摘 要：為解決工程中超小型、高屏效金屬盒體的屏蔽效能測(cè)量問(wèn)題，測(cè)試天線必須具備尺寸小、頻帶寬以及輻射強(qiáng)度高的特點(diǎn)。使用HFSS對(duì)天線尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，采用雙錐和套筒結(jié)構(gòu)分別覆蓋100 MHz~2 GHz和2~5 GHz兩個(gè)頻段，由該天線所構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍比早期的球形偶極子天線提高了50 dB左右。最后對(duì)3種不同的機(jī)箱狀態(tài)在半電波暗室中進(jìn)行了屏蔽效能測(cè)試，試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)為今后的機(jī)箱屏蔽設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超小型;機(jī)箱;屏蔽效能;寬帶天線

中圖分類(lèi)號(hào)：TN820.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1614703

Technology of the Shielding Performance Measurement of Microminiature Metallic Cabinets

WANG Kun

(Xi′an Missile Equipment Military Representative Office of Navy，Xi′an，710065，China)

Abstract： In order to solve the shielding performance of microminiature metallic cabinets，the antenna should be have with minimized size，broad band and high eradiation ability.In this paper，HFSS from Ansoft software corporation is used to design and optimize the antenna，then the biconical and the cylinder shaped antenna are chosen to cover the band from 100 MHz~2 GHz and the band from 2~5 GHz.The measuring system composed of the new antennas expand its dynamic speciality 50dB more than the spherical dipole antenna used before.At last，3 instances of different chassis are tested in the EMC laboratory，the data obtained provide some valuable gist for future design of chassis of embedded aerospace computer.

Keywords：microminiature;cabinet;shielding performance;broad band antenna

屏蔽，尤其是電磁屏蔽是提高電子設(shè)備電磁兼容性能的重要措施之一。MilStd461E^［1］規(guī)定，美軍所采購(gòu)的各種電子設(shè)備必須進(jìn)行RE102（輻射發(fā)射）和RS103（輻射敏感度）2項(xiàng)測(cè)試，雖然該標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有對(duì)機(jī)箱的屏蔽效能提出明確要求，但機(jī)箱電磁屏蔽性能的優(yōu)劣，將直接影響這兩項(xiàng)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)電磁屏蔽效能的定義，機(jī)箱的電磁屏蔽效能可以定義為在同一電磁環(huán)境中，空間同一點(diǎn)在屏蔽前(電場(chǎng)強(qiáng)度為E0)和屏蔽后(電場(chǎng)強(qiáng)度為E1)空間場(chǎng)強(qiáng)的比值，該數(shù)值通常用分貝(dB)表示，屏蔽效能的計(jì)算公式如式(1)所示。SEdB=20lg(E0/E1)(1) 理想屏蔽體在工程中不存在。由于電源線、信號(hào)線的穿入穿出以及散熱等因素需要在面板上開(kāi)孔，屏蔽效能將會(huì)顯著下降。關(guān)于各種穿孔金屬板的屏效計(jì)算，國(guó)內(nèi)外資料給出的計(jì)算公式差異較大，公式(2)在工程中使用較多.\\。但迄今為止，并沒(méi)有哪個(gè)公式得到普遍認(rèn)可。SE=Aα+Rα+Bα+K<1+K2+K3(2) 由于計(jì)算方法上的不成熟，在實(shí)踐研究中發(fā)現(xiàn)，不僅不同屏蔽計(jì)算公式所得出的數(shù)值不同，即使同一公式在不同算例中得出的結(jié)果也存在較大的差異。正如美國(guó)肯塔基大學(xué)的C.R.Paul教授所言^［3］：“對(duì)于最后的成功驗(yàn)證，也許沒(méi)有任何其他領(lǐng)域像電磁兼容那樣強(qiáng)烈地依賴(lài)于測(cè)量。”因此實(shí)際屏蔽體的屏蔽效能的測(cè)量是工程實(shí)踐中必須解決的一個(gè)問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)外的研究背景

根據(jù)IEC 615873^［4］（草案）（第三部分：IEC 60917和IEC 60297系列機(jī)箱、機(jī)柜和插箱屏蔽性能試驗(yàn)）的描述，19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜屏蔽效能的測(cè)量可以在開(kāi)闊場(chǎng)地或半電波暗室內(nèi)進(jìn)行。測(cè)量頻率范圍為30 MHz～1 GHz，該標(biāo)準(zhǔn)給出的屏蔽指標(biāo)見(jiàn)表1。

國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)也對(duì)電子機(jī)柜的屏蔽性能給出了要求，詳見(jiàn)表2。

此外，MILSTD285和NSA656也給出了相應(yīng)的屏蔽效能測(cè)試方法。

但遺憾的是，以上各標(biāo)準(zhǔn)均沒(méi)有給出完成測(cè)試所需的關(guān)鍵部件-天線的具體要求，如種類(lèi)、尺寸、頻帶、駐波比等。搜索國(guó)內(nèi)外天線研制單位或供應(yīng)商，也沒(méi)有合適的成品可以直接采購(gòu)，需要自行研制。

表1 IEC 615873的機(jī)柜屏蔽效能指標(biāo)

性能

級(jí)別平面波最低屏效30～230 MHz230～1 000 MHz120 dB10 dB240 dB30 dB360 dB50 dB

表2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)箱屏蔽效能的要求

類(lèi)別屏效頻率范圍一類(lèi)屏蔽>40～60 dB根據(jù)需要二類(lèi)屏蔽>30～40 dB根據(jù)需要

前期，研究小組采用純銅制造了直徑為Φ180的球形偶極子天線。該天線的輻射體主要由2個(gè)半球銅殼構(gòu)成，內(nèi)部采用干電池供電方式，其輻射能力較為有限，30 MHz～1 GHz頻段輻射強(qiáng)度處于40～50 dBμV之間，個(gè)別頻點(diǎn)甚至低于40 dBμV。參照IEC 615873屏蔽指標(biāo)，測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍至少需要大于60 dB，并不能滿足最高測(cè)試要求，需要重新設(shè)計(jì)寬帶天線。需要指出的是，按航天電磁兼容試驗(yàn)要求，測(cè)試距離為Mil_Std461E規(guī)定的1 m，而IEC 615873給出的測(cè)試距離為3 m。

2 小型金屬盒體的屏效測(cè)試要求

2.1 頻率

根據(jù)Mil_Std461E中關(guān)于RE102的頻段要求，測(cè)試頻率上限應(yīng)為EUT最高工作頻率的10倍頻或1 GHz（取大值），但最高不超過(guò)18 GHz。

2.2 尺寸

典型的金屬機(jī)箱內(nèi)部尺寸通常不大于210 mm×180 mm×180 mm，考慮天線的安裝間隙、電纜延伸、極化方向調(diào)整等因素，放置在機(jī)箱內(nèi)部的寬帶天線最大尺寸以不超過(guò)160 mm為宜。

2.3 駐波比

為了提高天線輻射效能并防止在測(cè)試過(guò)程中因能量反射而損壞功率放大器等設(shè)備，必須對(duì)測(cè)試頻段內(nèi)天線的駐波比提出要求。研究小組最后確定在100 MHz～4.5 GHz范圍內(nèi)，駐波比不大于4。個(gè)別頻段不能滿足時(shí)，可采用匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 輻射強(qiáng)度

在功率放大器許可的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍越大越好，至少高于80 dB。

2.5 測(cè)試系統(tǒng)

擬采用標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容暗室和EMC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。要求天線能與EMC測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)天線接口兼容。

3 小型化寬帶天線的設(shè)計(jì)

3.1 寬帶天線設(shè)計(jì)方法

小型化寬帶天線的設(shè)計(jì)技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 采用機(jī)電結(jié)合方法，精心設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)，使之適應(yīng)寬頻帶工作。這種方法由于是機(jī)械伸縮，因而應(yīng)用范圍受到一定限制。

(2) 利用插入阻抗元件或網(wǎng)絡(luò)展寬天線的工作帶寬。這種方式稱(chēng)為天線加載。加載元件可以是有源的或是無(wú)源的，可以是分布參數(shù)元件，也可以是集總參數(shù)元件。

(3) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的寬帶振子天線及錐形天線。錐角大的雙錐天線，或由它演變而成的盤(pán)錐天線，屬于寬帶天線之列，獲得了廣泛的應(yīng)用。

(4) 寬頻帶行波天線系列。某些行波天線具有寬頻帶特性的原因就在于，天線完成將導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)換為自由電磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程是一次性的，即沒(méi)有反射波返回電源端而形成多次循環(huán)的過(guò)程。

考慮到在實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，必須選擇形式簡(jiǎn)單、易于加工、方便實(shí)用且造價(jià)低廉的全向天線，雙錐天線(見(jiàn)圖1)和套筒單極子天線就具有這樣的特點(diǎn)，它們是振子天線的變形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分別具有水平極化和垂直極化的特性，比較適合于該種測(cè)量應(yīng)用。

圖1 雙錐天線示意圖3.2 雙錐天線

根據(jù)天線設(shè)計(jì)理論，推導(dǎo)可得無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線的輸入阻抗為：Zin=Z0=120Ln(ctanθ02)(3) 根據(jù)計(jì)算可見(jiàn)，當(dāng)θ0在30°附近時(shí)能與50 Ω同軸線達(dá)到良好的匹配。由于受到尺寸限制，考慮到天線的固定、安裝需要占用空間，實(shí)際的雙錐部分要比該尺寸還要小，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)限定條件進(jìn)一步減小尺寸。最后優(yōu)化所得天線參數(shù)為：?jiǎn)五F高為45 mm，錐頂直徑為55 mm的雙錐天線，此時(shí)半錐角為31.4°，對(duì)應(yīng)的無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線輸入阻抗為59.2 Ω。

采用Ansoft公司的HFSS計(jì)算該天線的駐波比。圖2顯示：該天線僅在400 MHz~2.5 GHz頻段內(nèi)可以滿足駐波比小于4的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)頻率降低時(shí)，駐波比急劇上升，這是由于天線在低頻段電尺寸較小，頂端反射電流較大的緣故，低頻段(<400 MHz)需要進(jìn)行阻抗匹配。

圖2 HFSS仿真所得雙錐天線駐波比曲線圖3和圖4分別給出該天線在500 MHz和2 000 MHz時(shí)天線E面的方向圖，可見(jiàn)在整個(gè)頻帶內(nèi)方向圖的一致性保持的非常好。

圖3 500 MHz時(shí)天線E面方向圖按照計(jì)算結(jié)果，天線材料選用鋁，錐頂鏤空一小段以減小電流的反射，兩錐固定于開(kāi)口的介質(zhì)方塊上，采用50 Ω同軸電纜饋電。制作完成后用AV1481c型微波毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了天線設(shè)計(jì)的要求。

圖4 2 500 MHz時(shí)天線E面方向圖3.3 套筒天線

套筒天線是在粗振子外面加加上一個(gè)與之同軸的金屬套筒，采用同軸不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行饋電，可以起到類(lèi)似電路中的參差調(diào)諧的作用，能夠?qū)㈩l帶展寬。圖5所示為套筒單極子天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

4 試驗(yàn)測(cè)試

設(shè)計(jì)完成后，制作了天線樣件并在某標(biāo)準(zhǔn)EMC試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行以下測(cè)試：

(1) 機(jī)箱表面分別鍍覆A，B，C三種涂層的屏蔽效能對(duì)比；

圖5 套筒天線結(jié)構(gòu)示意圖(2) 使用某導(dǎo)電襯墊前后的機(jī)箱屏蔽效能對(duì)比；

(3) 三種不同螺釘間距的機(jī)箱屏蔽效能對(duì)比。

試驗(yàn)頻率的切換采用手動(dòng)方式進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6~圖10。

圖6 鍍層A，B的屏效對(duì)比圖7 鍍層A，C的屏效對(duì)比圖8 加裝導(dǎo)電襯墊前后的屏效對(duì)比圖9 螺釘間距21 mm與63 mm的屏效對(duì)比圖10 螺釘間距63 mm與126 mm的屏效對(duì)比5 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：由新研制的寬帶天線所構(gòu)成的機(jī)箱屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍大于100 dB，完全滿足小型金屬盒體屏蔽效能的測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研究指標(biāo)。鍍層A，C的屏蔽效能相當(dāng)，但鍍層C的成本只有A的1/10左右，而且C與有機(jī)涂料的結(jié)合力更強(qiáng)，更適用于大批量生產(chǎn)；在鍍覆鍍層C的機(jī)箱縫隙處加裝導(dǎo)電襯墊效果并不明顯，考慮產(chǎn)品需要長(zhǎng)期貯存和成本等因素，不建議在設(shè)計(jì)中選用該導(dǎo)電襯墊；螺釘間距<63 mm就可滿足一般超小型金屬盒體的屏蔽設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中尺寸優(yōu)選50 mm。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 王 堃 男，1983年出生，助理工程師。研究方向?yàn)檐娪糜?jì)算機(jī)產(chǎn)品軍檢驗(yàn)收和質(zhì)量監(jiān)督。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文