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测量电磁屏蔽体屏蔽效能的嵌套混波室方法
Nested Reverberation Chamber Measurement Method for
Shielding Effectiveness of Electromagnetic Shields
1 中国电子技术标准化研究院 2 北京无线电计量测试研究所 3 太阳集团电子游戏
沙长涛 1 沈涛 2 李立嘉 3
摘要
对电磁屏蔽体屏蔽效能的嵌套混波室测量方法的特点进行了理论分析，并通过与传统测量方法的比较，详细论述了两者之间的差异，归纳了采用嵌套混波室测量方法需要注意的问题。
关键词
嵌套混波室；屏蔽效能；测量
Abstract
In this paper, the characteristics of nested reverberation chamber measurement method of electromagnetic shielding effectiveness are analyzed theoretically. And by comparing with traditional measurement methods, the differences between them are discussed in detail. Also, the problems that should be paid attention when using nested reverberation chamber measurement method are summarized.
Keywords
nested reverberation chamber; shielding effectiveness; measurement
引言
2003 年国际电工委员会（IEC）发布了第一版
IEC 61000-4-21《电磁兼容性（EMC） 第 4-21 部分 ： 试验和测量技术 混波室试验方法》。该标准及后续修订版本主要提供了混波室的三类应用，辐射抗扰度试验（附录 D）和辐射发射测量（附录 E）为规范性附录 ；三种产品的屏蔽效能测量（附录 F~H）为资料性附录，即仅供参考采用，没有标准符合性要求，其中附录 H“箱体的屏蔽效能测量”介绍的就是应用嵌套混波室原理测量屏蔽体屏蔽效能的方法。
2013 年电气与电子工程师协会（IEEE）经多年研究之后，首次发布了 IEEE Std 299.1-2013《0.1~2 m 屏蔽壳体屏蔽效能的测量方法》。该标准规范了结构尺寸0.1~2 m 的屏蔽体屏蔽效能的测量方法，在 7.2 章节中给出的结构尺寸 0.1~0.75 m 的屏蔽体屏蔽效能的测量方法即为嵌套混波室测量方法，这是该方法首次在标准中成为规范性条款。
本文将对 IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 给出的嵌套混波室测量方法之间的同异进行分析比较，并对嵌套混波室测量方法和传统测量方法进行分析比较，提出采用嵌套混波室测量方法应注意的问题。
1 IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 中 嵌 套混波室测量方法比较
1.1 测量原理
所谓“嵌套混波室的方法”即指一个混波室置于另一个混波室内的方法。IEC 61000-4-21 和 IEEE Std299.1 给出的屏蔽体屏蔽效能的嵌套混波室测量方法基本原理相同，即将被测屏蔽体作为内部混波室置于测试混波室中，且在被测屏蔽体满足混波室条件（电磁波传输模式数至少为 60）频率范围内，按照混波室场强测量和数据统计的规则，对被测屏蔽体内外信号电平的测量平均值进行比较，得到被测屏蔽体的屏蔽效能。
IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 之 间 的 区 别是混波室的搅拌形式、测量值获取和测量数据计算。IEC 61000-4-21 采用机械搅拌式混波室原理，即要求测试混波室和被测屏蔽体都要安装机械搅拌器，某频点的测量结果为搅拌器所有位置获得的测量值的平均值 ；IEEE Std 299.1 采用频率搅拌式混波室原理，不需要安装机械搅拌器，某标称频点的测量结果是以该频点为中心频率设置一个带宽（频率搅拌带宽的选取准则见IEEE Std 299.1 中的条款 7.2.8），并在该带宽内取 n 个频点进行测量，然后将所有频点上获得的测量值的平均值作为该标称频点的测量结果。
1.2 计算公式
1.2.1 最低测量频率的计算公式
IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 规定的最低适用频率以屏蔽体内电磁波传输模式数至少为 60 为基本条件，其中 IEC 61000-4-21 给出了模式数 N 和最低适用频率的典型关系式 ：
式（1）中，N 为模式数 ；a、b、d 为屏蔽体三维尺寸 ； f 为工作频率 ；c 为光速。由于式（1）比较复杂，不易直接得到N=60 时的频率，所以用该式计算最低适用频率时，一般可采取逐步逼近的方法。
IEEE Std 299.1 给出的最低适用频率公式是将式（1） 中等号右侧减号后面部分假设为 0，且 N=60 时的简化式，见式（2）。
式（2）中，fmin 为最低适用频率 ；c 为光速 ；V 为屏蔽体的体积。
由式（2）可见，当被测屏蔽体的体积已知时，可直接算出 fmin。但因式（2）是从式（1）简化而来，故用该式计算出的 fmin 是近似值。
由式（1）和式（2）可知，最低适用频率与被测屏蔽体的体积直接相关且成反比，即被测屏蔽体的体积越大则最低适用频率越低。
1.2.2 屏蔽效能测量结果的计算公式
IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 给出的屏蔽效能
SE 计算公式的表示形式略有不同，但物理含义一致。IEC 61000-4-21 中 SE 的计算公式见式（3），IEEE Std
299.1 中 SE 的计算公式见式（4）。
式（3）中，PRef 为耦合到参考天线的功率 ；PEUT 为耦合到 EUT 内的功率。
SE=-10lg（Pin/Pout） （4）
式（4）中，Pin 为被测屏蔽体内天线所接收到的功率 ；
Pout 为被测屏蔽体外天线所接收到的功率。
由式（3）和式（4）可以看出，它们都采用了与传统测量方法相同的对单一测量值进行比较的数学表达式，没有反映出嵌套混波室测量方法 , 采用多次测量取“测量平均值”进行比较的原理特点。与屏蔽效能计算公式相关的问题，将在嵌套混波室测量方法和传统测量方法的比较中进一步讨论。
1.3 被测屏蔽体结构尺寸限制条件
IEC 61000-4-21 规定“被测屏蔽体距测试混波室的壁面应至少为 λ/4”，即该标准对被测屏蔽体结构尺寸的限制条件与测试混波室结构尺寸及测量频率相关，但没有固定的限制值。也说明在理想情况下，被测屏蔽体的结构尺寸与测试混波室的结构尺寸成正比，故可以测量较大尺寸屏蔽体的屏蔽效能。之所以称为理想情况下， 是因为在实际工程应用时，被测屏蔽体的尺寸还将受到测试混波室出入口尺寸、搅拌器尺寸和搬运布置条件的限制。
IEEE Std 299.1 对被测屏蔽体结构尺寸的限制条件给出了 0.1~0.75 m 的明确规定，即固定的限制值。但在实际工程应用中，测试混波室结构尺寸和出入口尺寸应满足被测屏蔽体测量布置的要求。
从这两个标准对被测屏蔽体结构尺寸的限制条件可见，依据 IEC 61000-4-21 方法可以测量结构尺寸更大的屏蔽体。但从另一个角度来说，由于依据 IEEE Std299.1 方法不需要在被测屏蔽体内部安装机械搅拌器，故采用该方法可以测量结构尺寸更小的屏蔽体。
1.4 可操作性
由于 IEC 61000-4-21 规定的机械搅拌式嵌套混波室法要求内外混波室都是机械搅拌式的混波室，故在被测屏蔽体内部需安装机械搅拌器后才能进行屏蔽效能测量，这就使该方法的可操作性大大下降。
首先，对屏蔽体所有者和测试方而言，给不同结构尺寸的被测屏蔽体设计安装与之匹配的机械搅拌器是一件比较困难或根本无法完成的工作，可能需要第三方来负责实施，从而增加测试的材料、人员和时间成本。
其次，虽然机械搅拌器安装在被测屏蔽体内部，但通常驱动电机和驱动控制电路是安装在被测屏蔽体外部的，这势必要在被测屏蔽体上额外增加开口，而对开口缝隙进行的任何屏蔽处理都难以达到被测屏蔽体的原有屏蔽效果，这种结构直接影响被测屏蔽体的屏蔽效能指标。
再次，安装于被测屏蔽体外部的驱动控制电路在整个测量过程中都处于强电磁干扰环境下，为避免强电磁干扰对驱动控制电路的正常工作造成影响，还需对其采取良好的屏蔽措施。