半电波暗室中场均匀性校准窗口的选择问题探析

熊洋洋 柯进等

摘 要：电子电气设备在进行射频电磁场辐射抗扰度试验中，为了保证试验的有效性和重复性，需要对场均匀性进行校准。文中介绍了场均匀性校准的要求和方法，并以80MHz～1GHz10V/m的校准场强为例，分别选择1.5m×1.5m和0.5m×0.5m两个窗口对均匀域进行校准。然后从场强分布、场强差值分布、定点场强实测等方面对这两个窗口的校准结果进行分析、对比，结果表明小窗口的场均匀性要明显优于大窗口。最后文章建议按照被测件（Equipment Under Test，简称EUT）的尺寸来选择校准窗口的大小，在窗口覆盖EUT的前提下尽量选择较小的尺寸，对于过大尺寸的EUT可采用部分照射法。这样不仅更好地保证了试验的有效性和重复性，而且还提高了场均匀性校准的效率。

关键词：半电波暗室 场均匀性校准 辐射抗扰度

中图分类号：TM937 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0247-02

半电波暗室（semi-anechoic chamber）即除地面安装反射接地平板外，其余内表面均安装吸波材料的屏蔽室[1-2]。目前国际上普遍采用半电波暗室替代开阔试验场地进行电磁兼容测试，包括电磁辐射干扰测试和电磁辐射抗扰度测试[3]。

测试面场均匀性是衡量半电波暗室性能的非常重要的指标，也是保证EUT在电磁辐射抗扰度试验中测量结果的可靠性和重复性的关键。IEC61000-4-3：2010《电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验》对半电波暗室在80MHz～6GHz范围内场均匀性校准的要求和方法做了详细的规定。该文参照标0准要求，以1GHz以下场均匀性校准为例，对不同大小窗口的校准结果分析验证，最后对射频电磁场辐射抗扰度试验中场均匀性校准窗口的选择提出建议。

1 IEC 61000-4-3：2010场均匀性校准要求与方法

1.1 试验设备及场地布置

场均匀性校准需要用到的主要设备有：半电波暗室、射频信号发生器、功率放大器、发射天线、场强监测装置、功率计等。在半电波暗室外信号发生器发出信号，将其传送给功率放大器，信号经放大后通过同轴电缆穿过穿墙板进入暗室，再通过天线向空间辐射出来，最后由校准平面上的场强探头接收信号，并将数据传回暗室外进行监测。为了保证试验区场的均匀一致，在天线与校准面之间需铺设吸波材料，尽可能减少电磁波的地面反射[4-5]。场均匀性的校准布置场地如图1所示。

1.2 场均匀性校准要求

场校准的目的是为了保证整个EUT的各处场强都足够均匀以便确保试验结果的有效性。标准中使用的“均匀域”（uniform field area，简称UFA）概念是一个假想的垂直平面，在该平面中场的变化足够小，本文用到的“校准窗口”也是这个概念。根据标准规定，场均匀性校准要求需从以下几点来考虑。

1.2.1 频率范围

根据EUT工作所在的电磁环境不同，场校准的频率分为两类，一是80～1GHz用于模拟普通电磁环境的辐射，二是800～960MHz和1.4～6.0GHz，主要针对来自数字无线电话和其他射频发射装置发出的电磁辐射。现在有些宽频带数据传输系统、高性能无线局域网、短距离发射装置等的最高工作频率都已接近6GHz。

1.2.2 高度

由于靠近参考地平面不可能建立一个均匀场，校准的区域应设在离参考地平面上方不低于0.8m处，天线中心轴线应垂直正对窗口中心。对于某些EUT必须接近参考地平面放置，为了建立测试的试验严酷等级，此时还要记录离参考地平面上方0.4m高处的场强。

1.2.3 距离

对于1GHz以下的场校准，发射天线的中心与均匀域之间的距离至少在1m以上，最好为3m。1GHz以上由于铁氧体和吸波材料的吸收性能下降以及高频天线的束宽较窄，校准区域应分割为0.5m×0.5m的小窗口进行试验，场发射天线应距校准区域1m。

1.2.4 均匀性判据

对0.5m×0.5m的最小校准区域，栅格4个顶点的场强幅值在标称值的-0dB～+6dB范围内，即认为该场是均匀的；对于大于0.5m×0.5m的校准区域，栅格75%的校准点的场强幅值在标称值得-0dB～+6dB范围内，认为该场是均匀的。若在试验频率的最大3%范围内不满足6dB判据，但至少在-0dB～+10dB容差内即可认为已满足校准要求，有争议时优先考虑-0dB～+6dB。

1.3 场均匀性校准方法

场强校准必须用未调制的信号分别对水平和垂直极化进行校准。校准场强Ec应至少是给EUT施加的试验场强Et的1.8倍，以检验并确保试验场强被调制扩大了1.8倍后，放大器仍能正常工作。场校准有恒定场强法和恒定功率法，下面以1.5m×1.5m校准平面（如图2）为例对这两种方法进行简单介绍和对比。

它们都是用校准过的场强探头置于16个栅格点的任一点从下限频率开始，调节天线正向功率，使场强等于所需校准场强Ec，记录正向功率及场强。以当前频率的1%为最大增量来增加频率。

不同之处在于恒定场强法对每个点施加相同的场强Ec，记录正向功率读数，最后在每一频率点将16个点正向功率按升序排列，至少有12个点的读数在6dB范围内，则记录这些读数的最大正向功率值。而恒定功率法是对其余各点施加初始位置记录的正向功率，记录场强值，最后在每个频率点将16个点场强读数按升序排列。如果至少有12个点的读数在6dB范围内，则从这些读数中选择最小场强的点作为参考点，计算出该参考点达到校准场强Ec所需的正向功率值。

2 场均匀性校准窗口的选择及验证

2.1 IEC 61000-4-3：2010校准窗口说明

IEC 61000-4-3：2010与GB/T17626.3-2006相比，新增了对1GHz以下和超过1GHz的场均匀性校准窗口的详细说明，如表1所示。

2.2 不同校准窗口的场均匀性验证

由于校准窗口大小尺寸组合较多，限于篇幅该文不予一一验证，这里只选择0.5m×0.5m和1.5m×1.5m两个典型窗口进行校准验证并对比分析。为方便观察和试验这里设定校准场强为Ec=10V/m，试验频率为80MHz～1GHz，另外现有发射天线为高增益对数周期天线，1kW功率发生器，9kHz～6GHz的信号发生器。由经验知天线水平极化校准的场强均匀性整体上优于垂直极化方向，所以下面不再对水平极化进行讨论，仅以垂直极化作为代表，按照2.3中的方法对不同尺寸窗口的场均匀性进行校准分析。

2.2.1 校准0.5m×0.5m窗口

如图2所示，以2、3、7、6为四个顶点的正方形区域作为0.5m×0.5m校准窗口进行校准，窗口中心A点距离参考地面高度为H4=0.8+0.5/2=1.05（m），天线中心高度也为1.05m，正对窗口中心，天线与窗口之间距离为3m。

校准后得到4个点的场强如图3所示，由图中可以看出各点的场强都在10V/m以上，根据试验数据最大场强为18.38V/m，出现在点2位置。现对校准数据进行验证，将每个频率上4个校准点的场强与标称值的最大差值用dB来表示，绘制场强差值分布图，如图4所示。根据图4可以得出结论，在0.5m×0.5m的校准区域，栅格4个顶点的场强幅值均在标称值的-0dB～+6dB范围内，即认为该场是均匀的。

2.2.2 校准1.5m×1.5m窗口

如图2所示，以1、4、16、13为四个顶点的正方形区域作为1.5m×1.5m校准窗口进行校准，窗口中心距离参考地面高度为H4=0.8+1.5/2=1.55（m），天线中心高度也为1.55m，正对窗口中心，天线与窗口之间距离为3m。

校准后得到16个点的场强如图5所示，由图中可以看出有些点的场强在10V/m以下，有些点场强超过30V/m。按照该文2.3中的方法，绘制场强差值分布图，如图4所示，图中下方曲线表示满足校准要求的12个点在各频率点的最大场强差值，上方曲线表示16个点在各频率点的最大场强差值。根据图6可以得出结论，在1.5m×1.5m的校准区域，栅格16个顶点中75%的校准点的场强幅值在标称值得-0dB～+6dB范围内，即认为该场是均匀的。

2.2.3 不同校准窗口场均匀性对比

由图3和图5可以清楚的看到0.5m×0.5m窗口和1.5m×1.5m窗口在各自的校准点上场强有明显的差异，小窗口的场强均在10V/m以上最大不超过19V/m，大窗口的场强差异性较大，最小的场强低至7.76V/m，最大的场强超过30V/m。这一点从图4和图6的场强差值分布中也可以看到，小窗口校准点场强与标称值差值均在6dB限值内并有一定的裕量，大窗口校准点中12个在6dB限值内，16点最大的差值接近10dB。所以单从校准点来看，小窗口的场均匀性要优于大窗口。

那么这两个窗口在非校准点上的场强差异到底有多大呢？这里我们仍以未调制的信号对均匀域施加10V/m的场强，选取小窗口的中心点A和大窗口的中心点B为代表（如图2所示）进行试验。现分别用场强探头测试小窗口均匀场在A点的场强和大窗口均匀场在A、B两点的场强，并绘制图7进行对比。

由图7可以看到小窗口均匀场在A点的场强基本上在10～14V/m范围内，而大窗口均匀场在A、B两点的场强很多频段上都较大地偏离了标称值，最大场强超过20V/m。在日常对EUT的测试中考虑到信号80%的调幅，这种偏离将会更大，必然影响到对EUT实际性能的判定。因此，总体上来说小窗口的场均匀性要优于大窗口。

3 结语

IEC 61000-4-3：2010与GB/T17626.3-2006相比在校准窗口的内容上做了更详细的说明，可见标准的制定者也考虑到选择合适的窗口在场均匀性校准中的重要性。

根据文中的试验数据及分析来看，笔者建议按照EUT的尺寸来选择校准窗口的大小，在窗口覆盖EUT的前提下尽量选择较小的尺寸，这样不仅更好地保证了试验的有效性和重复性，而且还提高了场均匀性校准的效率。例如日常试验中大部分EUT尺寸比较小，就可以选择0.5m×0.5m的试验窗口。但如果EUT的尺寸比较大，根据天线性能窗口无法覆盖它，则建议采用部分照射法，选择1.5m×1.5m甚至更大的窗口进行试验。另外考虑到试验场地的差异、吸波材料的性能、天线的性能、功率放大器的性能、EUT及其布线的特殊性等等因素，场均匀性校准窗口的选择有一定的灵活性，试验人员也要根据实际情况进行选择。

参考文献

[1] 杨文麟，雷炳新，苏洋.电波暗室综述[J].微波学报，2012（S3）：431-433.

[2] IEC 61000-4-3：2010Electromagnetic compatibility （EMC） - Part 4-3： Testing and measurement techniques –Radiated，radio-frequency， electromagneticfield immunity test[S]. 2010.

[3] 吴钒，谢鸣.电波暗室的设计及校准测试[J].安全与电磁兼容，2008（1）：71-74.

[4] 全国无线电干扰标准化技术委员会，全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容标准实施指南（修订版）[M].北京：中国标准出版社，2010：685-693.

[5] 孟东林，沙斐，王国栋.近距离观察电磁兼容暗室的场均匀性——电磁兼容暗室的有限元分析[J].微波学报，2007，23（3）：66-70.