关于聚苯乙烯泡沫试验桌的分析

刘 巍，刘 建，温建龙

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

测量不确定度是一个实验室重要的参数。在CISPR16-4-2中对测量不确定度的评定有详细的描述，在2011年以前的版本中，辐射骚扰测量不确定度的影响因素中并没有考虑试验桌，随着对测量结果可靠性要求越来越高，任何可能影响测量结果的因素都应予以考虑，所以2011年以后的版本中都增加了试验桌材料的影响因子。那么，如何评定试验桌的影响呢？在GB/T 6113.104里面有详细的流程，我们可以按照标准里面的规定对自己实验室的试验桌进行评估测试。

1 试验桌影响评估方法

基础标准GB/T 6113.104在第5.5章节中描述了试验桌影响的评估流程，并对发射天线做了规定，对于1 GHz以下的频率，应在试验桌上放置总长度小于0.4 m的小双锥天线，对于1 GHz以上的频率，应使用GB/T6113.104中8.3.31条款规定的天线（如宽带偶极子）。

试验桌应放置在试验场地的典型位置上，其最大尺寸（即矩形试验桌的对角线，或圆形试验桌的半径）应面向接收天线方向，如图1所示。

发射天线放置时，其水平极化天线参考点与试验桌表面之间的距离为0.1 m，而且发射天线的参考点处于接收天线轴线上试验桌中心与试验桌边角之间的中点之上，如图1和图2所示，同时要保证发射天线和接收天线的测量轴位于同一条直线上且振子互相平行。

图1 矩形试验桌上天线相对于试验桌边缘的位置（俯视图）示意图

图2 试验桌上天线的位置（侧视）示意图

为了确保除有/无试验桌之外测量布置无任何变化，发射天线以及信号发生器相连的电缆在空间中的位置应始终保持相同，也就是说测量时应尽量避免移动除了试验桌以外的其他设备。

在试验场地布置好之后，开始测量流程：

首先，信号源频率的步进应小于或等于所使用的最高频率的0.5%，同时天线接收到的电压电平应至少高于测量设备的噪声电平20 dB。

然后，接收天线和发射天线之间的距离要与辐射骚扰测量要求的距离相同，3 m或10 m。

标准中规定，对于频率低于200 MHz的电磁波，试验桌的影响忽略不计，所以评估开始频率是200 MHz。

接收天线应按辐射骚扰测量要求的高度范围内进行扫描，也就是1 m升到4 m，步进1 m。

将有试验桌和无试验桌两种配置按照流程各测一遍，然后记录下每个高度时所有频点的数据，最后从每个频点对应的4个高度的数据中找出最大值并记录下来。

测量数据的计算过程如下：

在每一个频率步进，两次测量结果之差值△（f）（单位dB）可由下式计算得到

式中，Vr，有（f）为有试验桌时在特定频率测得的最大电压，单位为分贝（微伏）[dB（µV）]；Vr，无（f）为无试验桌时在特定频率测得的最大电压，单位为分贝（微伏）[dB（µV）]。

整个频率范围内的最大差值△max（单位dB）可作为评估时的最大偏差。

由试验桌引入的标准不确定度u试验桌可由测得的最大差值来进行评估，并假设其符合矩形分布。因此u试验桌可由下式计算得到

如此，试验桌的整个评估过程结束。

2 相对介电常数的影响

介电常数反映的是介质的极化特性，属于物质的三个基本电磁参数之一。介电性能参数具有复数形式，实数部分称介电常数，虚数部分称损耗因子，损耗角的正切值tanθ表示材料与微波的耦合能力（是损耗因子与介电常数之比），损耗正切值越大，表明材料与微波的耦合能力越强。介电常数ε=ε0εr，其中真空中的介电常数ε0也叫绝对介电常数，是一个物理常量，约等于8.8×10-12（F/m）；εr通常称为相对介电常数，无量纲，真空的相对介电常数等于1。已知本实验室的聚苯乙烯泡沫试验桌的相对介电常数为1.05。

为了分析不同相对介电常数材料的试验桌造成的影响，我们利用HFSS仿真软件通过计算来分析。首先建立了对称阵子天线的模型，工作频率850 MHz，如图3所示；将天线放置在高1.1 m，长1.7 m，宽1.2 m的真空盒子中，运行仿真程序，我们得到天线的H面辐射方向图，天线增益基本在2 dB至3 dB之间，如图4所示；然后建立了聚苯乙烯泡沫试验桌的模型，高0.8 m，长1.5 m，宽1 m，相对介电常数设置为1.05，如图5所示。将对称阵子天线按照第一部分描述的方式配置，运行仿真程序，因为试验桌的相对介电常数与真空的相对介电常数相差无几，所以我们可以看到此时天线的方向图和刚才得到的方向图变化不是特别大，如图6所示，同时还可以查看一下电场在试验桌表面和内部的分布情况，如图7和图8所示，从图中可以看出，在试验桌表面，电磁场按照天线的E面辐射方向图分布，在天线的H面内，电磁场基本是球面波。

图3 对称阵子天线示意图

图4 对称阵子天线H面辐射方向图

图5 聚苯乙烯泡沫试验桌示意图

图6 相对介电常数为1.05时，天线H面辐射方向图

图7 相对介电常数为1.05时，试验桌表面电场分布

图8 相对介电常数为1.05时，试验桌内部电场分布

如果我们改变试验桌的相对介电常数，再来看看天线的方向图如何变化。将相对介电常数改为2.5，运行仿真程序，此时得到图9、图10和图11。天线H面辐射方向图跟原来的方向图就有很大的差别，天线增益在-9 dB至6 dB之间，而且起伏比较大，形成了几个没有主次的波瓣。再来看电磁场分布情况，在试验桌表面以及天线H面内，电磁场的分布已经不是理想的形状。

从HFSS仿真的结果来看，试验桌的相对介电常数越小，对天线辐射的影响也就越小。

图9 相对介电常数为2.5时，天线H面辐射方向图

图11 相对介电常数为2.5时，试验桌内部电场分布

3 实际测试数据分析

聚苯乙烯（Polystyrene，缩写PS）是指由苯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物，是一种无明显极性的材料，损耗角正切值小于0.005，并且不受频率和环境温度、湿度变化的影响，是优异电绝缘材料，其相对介电常数一般为2.6。聚苯乙烯（PS）有多种制作工艺，包括普通聚苯乙烯，发泡聚苯乙烯（EPS），高抗冲聚苯乙烯（HIPS）及间规聚苯乙烯（SPS）。发泡聚苯乙烯（EPS ）的相对介电常数可以做的很低，且不随频率变化，如本实验室的聚苯乙烯泡沫试验桌，厂家提供的数据就达到了1.05。

相对于聚苯乙烯材料的单一结构，木材的来源是在自然界生长的树木，木材的质地会因为外界环境的影响而有不同纹理，树木制成木材时纹理又分为径向、弦向和顺纹三种，同一颗树的径向、弦向和顺纹具有不同的相对介电常数，顺纹的相对介电常数大于径向和弦向，径向相对介电常数略大于弦向。另外，木材的含水率、密度、厚度等因素也会影响其相对介电常数，含水率越高，相对介电常数也就越大。

将试验桌和发射天线按照标准要求放置好，如图12所示，配置的难度在于如何将发射天线和接收天线轴线对齐，天线振子互相平行，尤其是高频喇叭天线的主瓣宽度较窄，很容易对不齐。

等场地布置好以后，按照第一部分描述的流程开始测量。受限于天线的性能，整个测量频率分成两段，200 MHz-1000 MHz和1 GHz-6 GHz，其 中200 MHz-1000 MHz的测量又细分为10 m处和3 m处，所得到的数据见图13-图15，红色菱形为聚苯乙烯泡沫试验桌的数据，蓝色三角形为木质试验桌的数据。

对于泡沫试验桌，从这三组数据中可以看出，10 m处低频的数据偏差比较小，3 m处高频的数据偏差最大，造成这种现象的原因除了试验桌本身影响外，还有摆放精准度和测试距离的因素，距离发射源越远、发射天线波瓣角度越大，电磁波越接近平面波，所以测量距离远的时候对摆放精度不如距离近时要求那么高。

对于木质试验桌，10 m处低频的偏差比泡沫试验桌大，3 m处低频的偏差跟泡沫桌差不多，3 m处高频的偏差比泡沫试验桌大，个别频点偏差特别大，考虑到木质试验桌的厚度只有泡沫桌的三分之一，同等条件下，木质桌应该会更差。

下面是按照式（2）从三组测量数据获得的最大偏差值：

图12 试验桌影响评估配置示意图

图13 两种试验桌10 m处最大偏差（200 MHz-1000 MHz）

图14 两种试验桌3 m处最大偏差（200 MHz-1000 MHz）

图15 两种试验桌3 m处最大偏差（1 GHz-6 GHz）

由上面的三个最大偏差值，我们可以根据式（3）得到试验桌对应的标准不确定度值

200 MHz–1 GHz （10 m处泡沫桌）

200 MHz–1 GHz （3 m处泡沫桌）

1 GHz–6 GHz （3 m处泡沫桌）

200 MHz–1 GHz （10 m处木质桌）

200 MHz–1 GHz （3 m处木质桌）

1 GHz–6 GHz （3 m处木质桌）

总体而言，泡沫桌的性能要优于木质桌。

4 结束语

我们可以看到木质试验桌的相对介电常数受制于木材的纹理、含水率和密度，使得木质试验桌的相对介电常数不具有一致性，即使是同一块木材制成的试验桌也是不一样的，而聚苯乙烯泡沫试验桌是工业化的产物，利用相关的制作工艺能够保证聚苯乙烯试验桌的质地保持一致，相对介电常数可以做到一致性，所以聚苯乙烯泡沫试验桌具有明显的优势。

目前，通用EMC标准中没有明确规定试验桌的相对介电常数的取值范围，但是如果各个实验室的试验桌的相对介电常数趋于一致的话，相对介电常数也不必最小，就能减小造成实验室比对数据差异的一个影响因子，这个是木质试验桌无法实现的。

当然，聚苯乙烯泡沫试验桌的价格也是一个不得不考虑的因素，相对木质试验桌，聚苯乙烯试验桌的价格是其价格的好几倍甚至十几倍，在试验过程中除了性能的考量，还要考虑经济效益，所以各个实验室可以根据自己的需求来选择适合自己的试验桌。