GTEM小室辐射发射自动测试的研究

摘 要：采用LabVIEW 软件开发平台编制了一套GTEM 小室辐射发射的自动测试程序，通过程序内基于“总功率法”的开阔场关联算法，以及场强值校正因子，可以直接将接收机在小室端口测得电压值转换为等效的开阔场场强值。此外，利用该程序对球形偶极子天线的辐射发射进行了测量。

• 引言

IEC61000 - 4 - 20 标准已经将GTEM 小室作为电小尺寸EUT 辐射发射测试的替代设备，由于它的使用频带很宽，在DC ~18 GHz 范围内不需要象在开阔场及半波暗室中测量时那样更换接收天线，因而使测试效率得到提高。并且造价低廉，不受环境噪声的影响，测试步骤简单，数据复现性好等等一系列的优点，使它有着很好的使用前景。但目前开阔场（OAT）仍然是辐射发射测试的标准测量装置，受试设备（EUT）的极限值仍是以开阔场或半波暗室中测得数据为依据的，因此在GTEM 小室测得的数据需要转换为等效的开阔场场强值。这就需要一套小室与OAT 的关联算法，目前普遍使用的是“ 总功率法”。这套算法公式较为复杂，需要编程进行计算。文中编制的自动测试程序能够自动完成对干扰接收机的扫描控制和数据计算，并能显示EUT 的等效开阔场辐射场强值曲线。

• GTEM 小室辐射发射测试原理

由于任何有限尺寸的辐射源都可以用产生相同辐射功率的多级子展开式来模拟。当源是电小尺寸时，展开式的主导项即为电偶极矩和磁偶极矩，这样就可以用公式计算出大地平面上的偶极子在一定条件下的辐射场。而GTEM小室的作用就是测量EUT 的辐射总功率，因此被称作“总功率法”。对于许多简单的已知辐射源，用一组三个正交位置上（见图1）产生的电压值就足以估算出辐射的总功率，而对于其它形式的EUT 则有必要测量更多位置上的电压值，比如6个或9个位置甚至12个位置。文中所提到的辐射发射自动测试程序*支持多个位置（超过3 个）的测量。

EUT 在GTEM 小室里分别按图1 所示的a、b、c 三个位置放置，用接收机测出EUT 辐射发射耦合到小室端口的电压值V_p1、V_p2、V_p3。图1 中（x，y，z）为GTEM小室的坐标系，z 轴方向为GTEM 小室中电磁波的传播方向，y 轴方向平行于电场方向，x 轴方向平行于磁场方向，而（x'，y'，z'）为被测物（EUT）的坐标系。则EUT的总辐射功率为：

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

图1   EUT 在小室里的“三位置”示意图

式中：V_P1、V_P2、V_P3为接收机在三个正交位置上测得的电压；k 为波数即电磁波传播单位长度所引起的相位变化；η₀为自由空间波阻抗；Z_c为TEM 波导特征阻抗；e_0y为场强因子即EUT位置上TEM 模的归一化电场分量。

在给出几何因子g_max后，EUT 在开阔场的等效大辐射场强可以表示为：

E_max = g_max* /（3η0/4π *P0）^1/2

式中：η0为自由空间波阻抗；其中，对于垂直极化：

g_max = e^-jk0r1 /r₁- e^-jk0r2/r₂

对于水平极化：

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

上两式中：r₁为EUT 到接收天线的直线距离；r₂为EUT 的镜像到接收天线的直线距离；s 为EUT到接收天线的水平距离，如图2 所示。

图2 模拟的等效开阔场测量布置图

• 测试系统硬件配置

GTEM小室辐射发射自动测试系统由GTEM、干扰接收机、计算机、GPIB 接口卡和相关电缆组成，如图3 所示。测量仪器与计算机之间的通信主要通过两种方式实现：GPIB 总线和RS232总线（串口），几乎所有的仪器都具有这两种总线接口。GPIB（General - Purpose

Interface Bus）标准也即IEEE488 标准，是专为可程控仪器设计的，初由美国惠普公司提出，因此也称HP - IB。通过GPIB 标准总线接口，不同厂家生产的各种不同仪器设备可以方便地组合成为一个完整统一的测试系统，并可连接多达14 台GPIB仪器，对于大数据块可实现超过750kb / s 的传输率。但GPIB接口卡和其连接线缆价格较为昂贵，可以考虑使用串口代替GPIB控制仪器。使用者可以自行按仪器要求制作简易的串口线缆，一般仪器都采用交叉数据线来完成，文中采用简单的串口线连接方式如图4 所示。

图3 辐射发射自动测试系统框图

图4 简单的串口连接方式

此外，文中所编制的自动测试程序*支持这两种不同接口类型对仪器的控制。

• 测试系统软件设计

GTEM辐射发射自动测试系统的应用软件是基于LabVIEW 平台开发和实现的。LabVIEW 是由NI 研制的基于G语言（ 图形化编程语言）的开发环境。G语言大大简化了科学计算、过程监控和测试软件的开发，并可以在更广泛的范围内得以应用。因其面向用户、方便等特点将是测控软件平台的一个发展方向。

GTEM小室辐射发射测量涉及的仪器虽然不多，主要是干扰接收机或频谱分析仪，但传输和处理来自仪器数据的工作量较大，因此软件在自动测试系统中占有重要的位置。

自动测试系统软件有以下功能：

1. 参数设置功能。包括设置干扰接收机扫描频段、步长、测量时间、检波方式等校开阔场的天线高度、极化方向及测量距离；
2. 数据处理功能。将测量的原始数据转换为开阔场下的辐射发射场强值，并可用线性或对数频率坐标显示出干扰信号的频谱分布曲线；
3. 数据的存储与再现功能；
4. 测试报告功能。自动生成WORD 格式的测试报告并可进行打印。

• 测试结果与分析

测试使用有源球形偶极子辐射天线作为EUT，它由内置的石英晶体振荡器产生基频为30MHz 的方波信号，该信号经过放大、整形，再经电流开关变换，终馈入由两个具有一定缝隙间隔的半球壳组成的球形偶极子向外辐射，该天线外径只有100 mm，在30 MHz ~1000 MHz的频率范围内的属于电小尺寸，可以近似看成是短偶极子。将此球形偶极子天线按图3 所示位置放入GTEM小室内，注意旋转时EUT 的几何中心要保持不变。用软件分别测出EUT放置在GTEM小室前测试区和后测试区时等效的开阔场（OATS）辐射场强值。为了分析EUT在小室中的不同测试位置对用软件模拟的3m 法开阔场等效场强值的影响，我们从辐射曲线图中提取出频率为30MHz 的整数倍的频点进行比较。从图5中可以看出，在前后测试区得到的两组数据相差不大，误差基本都在5 dB以内。可见测辐射发射时只要受试设备在GTEM小室符合场均匀性条件的有效工作区域内，由位置引起的误差不大。

图5 在GTEM 小室前后测试区的场强对比图

• 结论

基于LabVIEW 平台的GTEM小室辐射发射自动测试系统具有开发周期短、运行效率高、数据复现性好的特点，同时软件功能具有很强的可扩展性和重用性。此外，用GTEM小室替代开阔场做辐射发射测试大大缩短了测试时间和测试步骤，降低了测试成本。但是GTEM小室与开阔场或半波暗室之间测试数据的等效性还有待进一步研究。