朱傳煥，張恒萍

(中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064)

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，各種電氣、電子設備已經(jīng)得到廣泛應用，電氣、電子設備間的電磁兼容問題越來越引起人們的關注。電氣、電子設備進行輻射敏感度和抗擾度的測試場地有很多，如電波半暗室、橫電磁波小室、開闊試驗場等，而近些年迅速發(fā)展起來的電磁混響室是電磁兼容性能測試的重要場地［1-2］。在具有極高品質因素的電磁混響室內，發(fā)射天線在較小的輸入功率下能產生高達上百伏每米的場強，同時電磁混響室內有效工作區(qū)內功率密度矢量(幅度、相位、極化等)變化符合統(tǒng)計規(guī)律。

描述電磁混響室的性能參數(shù)主要有空間電場統(tǒng)計均勻性、攪拌效率、插入損耗、空間相關函數(shù)、負載因子和加載系數(shù)、腔室加載系數(shù)等，其中有效工作區(qū)內的空間電場統(tǒng)計均勻性直接影響電子設備電磁兼容性試驗質量，因此電場統(tǒng)計均勻性是電磁混響室性能校準和設備試驗的關鍵參數(shù)。配備機械攪拌器的電磁混響室有兩種工作模式:離散步進方式和連續(xù)激勵方式。由于連續(xù)激勵方式下攪拌器連續(xù)激勵轉動，轉速較快，對校準或測試所用儀器和設備的響應時間有較高要求。通常情況下，電磁混響室校準采用離散步進方式。在離散步進方式下，電磁混響室校準頻點、攪拌器旋轉步數(shù)較多，同時攪拌器旋轉步數(shù)間隔要求足夠長，以保證電磁混響室腔室內有效工作區(qū)得到穩(wěn)定、具有符合標準要求統(tǒng)計均勻性的電磁場，同時兼顧儀器設備響應時間等因素，其結果使得電磁混響室電場統(tǒng)計均勻性校準耗時長、勞動強度大，因此研制頻段寬、準確度高、通用、快捷的電磁混響室電場統(tǒng)計均勻性校準裝置就顯得尤為重要。

1 電磁混響室工作原理

電磁混響室主要由屏蔽腔體、攪拌器以及接收和發(fā)射天線三部分構成。在電磁混響室金屬腔體內，發(fā)射天線將射頻功率輻射出去，電磁混響室的金屬內壁及攪拌器多次反射電磁波，在腔室內形成復雜的駐波，電磁場中具有大量模數(shù)的高階波。由于金屬內壁的反射致使某一點的幅度和相位不同，同時旋轉攪拌器的不同狀態(tài)改變了電磁混響室內部電磁場邊界條件，在腔體內形成了具有較好的空間統(tǒng)計均勻性、各向同性和極化方向任意的電磁場。電磁混響室內攪拌器旋轉時，電子設備處于一個功率密度矢量(幅度、相位、極化等)符合統(tǒng)計分布規(guī)律不斷變化的電磁場中，接受輻射抗擾度和敏感度性能考核［3］。

具有高品質因素的電磁混響室在工作頻率高于最低諧振頻率而低于電磁混響室的最低可用頻率時，電磁混響室內可以產生諧振，并在空間形成駐波，場均勻性較差;在工作頻率大于電磁混響室的最低可用頻率時，其激勵的模數(shù)較多，電磁混響室內的空間均勻性與各向同性較好，伴以攪拌器的不同狀態(tài)，其邊界條件不斷改變且相互獨立，形成了獨立的場分布結構，從而得到了較好均勻性的空間場分布。在電磁混響室內電磁場具有隨機性，進行電磁兼容性測試和校準宜采用統(tǒng)計學規(guī)律進行分析評價。

2 校準儀器配置和校準方法

圖1 為電磁混響室校準的儀器配置圖，主要由信號發(fā)生器、功率放大器、雙通道功率計、雙定向耦合器、場強傳感器、空間場強監(jiān)測裝置、發(fā)射天線、接收天線、計算機等組成。圖中信號發(fā)生器輸出信號經(jīng)功率放大器放大后饋入發(fā)射天線輻射出去，發(fā)射天線的入射功率與反射功率采用雙通道功率計及雙定向耦合器準確測量;接收天線接收到的信號功率用功率計測量;8 個各向同性一致的場強傳感器用于測量采集工作區(qū)的三向電場強度分量，獲得的信號經(jīng)光纖連接到空間場強測量裝置上;信號發(fā)生器、功率計通過GPIB總線與計算機相連，空間場強測量裝置通過RS232 串行接口與計算機連接;計算機用于數(shù)據(jù)處理以及有關儀器設備的控制。

圖1 電磁混響室校準的儀器配置圖

在空腔狀態(tài)下，采用離散步進方式對場均勻性進行校準。校準前，根據(jù)腔室大小測算工作區(qū)大小和位置，并清空工作區(qū)，布置好發(fā)射天線、接收天線，8 個場強傳感器(場強探頭)安放在工作區(qū)8 個頂點校準位置。校準時，同時測量不同頻率、不同攪拌狀態(tài)下的各位置的X，Y，Z 三向電場分量，在一個攪拌周期內，每個攪拌器位置采用頻率掃描方式確定，同時每個頻率下駐留時間應足夠長，每個頻點的停留時間不少于1 s，還需兼顧校準設備的響應時間和攪拌器旋轉間隔時間，并記錄攪拌角度、功率、場強測量數(shù)據(jù)。校準完場后得出一個完整的攪拌周期內的輸入功率、接收功率及每個軸向的最大場強值。

通過以上校準獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)IEC61000-4-21《均勻性測量數(shù)據(jù)處理方法》進行處理并得到結果，根據(jù)結果判斷電磁混響室是否滿足場均勻性要求。

3 電磁混響室自動校準系統(tǒng)

電磁混響室校準涉及到的儀器較多，信號發(fā)生器、功率計、天線等市購，光纖式場強傳感器、空間場強測量裝置采用自研。

3.1 8 探頭光纖式空間場強測量裝置設計

空間場強測量裝置包括傳感器(探頭部分、信號調理部分、數(shù)據(jù)采集A/D 轉換部分、傳感器CPU 部分、光電轉換和電光轉換部分、電池部分)、光纖線、數(shù)據(jù)接收處理單元(光電轉換和電光轉換部分、CPU部分、液晶顯示器、電源部分)、8 路數(shù)據(jù)接口集線器、計算機。單個傳感器原理示意圖如圖2所示，偶極振子為電磁波敏感部件，射頻感應信號通過肖特基晶體檢波器檢波后，經(jīng)高阻線至信號調理電路，對稱信號變成單端信號后進行調理，再對X，Y，Z 三路信號進行A/D 轉換，傳感器的CPU 讀取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理、編碼后通過電光轉換和光纖傳輸，來到數(shù)據(jù)接收處理單元(單個數(shù)據(jù)接收處理單元如圖3所示)，接收8 個傳感器的數(shù)據(jù)后進行處理、顯示，并通過8 路USB 集線器和串行接口與計算機通信，在計算機上顯示、存儲、打印。

圖2 單個傳感器原理示意圖

3.1.1 場強傳感器設計

為了避免對空間電磁場的擾動，場強傳感器尺寸應盡可能小，同時尺寸越小，對電磁場的結構分辨力就越強。

圖3 數(shù)據(jù)接收處理單元示意圖

1)振子設計

近場傳感器采用小電偶極子作為電磁場敏感部件，尺寸應盡可能小以減小對場的擾動。為避免在帶寬內自諧振效應，偶極子采用電阻加載方式，可提高振子上限頻率。X，Y，Z 三向偶極子采用斜式正交結構，兩兩振子均不在同一平面內，三向各向異性約為±0.5 dB?？臻g電磁場可表達為3 個正交分量的矢量和［4］:

三個正交偶極子的每一個偶極子感應信號幅度正比于X，Y，Z 分量中幅度平方，即

當三個偶極子完全一致時，kx=ky=kz，幅值與電場的指向無關，這種特性確保傳感器各向同性。

采用斜式正交設計三維傳感器偶極子。［5］偶極子根據(jù)需要，采用高阻線。采用高阻線頻率響應優(yōu)越，敏感度稍低。

2)檢波器的設計

采用肖特基晶體二極管檢波器。由于微波晶體檢波管體積極小，長約0.4 mm，寬約0.2 mm，耐高溫上限135℃，所以晶體檢波管必須焊接在對稱高阻振子之間，對稱振子中間間距為0.3 mm，普通焊錫熔點為150 ～200℃，因此普通的焊接無法實現(xiàn)，必須采用特殊制作工藝。由于高阻線對電磁波的吸收和散射較小，在檢波器和信號調理電路之間采用約20 cm 長的高阻線連接。

3.1.2 信號傳輸設計

在場強傳感器和空間場強監(jiān)測裝置之間的信號傳輸方式采用光纜傳輸方式。

通過光纖傳輸?shù)浇邮战庹{器，共16 路光纖傳輸數(shù)字信號，其中8 根光纖傳輸數(shù)據(jù)接收處理單元向傳感器發(fā)送的控制信號，8 根光纖傳輸傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)接收處理單元的數(shù)字信號。該數(shù)字信號含X，Y，Z 場強編碼信息。使用光纜傳輸，采用并行方式，測量速度大大提高;采用光纖傳輸，實現(xiàn)光電隔離，減小了對場的擾動。

3.1.3 場強傳感器A/D 轉換部分

單個場強傳感器中采用24 位A/D 轉換器，信號調理部分將X，Y，Z 三路信號中的小信號進行兩級放大，倍數(shù)為9，第一級運算放大器A，B 為差分放大，放大倍數(shù)為3，第二級運算放大器C 為跟隨器，第三級運算放大器D 為同相放大，倍數(shù)為3，小信號放大倍數(shù)為9，大信號放大倍數(shù)為3，以提高A/D 轉換精度，轉換電壓范圍為0.1 mV ～1.5 V，傳感器中的CPU 接收X，Y，Z 路A/D 轉換數(shù)據(jù)后進行編碼處理，存入相應的寄存器，CPU 接收發(fā)送數(shù)據(jù)信號后，通過電光轉換器發(fā)送數(shù)據(jù)，單個傳感器數(shù)據(jù)從采集傳輸?shù)紻AC 輸出時間應小于50 ms。

信號調理部分的電路X 通道如圖4所示。圖4 中，運算放大器A，B，C 構成儀用放大器，已形成集成電路芯片，美國AD 公司已于近年投放市場。儀用放大器將差分信號轉變?yōu)閱味诵盘?，并具有信號放大作用，運算放大器D 將0.1 ～10 mV 的信號再放大3 倍，即0.1 ～10 mV 信號放大9 倍，10 mV ～1.5 V 信號放大3倍，由CPU 識別。

圖4 信號調理部分電路(X 通道)

3.1.4 單片機設計［5］

為滿足測量需要，系統(tǒng)硬件需滿足數(shù)據(jù)采集、控制、通信、處理、存儲等要求。

系統(tǒng)單片機包括主機(數(shù)據(jù)接收處理單元)和從機(傳感器部分)，其核心是CPU。從機CPU 為89C52，主要由CPU 的RXD 接口接收主機的串行控制信號，并將其譯碼。晶振頻率為12 MHz。主機CPU 為89C55 芯片，其片內帶有20 kB 的EEPROM，其功耗低，正常運行電流約為20 mA(5 V)。晶振頻率為12 MHz。

CPU 外圍電路有復位電路、時鐘電路等，主機部分還有顯示電路。

3.1.5 數(shù)據(jù)接收處理單元

數(shù)據(jù)接收處理單元接收8 個傳感器發(fā)送的X，Y，Z 信號編碼信息進行解碼，得到每個傳感器的X，Y，Z 信號，進行信號處理、變換，得到每個傳感器的X，Y，Z 場強和綜合場強值，數(shù)字編碼信號在主機CPU 中解碼。

3.1.6 數(shù)據(jù)集線器和串行接口

8 路串行數(shù)據(jù)集線器通過接口和計算機通信，將8路數(shù)據(jù)采集傳送到計算機，計算機進行分析處理。

3.1.7 傳感器部分程序設計

傳感器部分程序包括:初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序(A/D 轉換)、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)編碼程序、數(shù)據(jù)通信程序等，采用模塊化設計，流程圖如圖5所示。

圖5 流程圖

3.2 空間電場均勻性測量系統(tǒng)程序設計

選用了VB6.0 編程語言編程。VB6.0 是可運行于Windows XP 平臺上的可視化交互式集成開發(fā)環(huán)境，VB6.0 是面向對象的集程序界面設計、代碼編輯、編譯、連接和調試等功能于一體的開發(fā)工具。作為一種通用且功能強大的編程語言，應用廣泛。場均勻性測量系統(tǒng)軟件原理如圖6，圖7 為整個程序設計的控制圖。

校準程序經(jīng)過必要的編程，與儀器設備一起調試后，經(jīng)過反復試驗驗證便可開始實施校準。通過自動校準，電磁混響室工作區(qū)8 個頂點位置場強同時進行測量、存儲、處理，每個攪拌角度采用掃頻方式自動校準，數(shù)據(jù)自動計算處理，工作效率至少提高3 倍以上。由于混響室頻段寬(80 MHz ～18 GHz)，電磁場發(fā)射天線必須分頻段實施，至少要分兩個頻段:80 MHz ～1 GHz 和1 ～18 GHz(分頻段校準還要取決于功率放大器頻段)。

圖6 場均勻性測量系統(tǒng)軟件模塊原理圖

圖7 混響室校準電場均勻性自動校準軟件控制圖

4 結束語

空間場均勻性校準是電磁混響室性能校準的最重要參數(shù)，采用離散步進方式校準。在實際校準過程中，由于校準頻帶寬、校準步長多、空間點位多，因此校準數(shù)據(jù)處理量非常大。通過自動均勻性校準裝置的研制，采用自動校準提高工作效率達3 倍以上，降低勞動強度，減少不確定因素。8 探頭空間場強測量裝置采用多探頭、空間全向、光纖傳輸測量方式，頻率范圍為10 MHz ～18 GHz，幅度測量范圍為0.5 ～200 V/m，頻率響應允許誤差在10 MHz ～3 GHz 頻段為±1.5 dB，3 GHz以上為±2 dB，填補了國內寬頻帶輻射場強測量儀空白，其應用前景廣闊。

［1］張林昌.混響室及其進展:上［J］.安全與電磁兼容，2001(4):2-8.

［2］張林昌.混響室及其進展:下［J］.安全與電磁兼容，2002(1):11-13.

［3］王曉偉，朱云.混響室校準及輻射抗擾度測試［J］.電聲技術，2006(8):69-73.

［4］朱傳煥.電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.計測技術.2005，25(1):12-15.

［5］朱傳煥.多通道智能場強計的研制［J］.航空計測技術，1999，19(3):32-34.