GTEM小室輻射發(fā)射自動測試的研究

摘 要：采用LabVIEW 軟件開發(fā)平臺編制了一套GTEM 小室輻射發(fā)射的自動測試程序，通過程序內(nèi)基于“總功率法”的開闊場關(guān)聯(lián)算法，以及場強(qiáng)值校正因子，可以直接將接收機(jī)在小室端口測得電壓值轉(zhuǎn)換為等效的開闊場場強(qiáng)值。此外，利用該程序?qū)η蛐闻紭O子天線的輻射發(fā)射進(jìn)行了測量。

• 引言

IEC61000 - 4 - 20 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將GTEM 小室作為電小尺寸EUT 輻射發(fā)射測試的替代設(shè)備，由于它的使用頻帶很寬，在DC ~18 GHz 范圍內(nèi)不需要象在開闊場及半波暗室中測量時(shí)那樣更換接收天線，因而使測試效率得到提高。并且造價(jià)低廉，不受環(huán)境噪聲的影響，測試步驟簡單，數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性好等等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使它有著很好的使用前景。但目前開闊場（OAT）仍然是輻射發(fā)射測試的標(biāo)準(zhǔn)測量裝置，受試設(shè)備（EUT）的極限值仍是以開闊場或半波暗室中測得數(shù)據(jù)為依據(jù)的，因此在GTEM 小室測得的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為等效的開闊場場強(qiáng)值。這就需要一套小室與OAT 的關(guān)聯(lián)算法，目前普遍使用的是“ 總功率法”。這套算法公式較為復(fù)雜，需要編程進(jìn)行計(jì)算。文中編制的自動測試程序能夠自動完成對干擾接收機(jī)的掃描控制和數(shù)據(jù)計(jì)算，并能顯示EUT 的等效開闊場輻射場強(qiáng)值曲線。

• GTEM 小室輻射發(fā)射測試原理

由于任何有限尺寸的輻射源都可以用產(chǎn)生相同輻射功率的多級子展開式來模擬。當(dāng)源是電小尺寸時(shí)，展開式的主導(dǎo)項(xiàng)即為電偶極矩和磁偶極矩，這樣就可以用公式計(jì)算出大地平面上的偶極子在一定條件下的輻射場。而GTEM小室的作用就是測量EUT 的輻射總功率，因此被稱作“總功率法”。對于許多簡單的已知輻射源，用一組三個(gè)正交位置上（見圖1）產(chǎn)生的電壓值就足以估算出輻射的總功率，而對于其它形式的EUT 則有必要測量更多位置上的電壓值，比如6個(gè)或9個(gè)位置甚至12個(gè)位置。文中所提到的輻射發(fā)射自動測試程序*支持多個(gè)位置（超過3 個(gè)）的測量。

EUT 在GTEM 小室里分別按圖1 所示的a、b、c 三個(gè)位置放置，用接收機(jī)測出EUT 輻射發(fā)射耦合到小室端口的電壓值V_p1、V_p2、V_p3。圖1 中（x，y，z）為GTEM小室的坐標(biāo)系，z 軸方向?yàn)?/span>GTEM 小室中電磁波的傳播方向，y 軸方向平行于電場方向，x 軸方向平行于磁場方向，而（x'，y'，z'）為被測物（EUT）的坐標(biāo)系。則EUT的總輻射功率為：

P0 =(η₀/3π)* (k₀²/e_0y²/Z_c)*(V_p1² + V_p2² + V_p3²)^1/2

圖1   EUT 在小室里的“三位置”示意圖

式中：V_P1、V_P2、V_P3為接收機(jī)在三個(gè)正交位置上測得的電壓；k 為波數(shù)即電磁波傳播單位長度所引起的相位變化；η₀為自由空間波阻抗；Z_c為TEM 波導(dǎo)特征阻抗；e_0y為場強(qiáng)因子即EUT位置上TEM 模的歸一化電場分量。

在給出幾何因子g_max后，EUT 在開闊場的等效大輻射場強(qiáng)可以表示為：

E_max = g_max* /（3η0/4π *P0）^1/2

式中：η0為自由空間波阻抗；其中，對于垂直極化：

g_max = e^-jk0r1 /r₁- e^-jk0r2/r₂

對于水平極化：

g_max = （s/r₁）²*e^-jk0r1/r₁+（s/r₁）²* e^-jk0r2/r₂

上兩式中：r₁為EUT 到接收天線的直線距離；r₂為EUT 的鏡像到接收天線的直線距離；s 為EUT到接收天線的水平距離，如圖2 所示。

圖2 模擬的等效開闊場測量布置圖

• 測試系統(tǒng)硬件配置

GTEM小室輻射發(fā)射自動測試系統(tǒng)由GTEM、干擾接收機(jī)、計(jì)算機(jī)、GPIB 接口卡和相關(guān)電纜組成，如圖3 所示。測量儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：GPIB 總線和RS232總線（串口），幾乎所有的儀器都具有這兩種總線接口。GPIB（General - Purpose

Interface Bus）標(biāo)準(zhǔn)也即IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)，是專為可程控儀器設(shè)計(jì)的，初由美國惠普公司提出，因此也稱HP - IB。通過GPIB 標(biāo)準(zhǔn)總線接口，不同廠家生產(chǎn)的各種不同儀器設(shè)備可以方便地組合成為一個(gè)完整統(tǒng)一的測試系統(tǒng)，并可連接多達(dá)14 臺GPIB儀器，對于大數(shù)據(jù)塊可實(shí)現(xiàn)超過750kb / s 的傳輸率。但GPIB接口卡和其連接線纜價(jià)格較為昂貴，可以考慮使用串口代替GPIB控制儀器。使用者可以自行按儀器要求制作簡易的串口線纜，一般儀器都采用交叉數(shù)據(jù)線來完成，文中采用簡單的串口線連接方式如圖4 所示。

圖3 輻射發(fā)射自動測試系統(tǒng)框圖

圖4 簡單的串口連接方式

此外，文中所編制的自動測試程序*支持這兩種不同接口類型對儀器的控制。

• 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GTEM輻射發(fā)射自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是基于LabVIEW 平臺開發(fā)和實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW 是由NI 研制的基于G語言（ 圖形化編程語言）的開發(fā)環(huán)境。G語言大大簡化了科學(xué)計(jì)算、過程監(jiān)控和測試軟件的開發(fā)，并可以在更廣泛的范圍內(nèi)得以應(yīng)用。因其面向用戶、方便等特點(diǎn)將是測控軟件平臺的一個(gè)發(fā)展方向。

GTEM小室輻射發(fā)射測量涉及的儀器雖然不多，主要是干擾接收機(jī)或頻譜分析儀，但傳輸和處理來自儀器數(shù)據(jù)的工作量較大，因此軟件在自動測試系統(tǒng)中占有重要的位置。

自動測試系統(tǒng)軟件有以下功能：

1. 參數(shù)設(shè)置功能。包括設(shè)置干擾接收機(jī)掃描頻段、步長、測量時(shí)間、檢波方式等校開闊場的天線高度、極化方向及測量距離；
2. 數(shù)據(jù)處理功能。將測量的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為開闊場下的輻射發(fā)射場強(qiáng)值，并可用線性或?qū)?shù)頻率坐標(biāo)顯示出干擾信號的頻譜分布曲線；
3. 數(shù)據(jù)的存儲與再現(xiàn)功能；
4. 測試報(bào)告功能。自動生成WORD 格式的測試報(bào)告并可進(jìn)行打印。

• 測試結(jié)果與分析

測試使用有源球形偶極子輻射天線作為EUT，它由內(nèi)置的石英晶體振蕩器產(chǎn)生基頻為30MHz 的方波信號，該信號經(jīng)過放大、整形，再經(jīng)電流開關(guān)變換，終饋入由兩個(gè)具有一定縫隙間隔的半球殼組成的球形偶極子向外輻射，該天線外徑只有100 mm，在30 MHz ~1000 MHz的頻率范圍內(nèi)的屬于電小尺寸，可以近似看成是短偶極子。將此球形偶極子天線按圖3 所示位置放入GTEM小室內(nèi)，注意旋轉(zhuǎn)時(shí)EUT 的幾何中心要保持不變。用軟件分別測出EUT放置在GTEM小室前測試區(qū)和后測試區(qū)時(shí)等效的開闊場（OATS）輻射場強(qiáng)值。為了分析EUT在小室中的不同測試位置對用軟件模擬的3m 法開闊場等效場強(qiáng)值的影響，我們從輻射曲線圖中提取出頻率為30MHz 的整數(shù)倍的頻點(diǎn)進(jìn)行比較。從圖5中可以看出，在前后測試區(qū)得到的兩組數(shù)據(jù)相差不大，誤差基本都在5 dB以內(nèi)?？梢姕y輻射發(fā)射時(shí)只要受試設(shè)備在GTEM小室符合場均勻性條件的有效工作區(qū)域內(nèi)，由位置引起的誤差不大。

圖5 在GTEM 小室前后測試區(qū)的場強(qiáng)對比圖

• 結(jié)論

基于LabVIEW 平臺的GTEM小室輻射發(fā)射自動測試系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、運(yùn)行效率高、數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性好的特點(diǎn)，同時(shí)軟件功能具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和重用性。此外，用GTEM小室替代開闊場做輻射發(fā)射測試大大縮短了測試時(shí)間和測試步驟，降低了測試成本。但是GTEM小室與開闊場或半波暗室之間測試數(shù)據(jù)的等效性還有待進(jìn)一步研究。