GTEM小室輻射發射自動測試的研究

摘 要：采用LabVIEW 軟件開發平臺編制了一套GTEM 小室輻射發射的自動測試程序，通過程序內基于“總功率法”的開闊場關聯算法，以及場強值校正因子，可以直接將接收機在小室端口測得電壓值轉換為等效的開闊場場強值。此外，利用該程序對球形偶極子天線的輻射發射進行了測量。

• 引言

IEC61000 - 4 - 20 標準已經將GTEM 小室作為電小尺寸EUT 輻射發射測試的替代設備，由于它的使用頻帶很寬，在DC ~18 GHz 范圍內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，不受環境噪聲的影響，測試步驟簡單，數據復現性好等等一系列的優點，使它有著很好的使用前景。但目前開闊場（OAT）仍然是輻射發射測試的標準測量裝置，受試設備（EUT）的極限值仍是以開闊場或半波暗室中測得數據為依據的，因此在GTEM 小室測得的數據需要轉換為等效的開闊場場強值。這就需要一套小室與OAT 的關聯算法，目前普遍使用的是“ 總功率法”。這套算法公式較為復雜，需要編程進行計算。文中編制的自動測試程序能夠自動完成對干擾接收機的掃描控制和數據計算，并能顯示EUT 的等效開闊場輻射場強值曲線。

• GTEM 小室輻射發射測試原理

由于任何有限尺寸的輻射源都可以用產生相同輻射功率的多級子展開式來模擬。當源是電小尺寸時，展開式的主導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，用接收機測出EUT 輻射發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為接收機在三個正交位置上測得的電壓；k 為波數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 波導特征阻抗；e_0y為場強因子即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

• 測試系統硬件配置

GTEM小室輻射發射自動測試系統由GTEM、干擾接收機、計算機、GPIB 接口卡和相關電纜組成，如圖3 所示。測量儀器與計算機之間的通信主要通過兩種方式實現：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）標準也即IEEE488 標準，是專為可程控儀器設計的，初由美國惠普公司提出，因此也稱HP - IB。通過GPIB 標準總線接口，不同廠家生產的各種不同儀器設備可以方便地組合成為一個完整統一的測試系統，并可連接多達14 臺GPIB儀器，對于大數據塊可實現超過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據線來完成，文中采用簡單的串口線連接方式如圖4 所示。

圖3 輻射發射自動測試系統框圖

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。

• 測試系統軟件設計

GTEM輻射發射自動測試系統的應用軟件是基于LabVIEW 平臺開發和實現的。LabVIEW 是由NI 研制的基于G語言（ 圖形化編程語言）的開發環境。G語言大大簡化了科學計算、過程監控和測試軟件的開發，并可以在更廣泛的范圍內得以應用。因其面向用戶、方便等特點將是測控軟件平臺的一個發展方向。

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

自動測試系統軟件有以下功能：

1. 參數設置功能。包括設置干擾接收機掃描頻段、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. 數據處理功能。將測量的原始數據轉換為開闊場下的輻射發射場強值，并可用線性或對數頻率坐標顯示出干擾信號的頻譜分布曲線；
3. 數據的存儲與再現功能；
4. 測試報告功能。自動生成WORD 格式的測試報告并可進行打印。

• 測試結果與分析

測試使用有源球形偶極子輻射天線作為EUT，它由內置的石英晶體振蕩器產生基頻為30MHz 的方波信號，該信號經過放大、整形，再經電流開關變換，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，注意旋轉時EUT 的幾何中心要保持不變。用軟件分別測出EUT放置在GTEM小室前測試區和后測試區時等效的開闊場（OATS）輻射場強值。為了分析EUT在小室中的不同測試位置對用軟件模擬的3m 法開闊場等效場強值的影響，我們從輻射曲線圖中提取出頻率為30MHz 的整數倍的頻點進行比較。從圖5中可以看出，在前后測試區得到的兩組數據相差不大，誤差基本都在5 dB以內?？梢姕y輻射發射時只要受試設備在GTEM小室符合場均勻性條件的有效工作區域內，由位置引起的誤差不大。

圖5 在GTEM 小室前后測試區的場強對比圖

• 結論

基于LabVIEW 平臺的GTEM小室輻射發射自動測試系統具有開發周期短、運行效率高、數據復現性好的特點，同時軟件功能具有很強的可擴展性和重用性。此外，用GTEM小室替代開闊場做輻射發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據的等效性還有待進一步研究。