朱傳煥，張恒萍

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電氣、電子設(shè)備已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，電氣、電子設(shè)備間的電磁兼容問題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。電氣、電子設(shè)備進(jìn)行輻射敏感度和抗擾度的測(cè)試場(chǎng)地有很多，如電波半暗室、橫電磁波小室、開闊試驗(yàn)場(chǎng)等，而近些年迅速發(fā)展起來(lái)的電磁混響室是電磁兼容性能測(cè)試的重要場(chǎng)地［1-2］。在具有極高品質(zhì)因素的電磁混響室內(nèi)，發(fā)射天線在較小的輸入功率下能產(chǎn)生高達(dá)上百伏每米的場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)電磁混響室內(nèi)有效工作區(qū)內(nèi)功率密度矢量(幅度、相位、極化等)變化符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

描述電磁混響室的性能參數(shù)主要有空間電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻性、攪拌效率、插入損耗、空間相關(guān)函數(shù)、負(fù)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(nèi)的空間電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻性直接影響電子設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)質(zhì)量，因此電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻性是電磁混響室性能校準(zhǔn)和設(shè)備試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)。配備機(jī)械攪拌器的電磁混響室有兩種工作模式:離散步進(jìn)方式和連續(xù)激勵(lì)方式。由于連續(xù)激勵(lì)方式下攪拌器連續(xù)激勵(lì)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速較快，對(duì)校準(zhǔn)或測(cè)試所用儀器和設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間有較高要求。通常情況下，電磁混響室校準(zhǔn)采用離散步進(jìn)方式。在離散步進(jìn)方式下，電磁混響室校準(zhǔn)頻點(diǎn)、攪拌器旋轉(zhuǎn)步數(shù)較多，同時(shí)攪拌器旋轉(zhuǎn)步數(shù)間隔要求足夠長(zhǎng)，以保證電磁混響室腔室內(nèi)有效工作區(qū)得到穩(wěn)定、具有符合標(biāo)準(zhǔn)要求統(tǒng)計(jì)均勻性的電磁場(chǎng)，同時(shí)兼顧儀器設(shè)備響應(yīng)時(shí)間等因素，其結(jié)果使得電磁混響室電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻性校準(zhǔn)耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此研制頻段寬、準(zhǔn)確度高、通用、快捷的電磁混響室電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻性校準(zhǔn)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(gòu)成。在電磁混響室金屬腔體內(nèi)，發(fā)射天線將射頻功率輻射出去，電磁混響室的金屬內(nèi)壁及攪拌器多次反射電磁波，在腔室內(nèi)形成復(fù)雜的駐波，電磁場(chǎng)中具有大量模數(shù)的高階波。由于金屬內(nèi)壁的反射致使某一點(diǎn)的幅度和相位不同，同時(shí)旋轉(zhuǎn)攪拌器的不同狀態(tài)改變了電磁混響室內(nèi)部電磁場(chǎng)邊界條件，在腔體內(nèi)形成了具有較好的空間統(tǒng)計(jì)均勻性、各向同性和極化方向任意的電磁場(chǎng)。電磁混響室內(nèi)攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)，電子設(shè)備處于一個(gè)功率密度矢量(幅度、相位、極化等)符合統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律不斷變化的電磁場(chǎng)中，接受輻射抗擾度和敏感度性能考核［3］。

具有高品質(zhì)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(shí)，電磁混響室內(nèi)可以產(chǎn)生諧振，并在空間形成駐波，場(chǎng)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(shí)，其激勵(lì)的模數(shù)較多，電磁混響室內(nèi)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(dú)立，形成了獨(dú)立的場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)，從而得到了較好均勻性的空間場(chǎng)分布。在電磁混響室內(nèi)電磁場(chǎng)具有隨機(jī)性，進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試和校準(zhǔn)宜采用統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 校準(zhǔn)儀器配置和校準(zhǔn)方法

圖1 為電磁混響室校準(zhǔn)的儀器配置圖，主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、雙通道功率計(jì)、雙定向耦合器、場(chǎng)強(qiáng)傳感器、空間場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)裝置、發(fā)射天線、接收天線、計(jì)算機(jī)等組成。圖中信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)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(jì)及雙定向耦合器準(zhǔn)確測(cè)量;接收天線接收到的信號(hào)功率用功率計(jì)測(cè)量;8 個(gè)各向同性一致的場(chǎng)強(qiáng)傳感器用于測(cè)量采集工作區(qū)的三向電場(chǎng)強(qiáng)度分量，獲得的信號(hào)經(jīng)光纖連接到空間場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置上;信號(hào)發(fā)生器、功率計(jì)通過GPIB總線與計(jì)算機(jī)相連，空間場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置通過RS232 串行接口與計(jì)算機(jī)連接;計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)處理以及有關(guān)儀器設(shè)備的控制。

圖1 電磁混響室校準(zhǔn)的儀器配置圖

在空腔狀態(tài)下，采用離散步進(jìn)方式對(duì)場(chǎng)均勻性進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)前，根據(jù)腔室大小測(cè)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(gè)場(chǎng)強(qiáng)傳感器(場(chǎng)強(qiáng)探頭)安放在工作區(qū)8 個(gè)頂點(diǎn)校準(zhǔn)位置。校準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)測(cè)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(chǎng)分量，在一個(gè)攪拌周期內(nèi)，每個(gè)攪拌器位置采用頻率掃描方式確定，同時(shí)每個(gè)頻率下駐留時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，每個(gè)頻點(diǎn)的停留時(shí)間不少于1 s，還需兼顧校準(zhǔn)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間和攪拌器旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間，并記錄攪拌角度、功率、場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)完場(chǎng)后得出一個(gè)完整的攪拌周期內(nèi)的輸入功率、接收功率及每個(gè)軸向的最大場(chǎng)強(qiáng)值。

通過以上校準(zhǔn)獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)IEC61000-4-21《均勻性測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法》進(jìn)行處理并得到結(jié)果，根據(jù)結(jié)果判斷電磁混響室是否滿足場(chǎng)均勻性要求。

3 電磁混響室自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

電磁混響室校準(zhǔn)涉及到的儀器較多，信號(hào)發(fā)生器、功率計(jì)、天線等市購(gòu)，光纖式場(chǎng)強(qiáng)傳感器、空間場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置采用自研。

3.1 8 探頭光纖式空間場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

空間場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置包括傳感器(探頭部分、信號(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集A/D 轉(zhuǎn)換部分、傳感器CPU 部分、光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換部分、電池部分)、光纖線、數(shù)據(jù)接收處理單元(光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)。單個(gè)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(yīng)信號(hào)通過肖特基晶體檢波器檢波后，經(jīng)高阻線至信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)稱信號(hào)變成單端信號(hào)后進(jìn)行調(diào)理，再對(duì)X，Y，Z 三路信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，傳感器的CPU 讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、編碼后通過電光轉(zhuǎn)換和光纖傳輸，來(lái)到數(shù)據(jù)接收處理單元(單個(gè)數(shù)據(jù)接收處理單元如圖3所示)，接收8 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理、顯示，并通過8 路USB 集線器和串行接口與計(jì)算機(jī)通信，在計(jì)算機(jī)上顯示、存儲(chǔ)、打印。

圖2 單個(gè)傳感器原理示意圖

3.1.1 場(chǎng)強(qiáng)傳感器設(shè)計(jì)

為了避免對(duì)空間電磁場(chǎng)的擾動(dòng)，場(chǎng)強(qiáng)傳感器尺寸應(yīng)盡可能小，同時(shí)尺寸越小，對(duì)電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)分辨力就越強(qiáng)。

圖3 數(shù)據(jù)接收處理單元示意圖

1)振子設(shè)計(jì)

近場(chǎng)傳感器采用小電偶極子作為電磁場(chǎng)敏感部件，尺寸應(yīng)盡可能小以減小對(duì)場(chǎng)的擾動(dòng)。為避免在帶寬內(nèi)自諧振效應(yīng)，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(jié)構(gòu)，兩兩振子均不在同一平面內(nèi)，三向各向異性約為±0.5 dB?？臻g電磁場(chǎng)可表達(dá)為3 個(gè)正交分量的矢量和［4］:

三個(gè)正交偶極子的每一個(gè)偶極子感應(yīng)信號(hào)幅度正比于X，Y，Z 分量中幅度平方，即

當(dāng)三個(gè)偶極子完全一致時(shí)，kx=ky=kz，幅值與電場(chǎng)的指向無(wú)關(guān)，這種特性確保傳感器各向同性。

采用斜式正交設(shè)計(jì)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(yīng)優(yōu)越，敏感度稍低。

2)檢波器的設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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(duì)稱高阻振子之間，對(duì)稱振子中間間距為0.3 mm，普通焊錫熔點(diǎn)為150 ～200℃，因此普通的焊接無(wú)法實(shí)現(xiàn)，必須采用特殊制作工藝。由于高阻線對(duì)電磁波的吸收和散射較小，在檢波器和信號(hào)調(diào)理電路之間采用約20 cm 長(zhǎng)的高阻線連接。

3.1.2 信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)

在場(chǎng)強(qiáng)傳感器和空間場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)裝置之間的信號(hào)傳輸方式采用光纜傳輸方式。

通過光纖傳輸?shù)浇邮战庹{(diào)器，共16 路光纖傳輸數(shù)字信號(hào)，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(hào)，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(hào)。該數(shù)字信號(hào)含X，Y，Z 場(chǎng)強(qiáng)編碼信息。使用光纜傳輸，采用并行方式，測(cè)量速度大大提高;采用光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)光電隔離，減小了對(duì)場(chǎng)的擾動(dòng)。

3.1.3 場(chǎng)強(qiáng)傳感器A/D 轉(zhuǎn)換部分

單個(gè)場(chǎng)強(qiáng)傳感器中采用24 位A/D 轉(zhuǎn)換器，信號(hào)調(diào)理部分將X，Y，Z 三路信號(hào)中的小信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，倍數(shù)為9，第一級(jí)運(yùn)算放大器A，B 為差分放大，放大倍數(shù)為3，第二級(jí)運(yùn)算放大器C 為跟隨器，第三級(jí)運(yùn)算放大器D 為同相放大，倍數(shù)為3，小信號(hào)放大倍數(shù)為9，大信號(hào)放大倍數(shù)為3，以提高A/D 轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后進(jìn)行編碼處理，存入相應(yīng)的寄存器，CPU 接收發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)后，通過電光轉(zhuǎn)換器發(fā)送數(shù)據(jù)，單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)從采集傳輸?shù)紻AC 輸出時(shí)間應(yīng)小于50 ms。

信號(hào)調(diào)理部分的電路X 通道如圖4所示。圖4 中，運(yùn)算放大器A，B，C 構(gòu)成儀用放大器，已形成集成電路芯片，美國(guó)AD 公司已于近年投放市場(chǎng)。儀用放大器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱味诵盘?hào)，并具有信號(hào)放大作用，運(yùn)算放大器D 將0.1 ～10 mV 的信號(hào)再放大3 倍，即0.1 ～10 mV 信號(hào)放大9 倍，10 mV ～1.5 V 信號(hào)放大3倍，由CPU 識(shí)別。

圖4 信號(hào)調(diào)理部分電路(X 通道)

3.1.4 單片機(jī)設(shè)計(jì)［5］

為滿足測(cè)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(chǔ)等要求。

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

CPU 外圍電路有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等，主機(jī)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(gè)傳感器發(fā)送的X，Y，Z 信號(hào)編碼信息進(jìn)行解碼，得到每個(gè)傳感器的X，Y，Z 信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理、變換，得到每個(gè)傳感器的X，Y，Z 場(chǎng)強(qiáng)和綜合場(chǎng)強(qiáng)值，數(shù)字編碼信號(hào)在主機(jī)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(jì)算機(jī)通信，將8路數(shù)據(jù)采集傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

3.1.7 傳感器部分程序設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)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(shè)計(jì)，流程圖如圖5所示。

圖5 流程圖

3.2 空間電場(chǎng)均勻性測(cè)量系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

選用了VB6.0 編程語(yǔ)言編程。VB6.0 是可運(yùn)行于Windows XP 平臺(tái)上的可視化交互式集成開發(fā)環(huán)境，VB6.0 是面向?qū)ο蟮募绦蚪缑嬖O(shè)計(jì)、代碼編輯、編譯、連接和調(diào)試等功能于一體的開發(fā)工具。作為一種通用且功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言，應(yīng)用廣泛。場(chǎng)均勻性測(cè)量系統(tǒng)軟件原理如圖6，圖7 為整個(gè)程序設(shè)計(jì)的控制圖。

校準(zhǔn)程序經(jīng)過必要的編程，與儀器設(shè)備一起調(diào)試后，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證便可開始實(shí)施校準(zhǔn)。通過自動(dòng)校準(zhǔn)，電磁混響室工作區(qū)8 個(gè)頂點(diǎn)位置場(chǎng)強(qiáng)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量、存儲(chǔ)、處理，每個(gè)攪拌角度采用掃頻方式自動(dòng)校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)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(chǎng)發(fā)射天線必須分頻段實(shí)施，至少要分兩個(gè)頻段:80 MHz ～1 GHz 和1 ～18 GHz(分頻段校準(zhǔn)還要取決于功率放大器頻段)。

圖6 場(chǎng)均勻性測(cè)量系統(tǒng)軟件模塊原理圖

圖7 混響室校準(zhǔn)電場(chǎng)均勻性自動(dòng)校準(zhǔn)軟件控制圖

4 結(jié)束語(yǔ)

空間場(chǎng)均勻性校準(zhǔn)是電磁混響室性能校準(zhǔn)的最重要參數(shù)，采用離散步進(jìn)方式校準(zhǔn)。在實(shí)際校準(zhǔn)過程中，由于校準(zhǔn)頻帶寬、校準(zhǔn)步長(zhǎng)多、空間點(diǎn)位多，因此校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理量非常大。通過自動(dòng)均勻性校準(zhǔn)裝置的研制，采用自動(dòng)校準(zhǔn)提高工作效率達(dá)3 倍以上，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少不確定因素。8 探頭空間場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置采用多探頭、空間全向、光纖傳輸測(cè)量方式，頻率范圍為10 MHz ～18 GHz，幅度測(cè)量范圍為0.5 ～200 V/m，頻率響應(yīng)允許誤差在10 MHz ～3 GHz 頻段為±1.5 dB，3 GHz以上為±2 dB，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)寬頻帶輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量?jī)x空白，其應(yīng)用前景廣闊。

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

［2］張林昌.混響室及其進(jìn)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(zhǔn)及輻射抗擾度測(cè)試［J］.電聲技術(shù)，2006(8):69-73.

［4］朱傳煥.電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)測(cè)技術(shù).2005，25(1):12-15.

［5］朱傳煥.多通道智能場(chǎng)強(qiáng)計(jì)的研制［J］.航空計(jì)測(cè)技術(shù)，1999，19(3):32-34.