端匹配 的负载，测量耦合至被测同轴电缆的功率。为了验证混响室的场均匀性，测量了电缆三种不同放置方式之下的屏蔽性能，并进行比较。图3.2上测试中电缆放置的不同的三种方式。然后再测量连接器和负载的单独连接到测试装置中时的接收功率，用于计算连接器和负载的屏蔽性能。 图3.2 测试电缆的放置方式 3.2.2测试过程 任何测试场地在进行实验之前都要校准，混响室也不例外。混响室的校准主要是检验混响室工作区内电场的统计均匀性，因为场均匀性是决定混响室性能的一个关键指标。混响室的脚注分为空腔室校准及每次测试开始前受试设备在内时的快速校验。因为空腔室校准只有在混响室刚建好或其内部进行较大改动时才需要做。所以在本次实验中并没有做空腔室校准。混响室在每次使用前还要进行一次快速校验，主要目的是判断受试设备在混响室内是否会造成过载，而影响混响室性能。快速校验的步骤是： 1、将受试设备及接收天线都放在混响室工作区内，二者之间的距离至少为 。 2、从 开始，输入合适的输入功率。 3、记录最大接收功率、平均接收功率、平均输入功率。 4、对测试中每个频率点都要重复以上过程。 通过以上过程可以得到受试设备在混响室内是的腔室校准系数 及腔室加载系数 。如果受试设备在内时得到的平均接收功率不超过校准是的值，则表明受试设备未引起过载，否则，则说过载。 混响室在校准之后就可以进行实验了，按图2.3所示搭接实验设备，首先测试参考天线的接收功率。程序编好之后只要启动所有仪器，用程序启动测量就可以了，计算机会自动记录所有测量结果。然后再测量电缆、连接器、负载就行了。要注意的是在每两次测量之间换受试设备的时候，要把信号发生器停止向发射天线发射信号，否则人在里面换受试设备的时候会受到辐射的影响。 3.3 数据处理 在数据处理的时候，特别要注意的是在上述公式中功率的单位是 ，而在实际测量中得到的数据的单位并不是 ，而是 ，要注意把测得的功率的单位转化为 来计算。 和 之间的转换关系是 。其中 表示毫瓦。因为在测量中，每一个频率点，电机每转 就有一个数据被记录下来，所以在每一个频率点有36个数据，在这36个数据中偶尔出现几个不正常的点（过大或者过小）是正常的，如果出现整段的、连续的就不正常了，要检查错误出现在什么地方在再重新测量。偶尔出现的不正常的点要舍去之后再进行数据处理。一般情况下每一个频率下用于最后计算的功率都是在舍去不正常点后，把单位转化为 ，再求平均值，然后用公式（3.1）求得该频率下的屏蔽效能。注意 、 在计算的时候一定要使在同一频率点下的功率的值，不能用两个不同频率下的功率来比，这样使不正确的。实验中一共测得数据6组，分别为：电缆正弦放置、圆形放置、对折放置情况下的耦合至被测电缆的功率，耦合至连接器、负载的功率和耦合至参考天线的功率。经过对每一组数据进行剔出不正常数据、单位转换、求平均值得到所有情况下每一个频率点下的功率 ，然后利用公式（3.2）求出屏蔽效能，表1到表3是三种不同放置状态下同轴电缆的屏蔽效能。 表1 同轴电缆正弦形放置时的屏蔽效能 频率 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 屏蔽效能 43.3133 41.3010 35.9769 34.4677 36.9721 42.2690 42.8730 49.6014 44.3590 45.6176 频率 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 屏蔽效能 44.9478 39.0360 41.0758 42.7852 38.6074 43.3465 42.0677 35.7414 38.9109 35.6120 表2 同轴电缆圆形放置时的屏蔽效能 频率 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 屏蔽效能 44.2604 40.6325 33.8409 34.1636 35.8935 40.6254 45.4357 46.6887 43.3150 45.3829 频率 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 屏蔽效能 47.6645 41.1700 47.4900 44.3670 39.3812 41.7600 40.3024 40.7484 37.7844 37.6100 表3 同轴电缆对折形放置时的屏蔽效能 频率 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 屏蔽效能 43.6700 38.7146 37.4842 35.8599 35.2961 39.1336 45.7599 47.6070 43.9616 41.4477 频率 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 屏蔽效能 43.2817 40.8634 44.4108 42.0469 38.7585 42.0821 39.4045 39.1548 38.7270 37.5617 三种不同放置形态的同轴电缆的屏蔽效能用图形表示为图3.3，从图中可以明显地看出放置形态对测试结果没有直接影响。 图3.3 测试的同轴电缆的屏蔽效能 表4是测试的连接器的屏蔽效能的计算结果。 表4 连接器的屏蔽效能 频率 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 屏蔽效能 46.8231 35.0130 33.6888 29.9449 32.4763 35.2726 38.3650 40.3951 39.1006 41.9387 频率 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 屏蔽效能 42.3776 40.3353 45.4493 43.2966 38.8196 37.0407 34.2666 32.7589 31.1898 33.4276 图3.4是连接器的屏蔽效能的示意图。 图3.4 连接器的屏蔽效能 表5是计算所得的负载的屏蔽效能 表5 负载的屏蔽效能 频率 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 屏蔽效能 41.1253 40.6325 35.7426 43.7744 43.7574 49.8671 50.0615 53.3685 49.6011 52.0004 频率 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 屏蔽效能 44.8174 45.9910 46.6809 44.2292 38.4006 40.3057 42.3375 42.7983 37.9418 36.8263 图3.5 负载的屏蔽效能曲线 3.4 结论 混响室作为一种新型的电磁兼容测试场地，近年来发展迅速，得到越来越多的关注。这是由于相比于传统的测试场地，混响室在工程造价、测量时间、有效模拟复合场等许多方面优点突出。 混响室内的电磁场环境具有统计均匀性，被测电缆只要放置在混响室的工作区域内就行，如何放置对测试结果并没有影响。 混响室要求在屏蔽腔体内产生空间均匀、各向同性、随机极化的电磁环境用于受试设备的测量。混响室通过发射天线向腔室中输入一定的射频能量，这些能量通过搅拌器的脚绊作用，经过腔室四壁反射，改变混响室内的边界条件，从而改变混响室内的电磁场分布。混响室内的电磁场就是所有反射波的叠加，而经过搅拌器的作用后混响室内的电磁场环境就能达到测试要求的空间均匀、各向同性、随机极化等要求。 通过查阅参考文献，可以了解到三同轴法、管中管法、吸收钳法、混响室和GTEM室法五种测试方法之中。在混响室内进行电缆屏蔽效能测试的试验布局非常简单，即只要电缆被放置于工作区域内即可，测试结果对电缆的放置位置、放置路径、放置姿势并不敏感。和传统的测试方法中规范的电磁波传输环境相比，混响室内的电磁环境更接近实际情况，即入射波来自于各个方向、具有各种极化和相位，因此其结果也更加可靠。但是混响室测试的一个明显缺陷，即低频测量范围受限制（约100MHz）。因为混响室的物理模型是一个谐振腔，只有当其模式数量至少达到100个或60个时，场分布才能被认为是合格的，所以其最低可用频率很难低于100MHz。 通过混响室法测试3根不同长度的同一种型号的同轴电缆在500MHz 1GHz频率段的屏蔽效能，比较试验数据得出，对于同一种型号的单层屏蔽的同轴电缆而言，长度较长的电缆屏蔽效能会稍微低一点，但是存在一个最小极限值，这跟电缆屏蔽层的材料、编织密度等因素有关，也与电缆屏蔽层的接地方式及终端负载、入射信号源的阻抗等因素有关。而且电缆连接器的性能及电缆的安装时的弯曲程度，也同样会影响电缆屏蔽效能。 LabVIEW 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。LabVIEW 的程序可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。试验操作比较简单。 进入屏蔽结构的传输线和进入的方式对屏蔽效率有重要的影响，这一方面是由于进入处必定有孔造成屏蔽腔壁的非连续性所致，另一方面是由于处理不当导致屏蔽电流在腔体内壁流动而造成的。此外，传输线也可能引入额外的噪声（应设置合适的滤波器）。所以对进入屏蔽腔的电缆必须谨慎而仔细地考虑，否则将前功尽弃。 屏蔽体的连接和接地是十分重要的，尤其是在对屏蔽要求较高的场合而采用多层屏蔽结构时尤为突出。其基本原则是力求使屏蔽电流不能在所屏蔽的腔体内壁上流动。 通过试验中发生的一些事故，更加深刻地了解到，在屏蔽效能测试中接地是很重要的，否则无法测出电缆的屏蔽效能，甚至会损坏测试仪器设备。 致谢 在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至本科四年学习生活中帮助过我的师长与同学。在毕业设计完成的过程中得到了许多老师和单位领导的帮助，学院的老师们严谨治学的教学使我受益非浅。本论文的选题、研究内容、研究方法及论文的形成是在导师周香老师支持、鼓励和悉心指导下完成的，她是我获得深思熟虑的意见和概念清晰的见解的来源，她不惜花费自己时间对本论文提出许多意见和建议，既激发了我的灵感，又给了我持久不断的鼓励。在论文完成的过程中倾注了导师大量的心血，在论文完成之际，特向尊敬的周香导师表示衷心的感谢。 本次论文与设计的完成对我是一个巨大的激励，使我在单独处理事情方面充满信心，更为我在今后的学习与工作中提供了宝贵的经验。在学习、工作和论文写作中，得到了同学们的热忱帮助，在此向他们由衷的感谢。感谢院领导及各位老师在学习期间给予我的帮助。 最后，对所有给予我帮助和支持的人表示深情的感谢。并以此文献给所有关心与帮助过我的老师们和同学们! 参考文献