电磁兼容半电波暗室

随着国内外越来越多的电磁兼容指令、 规范、标准的制定和强制性执行,电气和电子产品的电磁兼容性( EMC)问题日益受到各国政府和国内外厂商的重视。半电波暗室是开展 EMC 研究、提高EMC技术的基础和必不可少的最重要的科学手段之一。近几年 ,国内各行各业先后引进了针对不同产品的电磁兼容实验室 ,如通信、电力、家电、 汽车等。

国家客车质量监督检验中心从德国引进包括3/ 5 m法半电波暗室、传导测试屏蔽室、 屏蔽放大器室等在内的电磁兼容实验室已于 2005 年 2 月份建成 ,并顺利通过了中国实验室国家认可委员会(CNAL)的验收。在中心 3/ 5 m法半电波暗室的规划建设过程中 ,我们积累和总结了一部分经验 ,以供大家借鉴和参考。
1 半电波暗室总体方案的选择及建造方式
电磁兼容半电波暗室主要用于替代无电磁波干扰的开阔试验场进行电磁辐射骚扰测量和电磁辐射敏感度测量。由于半电波暗室的测试环境需要模拟开阔试验场地的电磁波传播条件(即电磁波传播时只有直射波和地面反射波) ,故暗室尺寸应以开阔试验场的结构要求为依据 ,一般分为标准的 10 m 法 ,5 m法和 3 m 法等。半电波暗室的种类很多 ,无论从功能上、结构形式上、 材料选择上、 安装形式上都有较大的差异。但是采用哪种方案 ,主要根据使用者需要的测试类型 ,被测物的空间尺寸、 试验级别等。首先我们要明确测试频率范围 ,是作军标测试还是民标测试 ,是进行厂家内部预兼容及诊断测试 ,还是要进行第三方的认证测试;其次要明确被测对象可能占据的最大空间、 试验室主要应用标准、自身的资金状况以及将来可能的扩展升级需求等因素 ,由此选择一个合适可行的试验场地和仪器设备的配置方案。

建造半电波暗室可以采用两种基本方式:拼装式和焊接式。拼装式壳体由成型钢板(在四边经两次弯板制成)和螺栓固定模块构成。任意相邻两块屏蔽模块间都有导电衬垫 ,以保证优良的射频屏蔽和电连续性。这种方式结构轻 ,易于装配 ,便于将来维修和拆卸 ,施工周期短。焊接屏蔽系统由大片的钢板焊接在一起构成 ,它们形成了一个紧密的射频密封体。焊接封装的好处在于经久耐用 ,并因消除了接缝泄漏而具有更高的屏蔽性能 ,但不易拆卸 ,适合于固定场所。由于各暗室厂家建造暗室的屏蔽板类型不同 ,屏蔽板之间的连接方式和工艺也不一样 ,为了保证良好的电接触和密封性 ,应对他们采用的屏蔽板及其连接方式进行详细了解和比较 ,并结合实际的施工周期等要求进行选择。
2 母体建筑及基础设施
建设一个 EMC 实验室是一项系统工程 ,它遵循科学的设计接口关系:测试设备 →半电波暗室 →母体建筑设计。对具体工程的实施来说 ,该顺序正好相反,经历母体建筑施工 →半电波暗室安装 →测试设备安装调试的过程。因此 ,在建造半电波暗室之前必须先建好母体建筑 ,包括占地面积、 结构承载、 空间尺寸、供电、 供气、 空调及防水等。母体建筑的设计首先要考虑足够的天花板高度以容纳所建的半电波暗室、传导测试屏蔽室、 屏蔽放大器室 ,以及其它附属设施的要求。母体建筑与暗室之间必须预留足够的空间 ,以便于暗室的安装、维修和通风。母体建筑的地板主要承担所有屏蔽体和安装部分的重量及负荷 ,也需要特别注意。土建地面需要精心铺设 ,要求地面的波纹度在数米的范围内不超过几毫米 ,还有很高的防潮要求。此外 ,暗室内的转台需要装设在一定深度的混凝土凹坑中 ,地势较低 ,必须作好防水处理。在开始安装暗室前 ,对承载地面一般还有比较高的残留湿度要求 ,对每一个试验室还要提供接地电阻很低的接地点等。由于暗室与母体建筑之间所涉及的接口问题比较多 ,并且国内建筑公司对其中的一些要求基本上没有可借鉴的经验 ,所以尽量让土建设计单位、施工单位和暗室厂商进行交流和沟通是非常必要的。
3 暗室本身的问题3. 1 进出口

通常暗室需要两扇用于人员和被测物进出的屏蔽门。屏蔽门的设计方案多种多样 ,常常选择易于维护的类型。由于屏蔽门是导致试验室性能下降的主要因素 ,通常要求屏蔽门的寿命和可靠性与试验室的工作年限相匹配。通常门扇与门框之间的屏蔽采用内凹三刀状接触结构,通过把门上的钎刀插入固定到门框上的指状弹簧片来保证良好的电连续性。人员进出门通常采用活页结构 ,通过两个活页与门框相连;通过杠杆辅助装置 ,使门扇和门框关闭平稳、 接触紧密。对于诸如汽车、 摩托车等尺寸较大的被测对象而言 ,因其外形体积比较大 ,活页结构的转门已不适用 ,通常还要采用滑动门。滑动门上常装有吸波材料 ,其实际的宽度和高度尺寸主要根据被测物的最大尺寸来确定。滑动门不但可以提供很大的进出空间 ,而且在门的通道处还装设有跨接平台或斜面 ,门关闭时斜面自动下降 ,门开启时斜面自动升起,以保证暗室内外地面水平 ,便于大件物品的进出搬运。

3. 2 吸波材料

半电波暗室在结构上就是由屏蔽室和吸波材料两部分组成 ,屏蔽室的外壳尺寸还与吸波材料的选择相关。屏蔽室既可以隔断外界的电磁骚扰信号 ,又能抑制室内测试信号的外泄 ,即起到双向屏蔽作用。而吸波材料不但能有效降低屏蔽室内的驻波 ,还可以减小屏蔽室表面的电磁反射 ,这样才能准确地测量电磁辐射的大小。

吸波材料通常作成尖劈状 ,以保证阻抗的连续渐变 ,即使其传输阻抗与周围空气介质的阻抗相接近 ,从而保证对室内发射源的功率吸收和最大限度的减小反射。吸波材料要能在宽频带内吸收较大的功率而且要有较好的阻燃性。吸波材料的长度与欲吸收的电磁波频率有关 ,欲吸收的电磁波频率越低 ,则吸波材料的长度越长。

吸波材料主要分为薄膜型、 泡沫塑料型(含碳泡沫) 、 铁氧体型以及复合型等四种。其中薄膜型吸波材料是近年来新出现的 ,它具有优异的吸波特性 ,不存在老化或下垂问题 ,并且具备防火不可然 ,批量生产容易控制质量 ,便于安装、替换等优点。吸波材料的选择主要根据其品质保证(低频性能和高频性能) 、 材料类型、 吸波性能指标、 尺寸大小、阻燃特性、价格等诸多因素来决定。吸波材料性能的优劣 ,将会极大地影响到暗室的整体性能和将来的运行维护成本 ,必须谨慎考察和选择。

3. 3 转台和天线升降塔

转台和天线升降塔都是半电波暗室中使用最频繁的设施 ,其运行的可靠性和是否易于操作控制是首先需要考虑的;其次 ,转台的直径大小、最大承重、最大转角、 可调转速以及天线升降塔的可调高度范围、可装设的天线类型数量、 定位精度、 是否便于移动等都要仔细斟酌;另外 ,还要限制它们的伺服电机的骚扰水平满足相关标准的要求。

主要根据被测设备所占据的面积和最大重量来确定转台的尺寸和承载能力 ,同时还要保证半电波暗室的转台上平面与接地平板在同一水平面上 ,并且要求转台与接地平板有良好的电接触。对于汽车测试还需要确定在转台上是否安装轮鼓测功机、冷却风扇、尾气排放系统和车辆固定装置等。天线塔的选取要考虑最大扫描的范围、 是否安装有天线的适配器 ,是否受到测试设备的支持(即与它相连接的测试设备的测试软件是否能对它驱动控制)等。

3. 4 电气照明

日光灯会发射骚扰信号 ,不允许在暗室内使用。而卤素射灯不产生无线电干扰 ,是非常适用于暗室的照明灯具。为把干扰反射降至最低水平 ,将照明用电缆铺设于吸波材料背面的金属薄板通道或铠装金属管内 ,同时安装在天花板上的照明灯数量也应受到限制。为方便更换维修 ,半电波暗室内照明灯应允许能自动降至反射地面附近。除此以外 ,还需要装设一些由备用蓄电池供电的应急照明灯。

3. 5 消防探测系统与实时监控系统

消防探测系统的设计、 选型 ,应根据相关的消防规定来确定。在安装完所有火警控制、警报装置、 空气取样管道等后 ,既能正常进行火警探测报警工作 ,又不影响暗室的屏蔽效能。

因为绝大多数 EMC测试是无人在半电波暗室内进行的 ,但在整个测试过程中既需要对被测物的工作状态进行实时监控 ,还要随时对附属仪器设备的工作状况进行跟踪观察,因此暗室必须配置实时监控系统。通常在暗室内部装有两套实时监控系统 ,一套用于监视暗室本身 ,另一套用于监视被测物。每套监控系统包括暗室内部的摄像机和测试区域外部(通常在控制室或监视室)的监视器和控制器。通常操作杆和控制器安装在测试区域外部 ,而摄像机常安装在暗室内部无反射区域。对于暗室内部的摄像机要求其正常工作时产生的射频干扰很
低 ,并能在宽频带范围内承受较高的辐射场强。
4 暗室的接口
为满足半电波暗室内部的供电、 通风以及测试和监控等信号传输到暗室外面的需求 ,在暗室与土建房屋、 屏蔽控制室、屏蔽放大器室等房间之间还有一些重要的传输接口。这些接口应该谨慎选取和安装 ,以保证半电波暗室屏蔽性能的完整性和相关国内外标准对暗室背景噪声水平的要求。下面逐一对这些接口作介绍。

4. 1 波导窗

所有用于通风或排气的开口均装有蜂窝状波导窗 ,并安装有法兰与通风扇或空调系统相连接。通风波导窗由许多截面为六边形的小波导组成 ,小波导边长与最高工作频率相关 ,以其屏蔽性能与半电波暗室屏蔽效能相匹配为原则。大多数波导窗设计截止工作频率到 18GHz。如果工作频率更高 ,如到40 GHz时 ,造价将会更高。通风波导窗的数量和窗口总面积根据试验室换风量要求来确定。

4. 2 电源线滤波器

为保证通向转台、 天线塔、 暗室内的被测物、 测试设备及附件、 暗室内部照明等的各电源都是 “干净的” ,必须根据将要使用电源类型、各自的最大功率及一定的设计余量 ,选购电源线滤波器。进入半电波暗室、 屏蔽控制室、屏蔽放大器室内的所有电源均应经电源线滤波器滤除骚扰。电源线滤波器的选购不但要考虑抑制频带、插入损耗、 最大工作电流、最大工作电压等功能性指标 ,还要考虑漏电流等安全指标。

4. 3 信号/控制线滤波器

屏蔽控制室内测试设备与暗室、 传导屏蔽室和放大器室等均有信号传输要求。另外 ,对于通向暗室或屏蔽室内的电话线、网络线或其它信号/控制线等都有滤波要求。可以根据各信号/控制线的工作频率范围、是模拟信号还是数字信号等具体情况来选择对应的信号/控制线滤波器。

4. 4 接线板

电源线和信号线接线柱和端子安装在暗室内部参考地板下面的接线盒内 ,该接线盒面板上还包括有辐射测试的射频接头、 被测物电源插座、被测物信号接头以及转台、 天线塔电源插座、辅助设备电源插座和信号接头、控制电缆和光纤接头等。对于接线板的位置和数量主要根据测试点的布置和数量等来确定 ,同时还必须满足测试设备的具体需求。而每块接线板上各种电源插座的数量、电缆接头数量、光纤接头数量以及它们之间的排列布置则要根据每个测试点实际需要用到或将来可能的扩展需求来确定。

4. 5 废气排放装置

为满足汽车、 摩托车等需排放尾气的实际需要 ,半电波暗室内必须安装废气排放装置。废气排放装置将暗室内部废气排放物引至建筑物的排放烟囱 ,包括软管、 管道排风扇、 蜂窝状波导窗等 ,其中波导窗的截止频率必须与暗室的最高测试频率相匹配。如果暗室中需要进行供水(用于洗衣机等测试) ,则还需要在供水和排水管与暗室的接口处装设具备适当截止频率的波导窗。
5 本电磁兼容实验室的特点及功能
国家客车质量监督检验中心电磁兼容实验室主要由半电波暗室、 传导测试屏蔽室、屏蔽放大器室和屏蔽控制室四部分组成。其中暗室的屏蔽体尺寸为长 17. 6 m、 宽 13. 5 m、 高 9. 5 m ,暗室内配有承重8 000 kg、 直径为 5 m的转台和0. 8～4 m的自动升降天线系统以及尾气排出系统。暗室的工作频率为9 kHz～40 GHz ,暗室内转台上方位置的测试区域静区为 <4 m、 高 2 m的圆柱。暗室内部还配有气动固定装置和冷却风机。可完成汽车整车及其电子零部件、摩托车整车及其电子零部件等的辐射和传导发射测试、辐射和传导抗扰度测试以及整车静电放电测试。

传导测试屏蔽室的尺寸为长 8. 0 m、宽 4. 0 m、高3. 0 m ,除了可完成汽车零部件传导瞬态发射、传导抗扰度、静电放电等项目的测试以外 ,还可以完成家用电器、 电动工具、 电气照明设备等的传导骚扰电压、 吸收功率、骚扰磁场等项目的测试。

实验室所有项目都通过了国外第三方测试 ,各项指标均大大优于相关国际标准的要求。实验室的配置和性能均达到了国际先进水平 ,为以汽车、摩托车整车及其零部件为主的多种机电产品的 EMC性能提供了理想的测试环境。