强电磁场环境下屏蔽效能测试新方法

张 龙 魏光辉 胡小锋 崔耀中 张勇强

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北 石家庄 050003；2.空军第四飞行学院模拟训练中心，河北 石家庄 050081)

引 言

随着军用雷达、通信设备日益增多、占用频带逐渐拓宽，特别是电子战装备的广泛应用和电磁脉冲武器、高功率微波武器的出现[1]，战场空间的电磁环境日趋恶劣，装备面临着巨大的电磁威胁.电磁屏蔽作为电磁脉冲防护的重要措施[2-4]，不仅能有效衰减强电磁场对武器装备内部电磁敏感单元的破坏作用，也能减少武器装备控制系统本身的电磁泄漏，提高武器装备的抗电磁干扰和防信息泄露能力，是保障现代武器装备作战效能和人员健康的重要手段[5]，因此研究电磁屏蔽效能测试方法具有重要的应用价值.

屏蔽效能是反映电磁屏蔽材料性能的重要参数，其测试方法关系到能否对电磁屏蔽材料的屏蔽效果进行客观准确地评价，不同的测试方法对测试结果影响较大[6].对于电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法的研究，国外尤其是欧美等发达国家开始较早，对平板型复合屏蔽材料屏蔽效能的测量，美国国家标准局(National Bereau of Standand,NBS)和美国材料试验协会(American Society for Testing MaterialsASTM)等机构早有研究，他们通过理论分析和大量试验验证，推出了较成熟的测量方法.概括起来可分为两大类：“近场法” 和“远场法”.“近场法”主要用来测量材料对电磁波近场的屏蔽效能，近场法主要有ASTM于1983年推出了“ASTM-ES-7双盒测试装置”，以及改进的MIL-STD-285法.“远场法”主要用来测量材料对电磁波远场平面波的屏蔽效能.远场法主要有ASTM于1983年推荐的ASTM ES7-83同轴传输线法和美国NBS推荐的法兰同轴法.

上述介绍的测试方法都是基于弱电磁场辐照条件下测试材料的屏蔽效能，并根据弱电磁场作用下测试结果估计材料对强电磁场的屏蔽能力.对于线性材料，材料的屏蔽能力与辐照场强的大小没有关系，采用弱场辐照下的屏蔽效能测试结果能够评价材料对于强电磁场的屏蔽能力；而对于非线性材料或某些特种材料，材料的屏蔽效能与输入场强的大小有关，这样采用弱场辐照下的测试结果将难以真实评价材料对强电磁场的屏蔽能力.因此，对于未知材料，采用不同强度的电磁场作为辐照源进行测试能够真实地模拟实际恶劣电磁环境，测试结果也能够更加准确可靠地评价材料的屏蔽能力.文献[7]提出了箱式屏蔽效能测试方法，其测试范围主要针对频率为1～18 GHz.本文在箱式屏蔽效能测试方法的基础上进一步改进，提出了在GTEM室内放置屏蔽箱的屏蔽效能测试方法，即屏蔽箱法.由于GTEM室输入信号既可以选用连续波，也可选用脉冲信号，因此应用该方法不仅适用于材料在连续波作用下的屏蔽效能测试，也适用于材料在强电磁脉冲作用下的屏蔽效能测试.通过输入强电磁场信号，逼真模拟恶劣电磁环境，测试材料在强电磁场作用下的屏蔽效能，测试结果真实反映测试材料对强电磁场的屏蔽能力.

1 屏蔽箱法

为测试材料在强电磁场辐照下的屏蔽效能，把屏蔽箱置于GTEM室内，利用GTEM室内的强电磁场辐照屏蔽箱测试窗上的测试材料，通过测试装载测试材料前后箱体内部的场强，达到获得被测材料屏蔽效能的目的.

1.1 测试原理

根据国军标GJB6190-2008，屏蔽效能定义为，在同一激励电平下，无屏蔽材料时接收到的场强或功率与有屏蔽材料时接收到的场强或功率之比，并以对数表示，其计算公式为

(1)

式中：SE为屏蔽效能；E0、P0为无屏蔽材料时空间某点的电场强度和接收功率；E1、P1为加屏蔽材料后该点的电场强度和接收功率.

在国军标GJB6190-2008介绍的屏蔽室法测试屏蔽效能时，信号发射设备主要是标准信号源和天线，接收设备主要是天线和频谱仪或示波器.本文所提出的屏蔽箱法信号产生设备主要是标准信号源、功率放大器和GTEM室，信号接收设备采用场强仪.将一个带测试窗的箱体(相当于一个缩小的屏蔽室)置于GTEM室内，通过测试装载测试材料前后箱体内某点的场强，计算得到材料的屏蔽效能.测试系统如图1所示.

图1 屏蔽箱法示意图

屏蔽箱置于GTEM室内，当测试材料在连续波作用下的屏蔽效能时，设定信号源的频率和功放增益，首先通过场强仪测试箱体没有装载测试材料时箱体内某点的电场强度E0，然后装载测试材料，注意场强仪的位置保持不变，测试装载测试材料后箱体内同一位置的电场强度E1.根据公式(1)计算材料的屏蔽效能.调整信号源频率，保持信号源功率和功放增益不变，测试装载测试材料前后不同频率下的电场强度，计算得到材料屏蔽效能.当测试材料在电磁脉冲作用下的屏蔽效能时，输入信号为脉冲信号，通过脉冲传感器测试装载测试材料前后箱体内中心位置的波形，通过脉冲波形的峰值计算得到材料对于电磁脉冲的屏蔽效能.

1.2 测试设备

1) GTEM室

吉赫横电磁波传输室(Gigahertz Transverse Electromagnetic cell，GTEM ecll)工作频率范围可从直流至数吉赫兹以上，内部可用场区大，综合了开阔场地、屏蔽室、TEM室的优点，克服了各种方法的局限性，具有质量高、价格低的优点.

2) 信号源

采用SML-01型信号发生器，能够产生9.1 kHz～1.1 GHz的正弦信号.

3) 功放

采用美国AR公司的4 000W/1 000型宽带功率放大器，工作带宽为80 MHz～1 GHz.

4) 场强仪

为方便读数，场强仪通过光纤连接到GTEM室外的监测计算机上.场强仪采用EMR-200型，具有适时测量以及光纤输出数据的功能，配合TYPE-8型探头，可以测量100 kHz～3 GHz的电场，测量范围为0.6～800V/m.

5) 高压脉冲源

脉冲源采用日本NOISENKEN公司的高频噪声模拟发生器，Model：INS-4040，能够产生峰值不大于4 kV，上升沿时间少于1 ns，脉宽可选的方波脉冲.

6) 脉冲传感器

采用光纤传输式脉冲电场传感器，测试带宽10 MHz～1 GHz，动态范围为40 dB，具有良好线性度的脉冲传感器.

1.3 屏蔽箱的研制

测试材料的屏蔽效能时，屏蔽箱置于GTEM室中，为了尽可能地减少箱体在GTEM室内引起的反射，屏蔽箱设计成具有一定楔形的腔体，箱体表面的倾斜角度与GTEM室张角相当，箱体实际模型如图2所示.屏蔽箱顶部开口0.6 m×0.6 m，底部尺寸为0.8 m×0.9 m，高度为1 m.根据测试材料面积大小，屏蔽箱设计成两种测试窗口，0.6 m×0.6 m窗口和0.3 m×0.3 m窗口.当测试频率下限较低时，采用0.6m×0.6 m窗口，屏蔽箱顶部安装法兰用于固定测试材料；当测试频率下限较高时，采用0.3 m×0.3 m窗口，设计一个边长为0.64 m方形金属盖板，并在盖板的中间上挖一个0.3 m×0.3 m窗口并设置法兰，用于固定测试材料，把带有窗口的金属盖板固定在0.6 m×0.6 m窗口上，即可采用0.3 m×0.3 m窗口测试材料，这样通过一个箱体，可根据需要选择不同窗口来测试材料的屏蔽效能.为了抑制电磁波在箱体内的谐振，在屏蔽箱底部粘贴锥形吸波材料.

图2 屏蔽箱模型

屏蔽箱本身需具备较高的屏蔽效能，这样才能确保不会因为测试系统的限制降低屏蔽材料本身的屏蔽效能.一般要求电磁屏蔽箱的屏蔽效能大于屏蔽材料的理论屏蔽效能6 dB以上.按照图1连接测试设备，屏蔽箱测试窗未装载测试材料，把场强仪置于屏蔽箱体中心处，标准信号经高功率放大器放大输入GTEM室，用场强仪测试屏蔽箱内中心处场强E0；用一个金属盖板代替测试材料置于测试窗口，盖板四周进行电磁密封处理，测试屏蔽箱内同一位置的场强E1，根据公式(1)得到屏蔽箱的屏蔽效能.

2 仿真分析

为了验证屏蔽箱法测试结果是否准确及可靠，并分析不同测试方法导致的误差，下面从仿真角度分析屏蔽室法、法兰同轴法和屏蔽箱法测试同一种材料的屏蔽效能，达到验证屏蔽箱法进行屏蔽效能测试的可行性.

2.1 仿真模型

屏蔽箱法和法兰同轴法仿真模型如图3所示，仿真模型按实际尺寸进行建模，箱体材料和同轴材料都采用PEC理想材料.为尽可能减小信号进入箱子后的反射和谐振，箱子内部填充方锥形吸波材料.三种方法测试材料相同，材料厚度为0.001 m，相对介电常数为1，相对磁导率为1，电导率为1 000 S/m.仿真软件采用基于时域有限积分的CST-MWS软件[8].

(a) 屏蔽箱法 (b) 法兰同轴法图3 仿真模型

2.2 仿真结果

对同一测试材料采用不同测试方法仿真，通过计算材料屏蔽效能如图4所示.从图中可知不同的测试方法测试结果不同，屏蔽箱法和屏蔽室法仿真结果相近，主要是因为两种方法都是在壳体内测试电场强度，吸波材料不能把电磁波全部吸收，因而存在电磁波谐振现象，导致曲线不如法兰同轴装置法测试曲线平滑.屏蔽室法的测试曲线比屏蔽箱的测试曲线平滑主要是由于屏蔽室法仿真模型设置成全电波暗室，并且体积较大，而屏蔽箱法由于箱体较小，只在屏蔽箱一面添加吸波材料，因而导致屏蔽箱法测试曲线较差些.法兰同轴装置法是利用同轴线中传播的横电磁波模拟空气中的远区平面波对材料进行屏蔽效能测试，不存在谐振问题，仿真波形较好.

表1 屏蔽效能测试结果

图4 三种方法仿真结果比较

总的来说，三种测试方法仿真结果有一定差异，一方面因为仿真模型不同，另一方面因为不同的测试方法测试结果存在一定的差异.从测试结果的对比可知屏蔽箱法下限频率为200 MHz，对于大于200 MHz的信号，屏蔽箱法测试结果和屏蔽室法相差较小，因此屏蔽箱法的测试结果基本能够反映材料的屏蔽效能，说明这种测试方法合理，技术可行.在此基础上，通过实验验证屏蔽箱法主要用于测试材料对于强电磁场的屏蔽效能测试.

3 实验验证

采用仿真方式分析三种测试方法是在测试材料为线性材料、输入信号为弱电磁场的基础上，但是屏蔽箱法主要针对于强电磁场作用下测试材料屏蔽效能，重点在于一些特种材料，如非线性材料，即屏蔽效能与输入场强大小有关的材料，下面从实验方面进一步验证该方法的可靠性.

3.1 频域强场测试

采用图1测试系统，选定一种被测材料测试其屏蔽效能，测试窗采用0.6 m×0.6 m窗口，GTEM室内屏蔽箱有无装载测试材料如图5所示.

(a) 未装载测试材料 (b) 装载测试材料图5 GTEM室内箱体

未装载测试材料时，场强仪置于箱体中心处，并用光纤连接显示器，装载测试材料后，用法兰把材料固定好.为使GTEM室内的场强足够高，选用4 000W/1 000型功率放大器，其工作频段为80 MHz～1 GHz，所以实际测试中只能针对该频段范围内测试材料的屏蔽效能，测试结果如表1所示.

从表1中可以看出，没有装载测试材料时，耦合进入屏蔽箱内的场强达到几百V/m，国际电工委员会标准IEC61000-2-13将电场强度超过100 V/m的电磁环境称为高功率电磁环境[9]，所以材料的屏蔽效能是在输入高场强电磁波辐照下测试出来的.在未装载测试材料时，耦合进入屏蔽箱的信号场强随频率的增大而增大(个别频点除外，主要是由于箱体的谐振引起场强增大)，这是由于随着频率增大，波长减小，耦合进入箱体的场强增大，符合电磁场理论.材料的屏蔽效能基本上随频率的增大而增大，这与平面材料的屏蔽效能计算公式相一致[10].

3.2 测试结果比较

为了进一步验证屏蔽箱法测试结果的可行性，针对同一种测试材料，下面采用标准中介绍的法兰同轴装置法和屏蔽室法分别测试材料的屏蔽效能，并把该测试结果与表1的测试结果相比较，以验证屏蔽箱法的可靠性.对比结果如图6所示.

图6 三种方法实验测试结果比较

从图中可以看出：1) 不同的测试方法屏蔽效能测试结果不同，这与仿真结果相同.2) 在250 MHz附近，屏蔽箱法和屏蔽室法都有一个峰值部分，在仿真测试中屏蔽箱法也是在250 MHz附近有个峰值，分析原因是因为无论屏蔽室还是屏蔽箱，都是一个封闭的壳体，存在谐振，导致出现这种测试结果.3) 法兰同轴装置法工作频率范围为30 MHz～1.5 GHz，测试结果比较连续平滑，尤其在频率较低时，测试结果优于屏蔽室法和屏蔽箱法.4) 总的来说，在200 MHz～1 GHz频率范围内，三种测试方法测试结果比较接近，说明屏蔽箱法测试结果能够反映材料的屏蔽效能.因此，屏蔽箱法测试方法合理，技术可行.

3.3 典型材料测试

上述实验材料为线性材料，材料的屏蔽效能与输入场强没有关系，所以三种测试方法的实验结果相一致.由屏蔽箱法测试方法可知：测试材料是在GTEM室内的强电磁场作用下进行的屏蔽效能测试，有利于测试非线性材料，如具有能量选择结构(Energy Selective Structure， ESS)的材料[11]，这种材料能够让能量密度低的电磁波通过，而对于能量密度高的电磁波则呈现空间限幅作用，从而对敏感系统起到保护作用.该种材料内部由若干个二极管特性的元件组成网格，在强场作用下，二极管感应空间电场，产生激励源致使导通，使能量选择表面类似金属丝织网，对入射的强电磁信号起到反射作用；在弱场作用下，二极管处于截止状态，能量选择表面对电磁波传输呈现透波特性，基本没有屏蔽作用[12].应用该测试方法对能量选择表面材料测试结果如图7所示.

图7 能量选择表面屏蔽效能测试结果

由图7可知：当辐照场强低于1.1 kV/m时，能量选择表面对输入信号的屏蔽能力较差，说明二极管还没有导通，未起到屏蔽作用；而当辐照场强达到1.3 kV/m时，能量选择表面的屏蔽效能显著增大，主要是因为组成材料的二极管感应强电磁场，感应电压达到二极管导通电压，二极管导通后相当于金属线相连接，对辐照信号反射能力增强，屏蔽效能增大，说明该材料只对强电磁场呈现屏蔽作用，同时能够得到材料的屏蔽效能与辐照场强的关系.

对于这种特种材料，测试时电场极化方向应与二极管导通方向一致，这样二极管才能在强场作用下出现导通，所以辐照电场的极化方向对材料屏蔽能力也有影响.采用屏蔽箱法能够分析被测材料的屏蔽效能与输入场强的关系，反映其屏蔽效能随外加电场的变化规律.并且屏蔽箱法测试屏蔽效能模拟恶劣的电磁环境，从而实现材料在接近实际强电磁场环境下进行屏蔽效能测试，达到准确掌握材料屏蔽效能的目的.

3.4 时域强场测试

屏蔽箱法的另一个显著特点是能够进行时域测试，屏蔽箱置于GTEM室内，利用脉冲源和GTEM室产生的强电磁脉冲辐照屏蔽箱测试窗上的测试材料，通过测试装载测试材料前后箱体内部的脉冲波形，获得被测材料对于电磁脉冲的屏蔽效能.

测试屏蔽效能输入信号为峰值3 kV、脉宽50 ns的方波脉冲，由于屏蔽箱放置位置处距芯板高度为2 m，所以测试材料是在场强约为1.5 kV/m强电磁脉冲作用下进行屏蔽效能测试.脉冲输入波形及装载测试材料前后箱体内的脉冲波形如图8所示.

从图8中可知，尽管输入脉冲波形为完整的方波脉冲，进入到屏蔽箱后，脉冲波形发生了较大变化，主要是因为屏蔽箱窗口较小，低频信号难以进入，因此进入到屏蔽箱内的信号主要是方波脉冲上升沿和下降沿对应的高频信号.装载测试材料前后脉冲波形主要是脉冲幅度发生了变化，而脉冲波形基本没有发生改变.参考屏蔽效能的定义，根据装载测试材料前后脉冲波形的最大峰值变化计算可得到材料的屏蔽效能约为15.8 dB.

(a) GTEM室内没有屏蔽箱时测试波形

(b) 屏蔽箱未装栽测试材料时测试波形

(c) 屏蔽箱装载测试材料后测试波形图8 时域测试波形

3.5 讨 论

屏蔽箱法时域测试时，屏蔽效能是在强电磁脉冲辐照下根据脉冲波形的峰值变化计算得到的.通过输入峰值较大的脉冲信号，可在GTEM室得到强电磁脉冲场，模拟恶劣的强电磁环境，获得材料在接近实际所防护场强环境下的屏蔽效能，这是采用屏蔽室法难以达到的，也是屏蔽箱法测试屏蔽效能的主要优点.

采用法兰同轴法通过改变输入信号为脉冲信号，输出端用示波器接收也能够进行脉冲屏蔽效能测试，但是同轴内部的电场极化方向为径向，并且场强大小与同轴的半径成反比，其作用在材料上的场强为不均匀场，越接近同轴内导体场强越强.这种场环境不适合测试材料的屏蔽效能与输入场强或极化方向有关系的材料，如能量选择表面屏蔽材料.当测试这些特种材料的屏蔽效能时，屏蔽箱法显示出了其优点.

4 结 论

本文提出了一种基于强电磁场辐照的屏蔽效能测试方法，并通过仿真和实验测试对比分析了屏蔽室法、法兰同轴装置法和屏蔽箱法的屏蔽效能测试结果.通过典型材料测试，验证了屏蔽箱法在强电磁场环境下测试屏蔽效能的可行性，突出了屏蔽箱法的优点，弥补了屏蔽室法和同轴法强电磁脉冲屏蔽效能测试的不足.

1) 利用正弦信号产生器和高功率功放在GTEM室内产生强电磁场测试材料的屏蔽效能，能够分析材料的屏蔽效能与输入场强的关系.并且在强场辐照下屏蔽效能测试结果更贴近实际值，减少了基于弱场环境测试材料屏蔽效能来评估材料对于强场屏蔽能力所产生的误差.

2) 屏蔽箱法相对于屏蔽室法的优点是能够进行脉冲屏蔽效能时域测试，通过调整输入脉冲的峰值电压，可在GTEM室内产生强电磁脉冲场，测试材料在强电磁脉冲作用下的屏蔽效能，这是屏蔽室法难以实现的.

3) 采用屏蔽箱法测试强电磁脉冲作用下的屏蔽效能时，可分析不同场强和极化方向的强电磁脉冲对材料屏蔽效能的影响.而同轴法测试时，由于同轴腔体内部场极化方向为径向和场强不均匀的原因，难以分析材料的屏蔽效能与场强大小和极化方向的关系.这是屏蔽箱法测试材料在电磁脉冲作用下屏蔽效能时相对于同轴法的优点.

[1] 杨 杰, 陈 彬, 李跃波, 等. 特种电磁材料对非核电磁脉冲的屏蔽效能测试[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(10): 1713-1716.

[2] 石 丹. 平面波斜入射到有孔腔体的屏蔽效能分析[J]. 电波科学学报, 2011, 26(4): 678-682.

SHI Dan. Shielding effectiveness analysis of enclosure with aperture irradiated by oblique incident plane wave[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2011, 26(4): 678-682. (in Chinese)

[3] 汪柳平, 高攸纲. 有孔矩形腔的屏蔽效能及其对谐振抑制研究[J]. 电波科学学报, 2008, 23(3): 560-564.

WANG Liuping, GAO Yougang. Analysis of shielding effectiveness for rectangular cavity with apertures and resonance suppression[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(3): 560-564. (in Chinese)

[4] 王建宝, 周璧华, 杨 波. 屏蔽室接地位置不同对其屏蔽效能的影响研究[J]. 电波科学学报, 2012, 27(1): 45-49.

WANG Jianbao, ZHOU Bihua, YANG Bo. Influence of grounding location on shielding effectiveness of shielding room[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(1): 45-49. (in Chinese)

[5] 张 龙, 魏光辉, 胡小锋, 等.材料电磁脉冲屏蔽效能研究进展[J]. 电讯技术, 2011, 51(9): 143-148.

ZHANG Long, WEI Guanghui, HU Xiaofeng, et al. Research progress of materials shielding effectiveness on electromagnetic pulse[J]. Telecommunication Engineering, 2011, 51(9): 143-148. (in Chinese)

[6] 陈淑凤, 马蔚宇, 马晓庆. 电磁兼容试验技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001: 50-52.

[7] 王化吉, 王永忠, 张 文. 箱式屏蔽效能测试方法设计[J]. 安全与电磁兼容, 2010(2): 19-21.

WANG Huaji, WNAG Yongzhong, ZHANG Wen. Design of shielding effectiveness testing method using shielding box [J]. Safety& EMC, 2010(2): 19-21. (in Chinese)

[8] 李新峰,魏光辉,潘晓东,等.电缆负载射频电磁辐射响应规律研究[J]. 军械工程学院学报,2011,23(3):24-26.

LI Xinfeng, WEI Guanghui, PAN Xiaodong. Research on transient electromagnetic response of cable terminal[J]. Journal of Ordnance Engineering College, 2011, 23(3): 24-26. (in Chinese)

[9] International Electrotechnique Commission. Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 2-13 Environment-High-Power electromagnetic (HPEM) environment-Radiated and conducted. IEC61000-2-13[S/OL]. 1st ed. 2005[2012-09-18]. http://zh.scribd.com/doc/131773426/info-iec61000-2-13-ed 1-0-en.

[10] 高攸纲. 屏蔽与接地[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2004.

[11] 杨 成, 黄俊贤, 刘培国. 基于能量选择表面的电磁防护新方法[J]. 河北科技大学学报, 2011, 32: 81-84.

YANG Cheng, HUANG Xianjun, LIU Peiguo. New Electromagnetic Protection Method Using Energy Selective Surface[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2011, 32: 81-84.

[12] 万双林. 电磁能量选择表面的结构设计及其在强电磁脉冲防护中的应用[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2010.

WAN Shuanglin. Structure of Electromagnetic Energy Selective Surfaces and the Application in the Protection of High EMP[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2010.(in Chinese)