电磁兼容10米法半电波暗室的建造

近年来,随着我国的产品出口量逐年递增和国家对电子产品的电磁兼容性问题的重视,用于电子电气产品的电磁兼容性测试的实验室越来越多地被企业和机构采用。本文就华南国家计量测试中心10米法半电波暗室的建造作个总结,以期能对其它半电波暗室的建造提供帮助。

1半电波暗室介绍

产品的电磁兼容性测试主要考察两个方面的内容,一是产品在正常工作时对外产生的电磁骚扰,即EMI特性;二是产品在正常工作时对外来电磁骚扰的抗干扰能力,即EMS特性。在EMI测试里除了传导测试外,还需要测试空间辐射电磁波,后者对于测试场地的要求非常严格。最理想的电磁兼容测试场地是开阔试验场(Open Area Test Site),其基本结构是一个周围空旷,无反射物体,地面平坦且导电率均匀的金属接地表面。开阔试验场一般设计为椭圆形,被测物体和测试天线分别位于椭圆的两个焦点上,椭圆的长轴为焦距的2倍,短轴为焦距的倍,如图1所示。

为使被测产品的发射骚扰能从环境噪声中区分出来,标准规定,在EUT断电和所有辅助设备通电情况下测得的电磁环境电平应至少比标准规定的限值低6dB。然而,在当今复杂的电磁环境中,每个角落都充斥着各类电磁波,很难找到一片“电磁净土”。因此,目前最实用的方法是建造半电波暗室来替代开阔试验场进行电磁兼容试验。

半电波暗室的基本结构是在屏蔽室内部的四面墙上及顶部安装吸波材料,地面铺设金属板作为反射面,模拟电磁波在开阔试验场中的传播形式。对应不同的测试距离,半电波暗室主要分为3米法、5米法、10米法和30米法半电波暗室。

2半电波暗室的布局

电磁兼容测试一般分为骚扰测试和抗扰度测试两大类。骚扰测试又分为传导骚扰测试和辐射骚扰测试,抗扰度测试也分为传导抗扰度测试和辐射抗扰度测试。一般来讲,传导骚扰在传导测试屏蔽室内完成,辐射骚扰和辐射抗扰度测试在半电波暗室内完成。由于民标抗扰度测试标准对于环境电磁波要求不严,因此,从建造成本考虑,民标抗扰度测试可以在屏蔽室外完成。

完整的电磁兼容实验室主要由半电波暗室、控制室、功放室、传导测试屏蔽室及抗扰度测试室组成,其中半电波暗室、控制室、功放室为一个整体测试区域,主要用于辐射骚扰测试和辐射抗扰度测试,如图2所示。

310米法半电波暗室的建造

3.1 暗室方案的选择

建造电磁兼容半电波暗室是一项系统而复杂的工程,需要考虑使用者的测试类型、主要被测产品、测试等级等要求。常用的半电波暗室有3米法、5米法、10米法和30米法等几种。不同种半电波暗室在造价和运行成本相差甚远,尺寸越大,暗室造价和运行成本越昂贵。

实验室方案的确定需结合自身的具体情况来选择合适的实验室方案。需要考虑的主要问题概括为:一是实验室的测试频率范围,是用作军标测试还是用作民标测试,军标测试一般频率达到40GHz,而民标测试一般为30MHz～18GHz;二是实验室的用途,是用作诊断测试用还是第三方认证测试用,诊断测试用的暗室可以配置简单、实用为原则,而第三方认证测试用暗室须严格按照国际国内相关标准完成;三是实验室的投资预算成本,根据自身的投资预算选择实验室方案,实验室越大,建造费用越高。

3.2 暗室尺寸及结构组成

暗室的尺寸越大,造价越昂贵。对于标准3米法半电波暗室来说,暗室内空间尺寸要求一般为9m×6m×6m,对于标准10米法半电波暗室来说,暗室内空间尺寸要求一般为20m×12m×8m。如果采用足够好的吸波材料和技术手段,暗室的尺寸可适当减小。

暗室由外到内,一般由包含钢支撑架构、屏蔽体钢板、电源和信号滤波器、空调通风波导(分进风波导和出风波导)、屏蔽门、铁氧体片、尖劈吸波材料、照明灯具、墙面接口板、地面接口板、高架地板、转台、天线塔、控制器、监控系统、烟雾报警器、接地系统和配电系统等部分。

3.2.1 屏蔽门

屏蔽门是暗室的重要组成部分,也是暗室屏蔽效能最容易出现问题的地方。为达到暗室的整体屏蔽效能,屏蔽门通常采用双簧双刀结构。屏蔽门尺寸通常依被测物体的尺寸而定。3米法电波暗室主要用于测试尺寸较小的被测产品,一般只需配一个屏蔽门即可。10米法电波暗室常用于大尺寸被测产品,因此,通常配备两个屏蔽门,其中一个尺寸较大,用于大被测件进出暗室;另一个尺寸较小,方便人和小被测件的进出。

所有屏蔽门均应带有功放互锁装置,当门打开时,自动切断测试功率放大器,以保证测试人员的人身安全。

3.2.2 接口板

暗室接口板包含墙面接口板(AP)和地面接口板(CP)。墙面接口板用于暗室内部与控制室、功放室等外部区域的电源线、信号线及控制线的连接。地面接口板用于暗室内部测试设备和被测产品的供电、供气、信号线、控制线等的连接。

墙面接口板和地面接口板的接口类型、数目均需要结合测试设备和被测产品而定。墙面接口板常用的接口类型有N型接口、BNC型接口、FMSA型接口、SMA接口、光纤通道、波导管、电话线、控制线、气管接口等。地面接口板因布置位置不同使用功能有所不同,接口类型也大不相同。通常在转台中心位置的接口板主要功能是为保证被测产品正常工作,因此其接口板类型主要是供电、信号线、控制线等接口。位于3米、10米测量位置的接口板主要功能是为测试设备(如天线塔、天线等)服务,因此其接口类型主要包含电源接口、N型接口、BNC型接口、FMSA型接口、SMA接口、光纤通道、气管接口等。具体类型和数目应根据测试项目而定。

墙面接口板和地面接口板的布局位置和数目应根据实验室布局和功能而定。通常暗室与控制室、功放室、外部区域之间,控制室与功放室之间分别需要安装一个墙面接口板。地面接口的布局位置应根据室内测试功能来定,通常转台中心、距离转台中心1米、3米、10米等位置分别需要布置地面接口板。

如果有特殊测量要求,还需与暗室供应商协商在特定位置增加特殊的接口板,如本单位用于加油机电磁兼容测试需要增加输油接口板。此外,还需要考虑今后实验室升级的需求,预留一定的接口类型和接口数目。

3.2.3 滤波器

滤波器的作用是阻止暗室外部的干扰信号通过电源线、信号线或控制线进入暗室,影响测试结果。暗室滤波器包含电源滤波器、控制线和信号线滤波器。电源滤波器安装在室外电源线进口处,所有滤波器均需要接地,且距离接地点越近越好。考虑电源线的插入损耗,一般要求10kHz～14kHz的插入损耗80dB,14kHz以上插入损耗100dB。对于不同功率、电压和不同类型的电源应该选用不同型号的电源滤波器。

信号线和控制线滤波器包括两线电话线滤波器、ISDN信号滤波器、LAN以太网光电转换器、RS422光电转换器、RS232光电转换器等几种类型。

3.2.4 照明

普通的照明灯具可能会带来电磁骚扰,暗室照明一般采用骚扰较小的白炽灯或卤素灯,但是白炽灯和卤素灯的发热量大,因此照明灯具应安装在出风波导窗下,便于及时带走灯具产生的热量,延长灯具的使用寿命。

由于暗室高度较高,灯具应配备升降系统,可将灯具降至地面1.5m高度,以便于今后灯具的维护。

3.2.5 监视系统

为保护人身安全和防止人对测试结果的影响,测试过程中所有人应该在暗室外,因此暗室内需要配备摄像监视系统,以观察室内的测试情况。监视系统的骚扰水平应保持在一定的限值以下,以防干扰正常测试。此外,监视系统还需具备一定的抗干扰能力,以保证在辐射抗扰度测试时能正常工作。

3.2.6 铁氧体及吸波材料

为了保证暗室的低频和高频都具有较好的性能,暗室一般采用铁氧体和尖劈吸波材料配合使用的设计方案。铁氧体具有较好的低频吸收特性,而尖劈型吸波材料则对高频电磁波吸收效果好。吸波材料应具有阻燃性能、且可承受持续高场强辐射。其吸收电磁波性能和外形结构均应保持稳定。

3.2.7 配电系统

暗室的配电系统需要为暗室设备、测试设备、被测产品供电,其用电类型较为复杂。在考虑配电系统时,需要综合考虑各类型设备的用电需求,尤其是被测产品的用电需求。对于第三方认证实验室,由于很多被测产品出口到不同国家和地区,因此需要考虑不同的用电电压和频率要求。对于特殊被测件,如医疗射频设备的用电电流通常达到100A以上,因此在购买配电设备时需要考虑其电流承载要求。

此外,由于电磁兼容测试设备均为高精密仪器,对于电压的稳定性要求较高,因此,配电系统中需要配置稳压电源设备。

3.2.8 接地

电磁兼容实验室不管是暗室、屏蔽室、测试设备还是用于抗扰度测试的接地参考平面,都对接地系统有严格的要求。通常实验室要求有独立的接地点,且接地电阻应＜1Ω。为防止雷击损坏测试设备,设备接地点不得与建筑物接地点共用。

3.3 基建要求

电磁兼容实验室基础建筑是实验室建造的前提条件。在建造暗室前必须预先按照暗室的设计要求建好基础建筑,包括实验室的占地面积、室内地面承重、室内地面的平整度及必要的供水、供电、排水等方面。

由于实验室造价昂贵,且搬运成本高,实验室的选址应该立足长远,选择在周围无泥石流、山体滑坡、洪涝等自然灾害的地方,且实验室不宜随意搬迁。占地面积根据暗室尺寸而定,一般在暗室屏蔽墙体与基建墙体预留1～1.5米供暗室的空调管道及维护通道用。地面承重主要是指暗室的屏蔽体钢板、钢结构支架等重量,需要根据暗室施工方提出的承载要求做好地面承重处理。由于暗室在地面上会铺屏蔽钢板,因此要求地面平整度要求较高,一般在几米范围内,高度差不大于几个毫米。另外,还必须有效解决暗室区域的防潮、排水等问题。

此外,在基建的图纸设计确认及施工过程中,用户、土建施工方及暗室供应方三方应多加沟通,以保证基建能更好地满足暗室建造的需要。

4结语

10米法电波暗室的建造是一项系统而复杂的工程,整个建造过程主要涉及土建部分和暗室本身两部分。土建部分需要按照暗室的设计方案确定土建的施工方案,如尺寸要求、承重要求、防水、供电、空调、接地等方面。暗室本身部分需要依据自身的测试要求,对比各暗室供应商的投标文件中的技术要求选择合适的暗室供应商。确定暗室供应商后,应与其充分沟通以确定暗室的整体方案,如暗室各功能区的布局、暗室各组成结构的分布、是否需要针对特殊产品增加特殊配置等。

值得一提的是,在暗室方案的讨论过程中,用户应该协调土建方和暗室供应方多加沟通,以保证土建工程能更好的满足暗室的设计要求。此外,在基础建筑的施工和暗室的安装阶段,也需要现场监督好土建方和暗室供应方分别按照相关技术要求规范施工,以保证整个工程能顺利完成。

参考文献

[1]全国无线电干扰标准化技术委员会,全国电磁兼容标准化联合工作组,中国实验室国家认可委员会.电磁兼容标准实施指南[M].北京：中国标准化出版社,1999.

[2]CISPR11-2003，Industrial, scientific and medical (ISM) radio-frequency equipment-Electro magnetic disturbance characteristics Limits and methods of measurement[S].

[3]CISPR22-2006，Information technology equipment Radio disturbance characteristics Limits and methods of measurement[S].