劉 巍，劉 建，溫建龍

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

0 引言

測(cè)量不確定度是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室重要的參數(shù)。在CISPR16-4-2中對(duì)測(cè)量不確定度的評(píng)定有詳細(xì)的描述，在2011年以前的版本中，輻射騷擾測(cè)量不確定度的影響因素中并沒(méi)有考慮試驗(yàn)桌，隨著對(duì)測(cè)量結(jié)果可靠性要求越來(lái)越高，任何可能影響測(cè)量結(jié)果的因素都應(yīng)予以考慮，所以2011年以后的版本中都增加了試驗(yàn)桌材料的影響因子。那么，如何評(píng)定試驗(yàn)桌的影響呢？在GB/T 6113.104里面有詳細(xì)的流程，我們可以按照標(biāo)準(zhǔn)里面的規(guī)定對(duì)自己實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)桌進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。

1 試驗(yàn)桌影響評(píng)估方法

基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6113.104在第5.5章節(jié)中描述了試驗(yàn)桌影響的評(píng)估流程，并對(duì)發(fā)射天線做了規(guī)定，對(duì)于1 GHz以下的頻率，應(yīng)在試驗(yàn)桌上放置總長(zhǎng)度小于0.4 m的小雙錐天線，對(duì)于1 GHz以上的頻率，應(yīng)使用GB/T6113.104中8.3.31條款規(guī)定的天線（如寬帶偶極子）。

試驗(yàn)桌應(yīng)放置在試驗(yàn)場(chǎng)地的典型位置上，其最大尺寸（即矩形試驗(yàn)桌的對(duì)角線，或圓形試驗(yàn)桌的半徑）應(yīng)面向接收天線方向，如圖1所示。

發(fā)射天線放置時(shí)，其水平極化天線參考點(diǎn)與試驗(yàn)桌表面之間的距離為0.1 m，而且發(fā)射天線的參考點(diǎn)處于接收天線軸線上試驗(yàn)桌中心與試驗(yàn)桌邊角之間的中點(diǎn)之上，如圖1和圖2所示，同時(shí)要保證發(fā)射天線和接收天線的測(cè)量軸位于同一條直線上且振子互相平行。

圖1 矩形試驗(yàn)桌上天線相對(duì)于試驗(yàn)桌邊緣的位置（俯視圖）示意圖

圖2 試驗(yàn)桌上天線的位置（側(cè)視）示意圖

為了確保除有/無(wú)試驗(yàn)桌之外測(cè)量布置無(wú)任何變化，發(fā)射天線以及信號(hào)發(fā)生器相連的電纜在空間中的位置應(yīng)始終保持相同，也就是說(shuō)測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避免移動(dòng)除了試驗(yàn)桌以外的其他設(shè)備。

在試驗(yàn)場(chǎng)地布置好之后，開(kāi)始測(cè)量流程：

首先，信號(hào)源頻率的步進(jìn)應(yīng)小于或等于所使用的最高頻率的0.5%，同時(shí)天線接收到的電壓電平應(yīng)至少高于測(cè)量設(shè)備的噪聲電平20 dB。

然后，接收天線和發(fā)射天線之間的距離要與輻射騷擾測(cè)量要求的距離相同，3 m或10 m。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對(duì)于頻率低于200 MHz的電磁波，試驗(yàn)桌的影響忽略不計(jì)，所以評(píng)估開(kāi)始頻率是200 MHz。

接收天線應(yīng)按輻射騷擾測(cè)量要求的高度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，也就是1 m升到4 m，步進(jìn)1 m。

將有試驗(yàn)桌和無(wú)試驗(yàn)桌兩種配置按照流程各測(cè)一遍，然后記錄下每個(gè)高度時(shí)所有頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)，最后從每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的4個(gè)高度的數(shù)據(jù)中找出最大值并記錄下來(lái)。

測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程如下：

在每一個(gè)頻率步進(jìn)，兩次測(cè)量結(jié)果之差值△（f）（單位dB）可由下式計(jì)算得到

式中，Vr，有（f）為有試驗(yàn)桌時(shí)在特定頻率測(cè)得的最大電壓，單位為分貝（微伏）[dB（μV）]；Vr，無(wú)（f）為無(wú)試驗(yàn)桌時(shí)在特定頻率測(cè)得的最大電壓，單位為分貝（微伏）[dB（μV）]。

整個(gè)頻率范圍內(nèi)的最大差值△max（單位dB）可作為評(píng)估時(shí)的最大偏差。

由試驗(yàn)桌引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u試驗(yàn)桌可由測(cè)得的最大差值來(lái)進(jìn)行評(píng)估，并假設(shè)其符合矩形分布。因此u試驗(yàn)桌可由下式計(jì)算得到

如此，試驗(yàn)桌的整個(gè)評(píng)估過(guò)程結(jié)束。

2 相對(duì)介電常數(shù)的影響

介電常數(shù)反映的是介質(zhì)的極化特性，屬于物質(zhì)的三個(gè)基本電磁參數(shù)之一。介電性能參數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實(shí)數(shù)部分稱(chēng)介電常數(shù)，虛數(shù)部分稱(chēng)損耗因子，損耗角的正切值tanθ表示材料與微波的耦合能力（是損耗因子與介電常數(shù)之比），損耗正切值越大，表明材料與微波的耦合能力越強(qiáng)。介電常數(shù)ε=ε0εr，其中真空中的介電常數(shù)ε0也叫絕對(duì)介電常數(shù)，是一個(gè)物理常量，約等于8.8×10-12（F/m）；εr通常稱(chēng)為相對(duì)介電常數(shù)，無(wú)量綱，真空的相對(duì)介電常數(shù)等于1。已知本實(shí)驗(yàn)室的聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)為1.05。

為了分析不同相對(duì)介電常數(shù)材料的試驗(yàn)桌造成的影響，我們利用HFSS仿真軟件通過(guò)計(jì)算來(lái)分析。首先建立了對(duì)稱(chēng)陣子天線的模型，工作頻率850 MHz，如圖3所示；將天線放置在高1.1 m，長(zhǎng)1.7 m，寬1.2 m的真空盒子中，運(yùn)行仿真程序，我們得到天線的H面輻射方向圖，天線增益基本在2 dB至3 dB之間，如圖4所示；然后建立了聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌的模型，高0.8 m，長(zhǎng)1.5 m，寬1 m，相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為1.05，如圖5所示。將對(duì)稱(chēng)陣子天線按照第一部分描述的方式配置，運(yùn)行仿真程序，因?yàn)樵囼?yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)與真空的相對(duì)介電常數(shù)相差無(wú)幾，所以我們可以看到此時(shí)天線的方向圖和剛才得到的方向圖變化不是特別大，如圖6所示，同時(shí)還可以查看一下電場(chǎng)在試驗(yàn)桌表面和內(nèi)部的分布情況，如圖7和圖8所示，從圖中可以看出，在試驗(yàn)桌表面，電磁場(chǎng)按照天線的E面輻射方向圖分布，在天線的H面內(nèi)，電磁場(chǎng)基本是球面波。

圖3 對(duì)稱(chēng)陣子天線示意圖

圖4 對(duì)稱(chēng)陣子天線H面輻射方向圖

圖5 聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌示意圖

圖6 相對(duì)介電常數(shù)為1.05時(shí)，天線H面輻射方向圖

圖7 相對(duì)介電常數(shù)為1.05時(shí)，試驗(yàn)桌表面電場(chǎng)分布

圖8 相對(duì)介電常數(shù)為1.05時(shí)，試驗(yàn)桌內(nèi)部電場(chǎng)分布

如果我們改變?cè)囼?yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)，再來(lái)看看天線的方向圖如何變化。將相對(duì)介電常數(shù)改為2.5，運(yùn)行仿真程序，此時(shí)得到圖9、圖10和圖11。天線H面輻射方向圖跟原來(lái)的方向圖就有很大的差別，天線增益在-9 dB至6 dB之間，而且起伏比較大，形成了幾個(gè)沒(méi)有主次的波瓣。再來(lái)看電磁場(chǎng)分布情況，在試驗(yàn)桌表面以及天線H面內(nèi)，電磁場(chǎng)的分布已經(jīng)不是理想的形狀。

從HFSS仿真的結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)越小，對(duì)天線輻射的影響也就越小。

圖9 相對(duì)介電常數(shù)為2.5時(shí)，天線H面輻射方向圖

圖11 相對(duì)介電常數(shù)為2.5時(shí)，試驗(yàn)桌內(nèi)部電場(chǎng)分布

3 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)分析

聚苯乙烯（Polystyrene，縮寫(xiě)PS）是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基加聚反應(yīng)合成的聚合物，是一種無(wú)明顯極性的材料，損耗角正切值小于0.005，并且不受頻率和環(huán)境溫度、濕度變化的影響，是優(yōu)異電絕緣材料，其相對(duì)介電常數(shù)一般為2.6。聚苯乙烯（PS）有多種制作工藝，包括普通聚苯乙烯，發(fā)泡聚苯乙烯（EPS），高抗沖聚苯乙烯（HIPS）及間規(guī)聚苯乙烯（SPS）。發(fā)泡聚苯乙烯（EPS ）的相對(duì)介電常數(shù)可以做的很低，且不隨頻率變化，如本實(shí)驗(yàn)室的聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌，廠家提供的數(shù)據(jù)就達(dá)到了1.05。

相對(duì)于聚苯乙烯材料的單一結(jié)構(gòu)，木材的來(lái)源是在自然界生長(zhǎng)的樹(shù)木，木材的質(zhì)地會(huì)因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響而有不同紋理，樹(shù)木制成木材時(shí)紋理又分為徑向、弦向和順紋三種，同一顆樹(shù)的徑向、弦向和順紋具有不同的相對(duì)介電常數(shù)，順紋的相對(duì)介電常數(shù)大于徑向和弦向，徑向相對(duì)介電常數(shù)略大于弦向。另外，木材的含水率、密度、厚度等因素也會(huì)影響其相對(duì)介電常數(shù)，含水率越高，相對(duì)介電常數(shù)也就越大。

將試驗(yàn)桌和發(fā)射天線按照標(biāo)準(zhǔn)要求放置好，如圖12所示，配置的難度在于如何將發(fā)射天線和接收天線軸線對(duì)齊，天線振子互相平行，尤其是高頻喇叭天線的主瓣寬度較窄，很容易對(duì)不齊。

等場(chǎng)地布置好以后，按照第一部分描述的流程開(kāi)始測(cè)量。受限于天線的性能，整個(gè)測(cè)量頻率分成兩段，200 MHz-1000 MHz和1 GHz-6 GHz，其 中200 MHz-1000 MHz的測(cè)量又細(xì)分為10 m處和3 m處，所得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖13-圖15，紅色菱形為聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌的數(shù)據(jù)，藍(lán)色三角形為木質(zhì)試驗(yàn)桌的數(shù)據(jù)。

對(duì)于泡沫試驗(yàn)桌，從這三組數(shù)據(jù)中可以看出，10 m處低頻的數(shù)據(jù)偏差比較小，3 m處高頻的數(shù)據(jù)偏差最大，造成這種現(xiàn)象的原因除了試驗(yàn)桌本身影響外，還有擺放精準(zhǔn)度和測(cè)試距離的因素，距離發(fā)射源越遠(yuǎn)、發(fā)射天線波瓣角度越大，電磁波越接近平面波，所以測(cè)量距離遠(yuǎn)的時(shí)候?qū)[放精度不如距離近時(shí)要求那么高。

對(duì)于木質(zhì)試驗(yàn)桌，10 m處低頻的偏差比泡沫試驗(yàn)桌大，3 m處低頻的偏差跟泡沫桌差不多，3 m處高頻的偏差比泡沫試驗(yàn)桌大，個(gè)別頻點(diǎn)偏差特別大，考慮到木質(zhì)試驗(yàn)桌的厚度只有泡沫桌的三分之一，同等條件下，木質(zhì)桌應(yīng)該會(huì)更差。

下面是按照式（2）從三組測(cè)量數(shù)據(jù)獲得的最大偏差值：

圖12 試驗(yàn)桌影響評(píng)估配置示意圖

圖13 兩種試驗(yàn)桌10 m處最大偏差（200 MHz-1000 MHz）

圖14 兩種試驗(yàn)桌3 m處最大偏差（200 MHz-1000 MHz）

圖15 兩種試驗(yàn)桌3 m處最大偏差（1 GHz-6 GHz）

由上面的三個(gè)最大偏差值，我們可以根據(jù)式（3）得到試驗(yàn)桌對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度值

200 MHz–1 GHz （10 m處泡沫桌）

200 MHz–1 GHz （3 m處泡沫桌）

1 GHz–6 GHz （3 m處泡沫桌）

200 MHz–1 GHz （10 m處木質(zhì)桌）

200 MHz–1 GHz （3 m處木質(zhì)桌）

1 GHz–6 GHz （3 m處木質(zhì)桌）

總體而言，泡沫桌的性能要優(yōu)于木質(zhì)桌。

4 結(jié)束語(yǔ)

我們可以看到木質(zhì)試驗(yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)受制于木材的紋理、含水率和密度，使得木質(zhì)試驗(yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)不具有一致性，即使是同一塊木材制成的試驗(yàn)桌也是不一樣的，而聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌是工業(yè)化的產(chǎn)物，利用相關(guān)的制作工藝能夠保證聚苯乙烯試驗(yàn)桌的質(zhì)地保持一致，相對(duì)介電常數(shù)可以做到一致性，所以聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前，通用EMC標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確規(guī)定試驗(yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)的取值范圍，但是如果各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)桌的相對(duì)介電常數(shù)趨于一致的話，相對(duì)介電常數(shù)也不必最小，就能減小造成實(shí)驗(yàn)室比對(duì)數(shù)據(jù)差異的一個(gè)影響因子，這個(gè)是木質(zhì)試驗(yàn)桌無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然，聚苯乙烯泡沫試驗(yàn)桌的價(jià)格也是一個(gè)不得不考慮的因素，相對(duì)木質(zhì)試驗(yàn)桌，聚苯乙烯試驗(yàn)桌的價(jià)格是其價(jià)格的好幾倍甚至十幾倍，在試驗(yàn)過(guò)程中除了性能的考量，還要考慮經(jīng)濟(jì)效益，所以各個(gè)實(shí)驗(yàn)室可以根據(jù)自己的需求來(lái)選擇適合自己的試驗(yàn)桌。