测量电磁屏蔽体屏蔽效能的嵌套混波室方法

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 北京大泽科技有限公司

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。

反观 IEEE Std 299.1 规定的频率搅拌式嵌套混波室法，对被测屏蔽体除与机械搅拌式嵌套混波室法一样要考虑内部测量天线的安装布置及测量信号电平的引出外，不对被测屏蔽体进行其它的结构改变，所以，频率搅拌式嵌套混波室法的可操作性优于机械搅拌式嵌套混波室法。

2       传统测量方法与嵌套混波室测量方法比较

2.1    测量原理

传统测量方法是通过发射天线产生辐射场。在无屏蔽体时，且发射和接收天线按规定的高度和距离布置的情况下，测量发射波的信号电平即参考测量，获得的测量数据称为参考测量值 ；在有屏蔽体时，保持发射天线产生的辐射场、发射和接收天线的空间相对位置与参考测量时一致的情况下，测量透射波的信号电平即屏蔽测量，获得的测量数据称为屏蔽测量值 ；通过对参考测量值和屏蔽测量值的比较计算，得到被测屏蔽体在某一测量频点及某一测量位置的屏蔽效能值。

嵌套混波室测量方法是通过发射天线向测试混波室内（被测屏蔽体外）施加一个辐射场 ；然后，通过布置在被测屏蔽体外部和内部的两个接收天线同时分别对测试混波室的辐射信号和泄漏到被测屏蔽体内的辐射信号进行机械或频率搅拌测量，并获得被测屏蔽体外部和内部的两组测量数据 ；最后，通过对两组测量数据平均值的比较计算得到被测屏蔽体在某一测量频点的整体屏蔽效能值。

由此可见，传统测量方法是在有或无被测屏蔽体状态进行两次场强测量（参考测量与屏蔽测量），屏蔽效能是单一测量值之间比较 ；嵌套混波室测量方法是在有被测屏蔽体状态下对被测屏蔽体内部和外部场强多次测量（机械搅拌的所有搅拌器位置或频率搅拌的所有频率点），屏蔽效能是测量平均值之间比较。所以，嵌套混波室测量方法和传统测量方法就其原理而言，可以说有本质上的不同。

2.2    屏蔽效能测量结果的计算公式

在传统测量方法中，根据不同的测量项其屏蔽效能的计算公式可用磁场H、电磁E、电压V 或功率P 来表达。当测量值为功率时，屏蔽效能 SE 的计算公式 ：

SE=10lg（P0/P1）    （5）

式（5）中，P0 为参考测量值；P1 为屏蔽测量值。

比较式（3）、式（4）、式（5） 可见，IEC 61000-4-21 和 IEEE Std 299.1 给出的嵌套混波室测量方法的屏蔽效能计算公式，都是将被测屏蔽体外部的信号电平测量平均值看作式（5）的参考测量值，将被测屏蔽体内部的信号电平测量平均值看作式（5）的屏蔽测量值，而用这种单一测量值的数学表达式来等效嵌套混波室测量方法的测量平均值的计算公式显然是不合适的 ；更

为合理的嵌套混波室法屏蔽效能计算公式应按其多次测量取平均值的测量原理给出 ：

式（6）中，〈Pout〉为被测屏蔽体外天线所接收到的平均功率；〈Pin〉为被测屏蔽体内天线所接收到的平均功率。

2.3   影响屏蔽效能测量结果的因素

嵌套混波室测量方法和传统测量方法由于测量原理不同，还将导致影响屏蔽效能测量结果的因素不同。对于传统测量方法而言，式（5）有两层含义 ：一

是在参考测量和屏蔽测量过程中，由于辐射信号强度、收发天线相对位置、测量电缆和所用设备都没改变，故前后两次测量时，从发射天线端口到接收测量设备端口之间的信号传输系数（如电缆损耗系数、空间损耗系数和天线系数等）不变 ；即式（5）通过参考测量值和屏蔽测量值的比值使固定的传输系数相互抵消，仅保留了反映被测屏蔽体屏蔽性能的量（两次测量因插入被测屏蔽体等原因引起的传输系数的变化可作为测量不确定度考虑）。二是由于上述传输系数可抵消，故式（5）中屏蔽测量值仅与被测屏蔽体孔、缝尺寸和结构缺陷等原因造成的电磁泄漏有关。不会因屏蔽体结构尺寸的不同或结构材料的不同而发生变化。

对嵌套混波室测量方法来说，外部混波室（即测试混波室）或内部混波室（即被测屏蔽体）的测量平均值与各自的 Q 值相关，而 Q 值又与体积 V 相关 ：

式（7）中，〈Pt〉为对于外部混波室为发射信号的平均输入净功率，对于内部混波室为泄漏进去的信号的平均功率；〈Pr〉为外部混波室或内部混波室的平均测量功率；λ 为波长；V 为被测屏蔽体的体积。

另外，内外部混波室的 Q 值还与各自所用材料的特性相关 ：

式中，δx 为趋肤深度；μr 为相对磁导率；μ0 为真空磁导率； S 为屏蔽体表面积；ω 为角频率；σ 为电导率。

部分金属材料的相对磁导率和相对电导率见表 1。

混波室为了获得高 Q 值，通常采用铜板、铝板或镀锌钢板等表面为低相对磁导率的材料建造。屏蔽体主要为隔离电磁辐射，一般不考虑 Q 值问题，所以除铜、铝材料外，大多采用相对磁导率 μr 较高的钢铁材料。

通过对式（7）、式（8）和式（9）的推导可以看出：外部混波室和内部混波室的平均测量功率〈Pr〉分别与各自的〈Pt〉、Q、λ 和 σ 成正比，与各自的 V 和 μr 成反比。

通过表 1 可以看出 ：钢铁材料的相对磁导率 μr 对Q 值影响较大。

表 1   部分金属材料的相对磁导率和电导率

材料种类	相对磁导率 μr	电导率 σ
银	1	1.064
铜	1	1.000
金	1	0.700
铬	1	0.664
铝（软）	1	0.610
黄铜	1	0.350
锌	1	0.305
铅	1	0.079
铁（含杂质 0.2%）	200	0.170
钢	50~1000	0.100
冷轧钢	180	0.170
不锈钢	200	0.020

综上所述，在式（6）中被测屏蔽体外天线所接收到的平均功率〈Pout〉不变且泄漏进被测屏蔽体的信号电平值也不变（即孔、缝大小和结构缺陷一致）的情况下，当被测屏蔽体的材料相同时，其体积越大式（6）中〈Pin〉 越小 ；当被测屏蔽体的体积相同时，其使用材料的相对磁导率越大式（6）中〈Pin〉越小，反之亦然。

通过分析影响因素发现，对电磁波泄漏相同的被测屏蔽体，采用传统测量方法时，不管其结构尺寸或材料如何变化，得到的屏蔽效能测量结果相同 ；但采用嵌套混波室测量方法得到的屏蔽效能测量结果，会因被测屏蔽体的体积和材料的改变而不同。

2.4    屏蔽效能的术语定义

包含传统测量方法和嵌套混波室测量方法的 IEEE Std 299.1 对屏蔽效能的定义为“没有屏蔽体时接收到的信号值与在屏蔽体内接收到的信号值的比值，即发射天线与接收天线之间存在屏蔽体以后所造成的插入损耗”，实际上该定义仅符合传统方法的测量原理。嵌套混波室原理得到屏蔽效能测量结果的确切含义应为“屏蔽体外部接收到的发射信号平均值和屏蔽体内部接收到的泄漏信号平均值的比值”，但现有标准并没有给出准确定义该原理的“屏蔽效能”术语。

另外，值得一提的是，我国目前对“屏蔽效能”术语的标准定义，按被测对象划分为屏蔽体的“屏蔽效能”和屏蔽材料的“屏蔽效能”。 如 GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》和 GJB 72A-2002《电磁干扰和电磁兼容性术语》给出的是屏蔽体的“屏蔽效能”，且测量原理都为传统方法 ；GB/T 26667-2011《电磁屏蔽材料术语》和 GB/T 25471-2010《电磁屏蔽涂料的屏蔽效能测量方法》给出的是屏蔽材料的“屏蔽效能”，它们的测量原理也为传统测量方法（同轴法或窗口法）。随着嵌套混波室测量方法的应用，“屏蔽效能”的术语不能仅按被测对象的不同分别进行定义，还应根据屏蔽效能测量方法原理的不同分别对屏蔽体和屏蔽材料的“屏蔽效能”术语进行定义。

2.5    测量频率范围

在嵌套混波室方法中，制约其工作频率下限的是被测屏蔽体壳体的结构尺寸。而制约混波室工作频率上限的是测试设备的最高使用频率，与混波室本身无关。根据 IEEE Std 299.1 规定被测屏蔽体结构尺寸为 0.1~0.75 m，对于各边长为 0.75 m 的屏蔽体其测量频率下限约为 771 MHz，对于各边长为 0.1 m 的屏蔽体其测量频率下限约为 5.78 GHz。IEC 61000-4-21 虽然没有规定被测屏蔽体的结构尺寸，但被测屏蔽体的结构尺寸越大， 搬运布置越困难 ；例如 ：各边长为 2 m 的屏蔽体其测量频率下限为 289 MHz。另外，嵌套混波室方法仅能测量电场屏蔽效能，不能测量磁场屏蔽效能。

传统测量方法的测量频率范围与被测屏蔽体的结构尺寸无关，测量设备的技术指标是制约测量频率范围的主要因素。传统测量方法的测量频率范围为 50 Hz~110 GHz，不仅能完全覆盖嵌套混波室的测量频率范围，而且电场屏蔽效能可下探到 20 MHz，还能进行 50 Hz~20 MHz 的磁场屏蔽效能测量。

2.6 其 它

（1）嵌套混波室测量因为需要混波室，仅可在固定地点测量和检测便于搬运和布置的小型屏蔽体，而传统测量方法不存在这些限制。

（2）混波室工作在高 Q 环境，容易产生高场强（通常 100 W 的输入功率可以产生 kV/m 级别的场强），故嵌套混波室测量方法比传统测量方法更易获得较大的测量动态范围。

（3）嵌套混波室法得到的屏蔽效能测量结果是某频点被测屏蔽体的整体屏蔽效能 ；而传统测量法得到的屏蔽效能测量结果是某频点中某测量位置、某极化方式下的被测屏蔽体的局部屏蔽效能，某频点的整体屏蔽效能只有在完成该频点所有测量位置的两种极化方式的全部测量，比较得到最小值后才能确定。所以，嵌套混波室测量方法的测量时间应更短。

（4）混波室测量方法是对被测屏蔽体进行所有方向和极化的电磁波照射，不能给出极化和方向性等方面的信息，故难以判断被测屏蔽体的屏蔽缺陷对来自哪个方向和哪种极化的电磁波更敏感。而传统测量方法对被测屏蔽体分别进行垂直和水平极化的电磁波照射且电磁波传播方向确定，故能清楚的知道被测屏蔽体的屏蔽缺陷对来自哪种极化或哪个传播方向的电磁波的敏感程度是多少。

（5）嵌套混波室测量方法反映的是被测屏蔽体的整体屏蔽效能，故该方法不利于对其屏蔽缺陷进行定位。而传统测量方法的每次测量针对的是被测屏蔽体的某一局部，故该方法便于查找被测屏蔽体的屏蔽缺陷位置。

（6）嵌套混波室测量方法是在被测屏蔽体外部产生辐射场，更适用于进行防电磁干扰屏蔽体的屏蔽效能测量。传统测量方法可在被测屏蔽体外部或内部产生辐射场，所以，不仅适用于防电磁干扰屏蔽体的屏蔽效能测量，还适用于防电磁泄漏屏蔽体的屏蔽效能测量。

3       结语

采用嵌套混波室测量方法进行屏蔽体的屏蔽效能测量时，应注意以下问题 ：

（1）嵌套混波室测量方法与传统测量方法是两种不同的屏蔽效能评价方法，因此，这两种测量方法得到的屏蔽效能测量结果之间通常没有可比性。

（2）采用嵌套混波室测量方法时，由于测量结果与被测屏蔽体的体积和材料相关，所以，对于评价被测屏蔽体的屏蔽缺陷而言，同材料不同结构尺寸、同结构尺寸不同材料、材料和结构尺寸均不相同的被测屏蔽体，测得的屏蔽效能测量结果之间或没有可比性或可比性较差。只有结构尺寸和材料都相同的被测屏蔽体测得的屏蔽效能测量结果之间才完全可比。

（3）当对采用嵌套混波室测量方法得到的屏蔽效能测量结果有疑义时，宜以传统测量方法得到的屏蔽效能测量结果作为最终的评判依据。

如果采用嵌套混波室测量方法进行屏蔽材料的屏蔽效能测量，该方法与传统测量方法（同轴法或窗口法） 之间同样存在某些类似的差异，也应加以注意，不在本文赘述。

参考文献

[1]     沈涛 , 姚利军 . 混响室设计技术研究 [J]. 宇航计测技术 , 2005, 25(3): 26-31.

[2]     张林昌 . 混响室及其进展上 [J]. 安全与电磁兼容 , 2001(4): 2-8.

[3]    IEC 61000- 4-21 ：Testing and Measurement Techniques - Reverberation Chamber Test Methods[S], 2011.

[4]    IEEE Std 299.1: IEEE Standard Method for Measuring the Shielding Effectiveness of Enclosures and Boxes Having all Dimensions between 0.1 m and 2 m[S], 2013.