超小型高屏效金属盒体的屏效测试技术
摘 要：为解决工程中超小型、高屏效金属盒体的屏蔽效能测量问题，测试天线必须具备尺寸小、频带宽以及辐射强度高的特点。使用HFSS对天线尺寸参数进行优选，采用双锥和套筒结构分别覆盖100 MHz~2 GHz和2~5 GHz两个频段，由该天线所构成的测试系统的动态范围比早期的球形偶极子天线提高了50 dB左右。最后对3种不同的机箱状态在半电波暗室中进行了屏蔽效能测试，试验获得的数据为今后的机箱屏蔽设计提供了依据。
关键词：超小型;机箱;屏蔽效能;宽带天线
中图分类号：TN820.1 文献标识码：B 文章编号：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，尤其是电磁屏蔽是提高电子设备电磁兼容性能的重要措施之一。MilStd461E［1］规定，美军所采购的各种电子设备必须进行RE102（辐射发射）和RS103（辐射敏感度）2项测试，虽然该标准中并没有对机箱的屏蔽效能提出明确要求，但机箱电磁屏蔽性能的优劣，将直接影响这两项试验的测试结果。
根据电磁屏蔽效能的定义，机箱的电磁屏蔽效能可以定义为在同一电磁环境中，空间同一点在屏蔽前(电场强度为E0)和屏蔽后(电场强度为E1)空间场强的比值，该数值通常用分贝(dB)表示，屏蔽效能的计算公式如式(1)所示。SEdB=20lg(E0/E1)(1) 理想屏蔽体在工程中不存在。由于电源线、信号线的穿入穿出以及散热等因素需要在面板上开孔，屏蔽效能将会显著下降。关于各种穿孔金属板的屏效计算，国内外资料给出的计算公式差异较大，公式(2)在工程中使用较多.\。但迄今为止，并没有哪个公式得到普遍认可。SE=Aα+Rα+Bα+K<1+K2+K3(2) 由于计算方法上的不成熟，在实践研究中发现，不仅不同屏蔽计算公式所得出的数值不同，即使同一公式在不同算例中得出的结果也存在较大的差异。正如美国肯塔基大学的C.R.Paul教授所言［3］：“对于最后的成功验证，也许没有任何其他领域像电磁兼容那样强烈地依赖于测量。”因此实际屏蔽体的屏蔽效能的测量是工程实践中必须解决的一个问题。
1 国内外的研究背景
根据IEC 615873［4］（草案）（第三部分：IEC 60917和IEC 60297系列机箱、机柜和插箱屏蔽性能试验）的描述，19英寸标准机柜屏蔽效能的测量可以在开阔场地或半电波暗室内进行。测量频率范围为30 MHz～1 GHz，该标准给出的屏蔽指标见表1。
国内相关行业也对电子机柜的屏蔽性能给出了要求，详见表2。
此外，MILSTD285和NSA656也给出了相应的屏蔽效能测试方法。
但遗憾的是，以上各标准均没有给出完成测试所需的关键部件-天线的具体要求，如种类、尺寸、频带、驻波比等。搜索国内外天线研制单位或供应商，也没有合适的成品可以直接采购，需要自行研制。
表1 IEC 615873的机柜屏蔽效能指标
性能
级别平面波最低屏效30～230 MHz230～1 000 MHz120 dB10 dB240 dB30 dB360 dB50 dB
表2 行业标准对机箱屏蔽效能的要求
类别屏效频率范围一类屏蔽>40～60 dB根据需要二类屏蔽>30～40 dB根据需要
前期，研究小组采用纯铜制造了直径为Φ180的球形偶极子天线。该天线的辐射体主要由2个半球铜壳构成，内部采用干电池供电方式，其辐射能力较为有限，30 MHz～1 GHz频段辐射强度处于40～50 dBμV之间，个别频点甚至低于40 dBμV。参照IEC 615873屏蔽指标，测试系统的动态范围至少需要大于60 dB，并不能满足最高测试要求，需要重新设计宽带天线。需要指出的是，按航天电磁兼容试验要求，测试距离为Mil_Std461E规定的1 m，而IEC 615873给出的测试距离为3 m。
2 小型金属盒体的屏效测试要求
2.1 频率
根据Mil_Std461E中关于RE102的频段要求，测试频率上限应为EUT最高工作频率的10倍频或1 GHz（取大值），但最高不超过18 GHz。
2.2 尺寸
典型的金属机箱内部尺寸通常不大于210 mm×180 mm×180 mm，考虑天线的安装间隙、电缆延伸、极化方向调整等因素，放置在机箱内部的宽带天线最大尺寸以不超过160 mm为宜。
2.3 驻波比
为了提高天线辐射效能并防止在测试过程中因能量反射而损坏功率放大器等设备，必须对测试频段内天线的驻波比提出要求。研究小组最后确定在100 MHz～4.5 GHz范围内，驻波比不大于4。个别频段不能满足时，可采用匹配网络进行调整。
2.4 辐射强度
在功率放大器许可的范围内，系统的动态范围越大越好，至少高于80 dB。
2.5 测试系统
拟采用标准电磁兼容暗室和EMC测试系统进行测试。要求天线能与EMC测试系统的标准天线接口兼容。
3 小型化宽带天线的设计
3.1 宽带天线设计方法
小型化宽带天线的设计技术主要有以下几个方面：
(1) 采用机电结合方法，精心设计天线结构，使之适应宽频带工作。这种方法由于是机械伸缩，因而应用范围受到一定限制。
(2) 利用插入阻抗元件或网络展宽天线的工作带宽。这种方式称为天线加载。加载元件可以是有源的或是无源的，可以是分布参数元件，也可以是集总参数元件。
(3) 旋转对称结构的宽带振子天线及锥形天线。锥角大的双锥天线，或由它演变而成的盘锥天线，属于宽带天线之列，获得了广泛的应用。
(4) 宽频带行波天线系列。某些行波天线具有宽频带特性的原因就在于，天线完成将导波能量转换为自由电磁场能量的转换过程是一次性的，即没有反射波返回电源端而形成多次循环的过程。
考虑到在实际应用特点，必须选择形式简单、易于加工、方便实用且造价低廉的全向天线，双锥天线(见图1)和套筒单极子天线就具有这样的特点，它们是振子天线的变形，结构简单，分别具有水平极化和垂直极化的特性，比较适合于该种测量应用。
图1 双锥天线示意图3.2 双锥天线
根据天线设计理论，推导可得无限长双锥天线的输入阻抗为：Zin=Z0=120Ln(ctanθ02)(3) 根据计算可见，当θ0在30°附近时能与50 Ω同轴线达到良好的匹配。由于受到尺寸限制，考虑到天线的固定、安装需要占用空间，实际的双锥部分要比该尺寸还要小，因此优化设计时限定条件进一步减小尺寸。最后优化所得天线参数为：单锥高为45 mm，锥顶直径为55 mm的双锥天线，此时半锥角为31.4°，对应的无限长双锥天线输入阻抗为59.2 Ω。
采用Ansoft公司的HFSS计算该天线的驻波比。图2显示：该天线仅在400 MHz~2.5 GHz频段内可以满足驻波比小于4的设计要求。当频率降低时，驻波比急剧上升，这是由于天线在低频段电尺寸较小，顶端反射电流较大的缘故，低频段(<400 MHz)需要进行阻抗匹配。
图2 HFSS仿真所得双锥天线驻波比曲线图3和图4分别给出该天线在500 MHz和2 000 MHz时天线E面的方向图，可见在整个频带内方向图的一致性保持的非常好。
图3 500 MHz时天线E面方向图按照计算结果，天线材料选用铝，锥顶镂空一小段以减小电流的反射，两锥固定于开口的介质方块上，采用50 Ω同轴电缆馈电。制作完成后用AV1481c型微波毫米波矢量网络分析仪对天线进行了测试，达到了天线设计的要求。
图4 2 500 MHz时天线E面方向图3.3 套筒天线
套筒天线是在粗振子外面加加上一个与之同轴的金属套筒，采用同轴不对称的结构形式进行馈电，可以起到类似电路中的参差调谐的作用，能够将频带展宽。图5所示为套筒单极子天线的结构示意图。
4 试验测试
设计完成后，制作了天线样件并在某标准EMC试验室内进行以下测试：
(1) 机箱表面分别镀覆A，B，C三种涂层的屏蔽效能对比；
图5 套筒天线结构示意图(2) 使用某导电衬垫前后的机箱屏蔽效能对比；
(3) 三种不同螺钉间距的机箱屏蔽效能对比。
试验频率的切换采用手动方式进行，测试结果见图6~图10。
图6 镀层A,B的屏效对比图7 镀层A,C的屏效对比图8 加装导电衬垫前后的屏效对比图9 螺钉间距21 mm与63 mm的屏效对比图10 螺钉间距63 mm与126 mm的屏效对比5 结 语
试验数据显示：由新研制的宽带天线所构成的机箱屏蔽效能测试系统的动态范围大于100 dB，完全满足小型金属盒体屏蔽效能的测试要求，实现了预期的研究指标。镀层A，C的屏蔽效能相当，但镀层C的成本只有A的1/10左右，而且C与有机涂料的结合力更强，更适用于大批量生产；在镀覆镀层C的机箱缝隙处加装导电衬垫效果并不明显，考虑产品需要长期贮存和成本等因素，不建议在设计中选用该导电衬垫；螺钉间距<63 mm就可满足一般超小型金属盒体的屏蔽设计要求,设计中尺寸优选50 mm。
参 考 文 献
［1］陈穷,蒋全兴.电磁兼容性工程设计手册\.北京：国防工业出版社,1993.
［2］陈淑凤.电磁兼容试验技术\.北京：北京邮电大学出版社,2001.
［3］白同云,吕晓德.电磁兼容设计\.北京:北京邮电大学出版社，2001.
［4］王庆斌,刘萍,尤利文,等.电磁干扰与电磁兼容技术［M］.北京：机械工业出版社,2002.
［5］康军,赵伟.微机化仪器电磁兼容性设计［J］.电测与仪表,2002(12):1318.
［6］史勇,谢晓霞.测控系统中软件抗干扰技术\.现代电子技术，2006（19）：99101.
［7］丁健.计算机控制系统的可靠性技术研究\.计算机工程与设计，2007（2）：985987.
［8］吴文斗,周兵.计算机测控系统中的可靠性技术\.云南大学学报，2006（7）：132135.
［9］潘光斌.自动控制系统中的传导干扰问题\.计量技术，2004（4）：1214.
作者简介 王 堃 男，1983年出生，助理工程师。研究方向为军用计算机产品军检验收和质量监督。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
