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那樣更換接收天線，因而使測試效率得到提高。并且造價低廉，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，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，展開式的主導(dǎo)項即為電偶極矩和磁偶極矩，這樣就可以用公式計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個或9個位置甚至12個位置。文中所提到的輻射發(fā)射自動測試程序*支持多個位置（超過3 個）的測量。

EUT 在GTEM 小室里分別按圖1 所示的a、b、c 三個位置放置，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 軸方向為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。測量儀器與計算機(jī)之間的通信主要通過兩種方式實現(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)塊可實現(xiàn)超過750kb / s 的傳輸率。但GPIB接口卡和其連接線纜價格較為昂貴，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

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、方便等特點將是測控軟件平臺的一個發(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. 測試報告功能。自動生成WORD 格式的測試報告并可進(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)。可見測輻射發(fā)射時只要受試設(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、運行效率高、數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性好的特點，同時軟件功能具有很強(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。