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屏蔽效能测试指南

发布时间:2020-01-20信息来源:国测

屏蔽效能测试指南
如今,嵌入式 数字处理芯片几乎已应用在所有方面:手机,厨房电器,制造设备,磁共振成像(MRI)系统-甚至贺卡。添加物联网,范围将爆炸。随着数 字技术的广泛使用,Wi-Fi,蓝牙,蜂窝和 其他形式的通信(包括更高频率的传输)得到了极大的扩展。


结果是,无论是在小型的,启用无 线功能的传感器中还是在豪华轿车中,对技术 的逐步使用都可能产生有害干扰。他们都 需要进行干扰测试,以确保 组织符合法规要求,无论它们是工程组,设计公司,设备制造商,电信公司,医学成 像供应商还是其他组织。


干扰测 试意味着使用屏蔽外壳。这些隔 离设备在数据安全以及防止对关键测量和处理设备的干扰方面也起着重要作用。


就像干 扰测试需要射频外壳一样,隔离系 统又需要自己的测试。本文档 回顾了测试射频外壳时的一些问题和注意事项。特别重 要的是需要评估屏蔽效果并制定外壳符合性测试计划。


屏蔽外壳的作用
屏蔽罩 是法拉第笼或接地的金属结构。它们都可以防止RF能量进 入外壳并泄漏出去。屏蔽外壳的类型包括MRI室,  用于测试实验室(HEMP或Tempest应用)的外壳,用于无 线通信行业的屏蔽外壳或机柜,以及用 于高压行业的大型屏蔽外壳。机箱的大小不一,从小盒 子到可以容纳飞机一样大物体的大区域。


小型机 箱可能具有全金属结构。较大的 机柜具有更复杂的要求。它们坐在地板上方,在机柜 顶部和建筑物的天花板之间有空间。由于外壳的尺寸,固体金 属太昂贵且笨重。相反,他们通 常采用金属网结构。只要网 格中的孔相对于频率波长较小,它们就 可以有效地阻止信号。即使某些RF能量确 实穿透了外壳壁,也应将其严重衰减,以至于 任何残留量都可以忽略不计。

屏蔽外 壳在两个主要方面发挥作用。较大的是合规性测试。美国,欧盟和 其他地方的监管机构通过IEEE-299或EN 50147-1等标准对RF信号实施了限制。没有强制性的限制,各种形 式的设备都可能发射任何数量的电磁辐射,并干扰医疗设备,通信系 统等的正常运行。


法规遵 从性要求对设备发射的信号进行测量并与相关标准进行比较。但是,测试过程面临挑战。大多数 环境都充满了广播电台,电视,蜂窝,Wi-Fi,卫星传输,太阳活 动和许多其他来源的射频能量。屏蔽外 壳将测试过程与外界信号干扰隔离开来,使工程 师能够更准确地测量设备信号电平和衰减,以与法规进行比较。


需要屏 蔽外壳的其他一般领域是与外界影响的电磁隔离。原因可 能是安全性和防止信息丢失或将电子过程与可能的意外干扰隔离开来。


屏蔽效能
屏蔽外 壳的隔离效果与阻止RF场向内 或向外扩展超出其壁垒的能力一样好。工程师,设计师 和科学家不能将其视为理所当然。


没有外壳是完美的。根据牛津大学2014年的研究,用于法 拉第网状笼子的传统数学模型存在缺陷,并且夸大了笼子内部RF场抵消的程度。


外壳结 构不可避免的方面会成为射频场破坏的根源。进入机 柜的门在其边缘周围具有铰链和空间,可以打开和关闭,从而在 屏蔽中产生薄弱点。边缘和 铰链的铜盖提供了额外的屏蔽。随着时间的流逝,尤其是 在可能遭受大量振动的制造工厂中,覆盖物可能会松动。


屏蔽外 壳经常会出现表面不规则现象,例如穿 过的管道或导管或火灾报警器。电缆互 连允许将笼子内部的电缆连接到外部电缆,可能需要进行修改,以更换 其他破坏屏蔽完整性的连接器。通风是另一示例,并且在屏蔽效果方面 通常是有问题的。


测试屏蔽外壳
即使没 有更改合规性标准,它们也 确实需要定期对外壳进行测试-根据标准,通常每 两年或两年进行一次测试,以证明 它们提供了必要程度的屏蔽效果。理想情况下,足以在 整个机箱壁上产生100 dB的衰减。在某些制造商,行业或应用中,60 dB至80 dB之间是可以接受的。


还有其 他原因可以测试屏蔽罩的有效性。对机箱 或其环境的修改可能表明需要进行测试。除了电 缆互连或地震事件外,还有两 个示例可能需要谨慎地重新测试屏蔽效果。电气方 面的产品重新设计,例如提 高无线操作的频率,需要验 证屏蔽对于新设计而言是否能继续正常工作。


外壳测 试的核心是测试计划。具体细 节因使用的排放标准而异。通常,它们涉 及测试过程的开发,该过程 使用基本测试过程来验证测试外壳中各个点的屏蔽效果。


基本程 序是进行测试的人员在外壳表面的一侧设置两个天线。通常,每个天 线都位于距外壳表面边缘30厘米处,并且尖端对尖端,尖端对 边缘或边缘对边缘对齐,因此最 大的发射或接收强度指向相对的天线。一个天 线连接到发射器,另一根 天线连接到接收器。连接到 发射机的信号发生器产生已知信号。对接收 器信号强度的测量使测试人员可以计算衰减


在测量信号衰减之前,人员必 须首先计算动态范围以确保精确的测量。人员将 发射和接收天线及相关设备设置在彼此相距60厘米处,但两者 之间没有任何东西。然后,他们测 量所得的最大信号。仅在接 收机工作的情况下进行单独测量会产生最小信号,这是天 线和接收机的地板噪声,并带有 额外的安全余量(通常为6 dB),以提供误差余量。使用功 率放大器及其额外的信号噪声将有必要再加上另一个通常为6 dB的因数。


动态范 围是最大和最小信号之间的差。动态范 围的量必须大于外壳屏蔽所需的信号衰减量。否则,衰减不 足似乎无非是系统噪声的掩盖效应。


该计划 列出了需要测试的机柜的特定点-通常是墙壁,地板,天花板,角落,门,突起和电缆隔板-以及人 员将在每个点进行测试的特定频率和相关的动态范围。


测试注意事项
天线类
天线设 计因其最能响应的频率而异。测试频率范围越广,所需天 线的选择范围就越广。监管标 准通常指定要使用的天线。在某些情况下,可能会有选择。例如,在300 MHz至1 GHz范围内,标准可 能会建议偶极子。相反,对数周 期天线可能是更有效的选择,因为附 加增益扩展了动态范围。任何替 代都需要测试计划中的文档以及动态范围的重新计算。


设备
该计划 应指出除了天线,接收器 和传输设备以外,还需要哪些设备。当测试 设置的动态范围不足时,这将包 括放大器和前置放大器。电缆长 度的规格很重要。电缆太 长会增加衰减并降低动态范围。但是电 缆必须足够长才能到达机柜的顶部和底部。


天线的 三脚架必须是不反射的。其他设 备可能包括在房间内移动的滚动推车,延长线 和各种常规工具。


典型的错误和遗漏
任何机 箱测试都可能由于计划或实施中的错误而失败。有三种典型的。


动态范围不足
在没有 足够动态范围的情况下进行测试经常会发生。结果是 无法信任的测量。解决方 案是确定动态范围,然后添 加放大或不同的天线设计以增加增益。


天线物理对准
天线未 对准会导致信号强度变弱,从而使 外壳产生更大衰减的错觉。使人员 远离天线和三脚架,可最大 程度减少有人不小心触摸其中一个单元并移动对准的可能性。另一个 很好的娱乐原则是对老木匠的格言进行改动,测量两次并切一次。在这种情况下,应进行三次测量:在测量衰减之前,请仔细 检查距离测量值。


频率对齐
确保所 有频率都正确匹配。
射频外 壳的维护需要定期测试以确保其有效性。制定可 靠的测试计划并注意细节,将能够 对设备进行有效且准确的RF测试

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