ABSTRACT

Shielding effectiveness, a measure of the ability of a shield to isolate or limit electromagnetic waves, is the main indicator of shielding materials. Therefore, standardizing and appropriately applying shielding effectiveness testing techniques occupy a very influential position. Nowadays, there are dozens of standards for shielding effectiveness testing here, including national standard, national military standard, industry standard, etc. Although the experimental data could be obtained by all of these methods, they are quite different under different test conditions, which hinder the application of shielding materials. Based on the basic principle of measurements of shielding effectiveness, this paper analyzes the main measurements of shielding effectiveness of materials by current standards. Through the verification of test of flat screen materials, it compares the differences of shielding enclosure measurements between GB/T 12190-2006 and GB/T 30142-2013. Further, various antenna testing distances and calibration references are tested to provide some guidance for shielding material design and equipment integrated planning.

Keywords:Shielding Materials, Shielding Effectiveness, Shielding Enclosures, Window, Measurement

材料屏蔽效能测试方法比较研究

许晓丽，李哲，吕德涛，马志梅

中国电子科技网络信息安全有限公司，山西 太原

收稿日期：2017年12月10日；录用日期：2017年12月21日；发布日期：2017年12月28日

摘 要

屏蔽效能是对屏蔽体隔离或限制电磁波的能力的度量，是反映屏蔽材料最主要的指标，因此，屏蔽效能测试技术的规范性、适用性至关重要。目前屏蔽效能测试标准已有十几种，包括国标、国军标、行标等，虽然每种方法都能获得实验数据，但不同测试条件下的实验数据差异性很大，影响到屏蔽材料的应用。该文从屏蔽效能测试基本原理入手，分析了现行标准中材料屏蔽效能的主要测试方法，并通过平面屏蔽材料试验验证，对比了GB/T 12190-2006和GB/T 30142-2013中屏蔽室窗口测试法的差异性，进一步试验了不同天线测试距离和校准参考方式对测试结果的影响，以期为屏蔽材料的设计和装备整体规划提供一定的指导。

关键词 :屏蔽材料，屏蔽效能，屏蔽室，窗口，测试方法

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1. 引言

随着信息技术飞速发展，种类繁杂的信息设备为人们带来了方便和高效，改变了人们的生活；同时也使电磁环境日益复杂，随之而来的电磁信息泄漏、电磁兼容和电磁干扰等问题，影响着电子设备、人类及生态环境的安全，电磁屏蔽技术已具有不可或缺的重要作用。电磁屏蔽就是采用屏蔽材料组成封闭体，利用材料对电磁波产生各种响应机制和作用，将电磁辐射的影响和危害限定在一定的空间内、防止其传播与扩散的技术。屏蔽效能是对屏蔽体隔离或限制电磁波的能力的度量 [1] ，是屏蔽材料最主要的指标，因此，对材料屏蔽效能测试规范化研究是提高整体电磁屏蔽水平的关键所在。

目前根据不同对象，国内已有多种层面的测试标准规范，包括对于装备、设施屏蔽效能的测试标准有GJB 6785-2009《军用电子设备方舱屏蔽效能测试方法》、GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》、GJB 3039-1997《舰船屏蔽舱室要求和屏蔽效能测试方法》等；对于系统、整机屏蔽效能的测试标准有GJB 5792-2006《军用涉密信息系统电磁屏蔽体等级划分和测量方法》、GJB 5240-2004《军用电子装备通用机箱机柜屏蔽效能要求和测试方法》、GJB 5362-2005《导弹壳体屏蔽效能测量方法》、GJB 5185-2003《小屏蔽体屏蔽效能测量方法》等；对于材料屏蔽效能的测试标准主要有GB/T 30142-2013《平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》、GJB/Z 158-2011《军用装备电磁材料电磁屏蔽性能数据手册》、GB/T 25471-2010《电磁屏蔽涂料的屏蔽效能测试方法》、GJB 6190-2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》等，标准不断完善，屏蔽效能测试技术得到进一步的发展。

然而，虽然每种方法都能获得实验数据，但不同测试条件下的实验数据差异性很大，严重影响到屏蔽材料的使用。本文从屏蔽效能测试基本原理入手，通过材料屏蔽效能测试方法比较试验，力求为科研生产使用人员提供使用现行材料屏蔽效能测试标准的指导，确保数据尽可能符合实际使用。

2. 材料屏蔽效能测试方法介绍

2.1. 屏蔽效能定义

根据不同场源电磁场性质不同，屏蔽通常分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。在频率较低情况下(一般为30 MHz以下)电磁干扰发生在近场，而近场中随着源的特性不同，电场分量和磁场分量有很大差别，高压低电流源以电场为主，只考虑电场屏蔽；低压大电流源以磁场为主，只考虑磁场屏蔽；随着频率增高，电磁辐射能力增加，趋向于远场干扰，形成生辐射电磁场耦合，需考虑电场和磁场共同作用下的电磁屏蔽 [2] 。因此，针对不同场源，材料屏蔽效能有几种表达方式，可定义为在同一激励电平下，有屏蔽材料与无屏蔽材料时所接收到的电压、场强或功率之比。以对数表示的数学表达式为 [3] ：

$SE=20\lg \left|\frac{H_0}{H_1}\right|=20\lg \left|\frac{E_0}{E_1}\right|=20\lg \left|\frac{V_0}{V_1}\right|=10\lg \left|\frac{P_0}{P_1}\right|\left(\text{dB}\right)$ (1)

式中，H₀、E₀、V₀、P₀——无屏蔽材料时接收磁场强度(A/m)、电场强度(V/m)、电压(V)、功率(W)；H₁、E₁、V₁、P₁——有屏蔽材料时接收磁场强度、电场强度、电压、功率。

2.2. 屏蔽效能测试方法种类

屏蔽效能测试包括了信号的产生、放大、传输和测量等内容。现行关于材料屏蔽效能测试主要有GB/T 30142-2013、GJB/Z 158-2011、GB/T 25471-2010、GJB 6190-2008等都有详细规定。其中GB/T 30142-2013是在以上标准的基础上总结归纳而来，其规定的测试方法有屏蔽室窗口测试法、小屏蔽体窗口测试法、30 MHz~1.5 GHz法兰同轴装置测试法及30 MHz~3 GHz法兰同轴装置测试法 [4] 。

2.3.1. 屏蔽室窗口测试法

屏蔽室是一个由低电阻金属材料构成的接地封闭室，使内部不受外界电、磁场的影响或使外部不受其内部电、磁场影响的一种结构，测试时用来模拟理想电磁环境。屏蔽室窗口测试法是依据电磁波的等效传输线理论，通过在其面板上开窗的方式，将受试样安装在测试窗口上，发射和接收设备置于测试窗口内外两侧进行测量，是被广泛应用的一类测试方法。

如图1所示，屏蔽室窗口测试法一般有0.6 m窗口和1 m窗口两种，适用频率范围为10 kHz~40 GHz，可拓展至50 Hz~100 GHz；主要对低频段10 kHz~20 MHz磁场源近场、电场源近场；谐振频段20 MHz~300 MHz、高频段300 MHz~1 GHz、高频段1 GHz~40 GHz平面波远场进行屏蔽效能测试。

2.3.2. 小屏蔽体窗口测试法

小屏蔽体相当于一个封闭屏蔽小室，测试原理与屏蔽室窗口测试法相同，测试时为了不影响测试数据，一般在较大的开阔场地或微波暗室中进行，动态范围较高，测试窗口通常为0.3 m窗口，适合较小尺寸屏蔽材料的平面波远场屏蔽效能测试，适用频率范围为1 GHz~18 GHz，如图2所示。

2.3.3. 法兰同轴装置测试法

法兰同轴装置是一种同轴传输线小室，能够提供均匀平面波测量环境，是理想的均匀场模拟装置。法兰同轴装置测试法是依据电磁波的等效电路原理 [5] ，如图3所示，同轴传输线小室由内导体和外导体组成，内导体为连续导体，外导体为法兰，可以拆卸，安装测试样品，法兰同轴装置测试法适用频率范围为30 MHz~3 GHz，可对厚度小于10 mm、f115 mm以下电薄材料的平面波屏蔽效能进行测量，动态信号接收范围可到120 dB，具有较好的重复性，适合产品在线质量控制时的测量。

3. 屏蔽效能测试对比研究

屏蔽效能测试数据除决定于材料的本征电磁参数外，与测试方法有极大关系，目前对于装备屏蔽效能的测试标准主要有GJB 6785-2009、GB/T 12190-2006、GJB 3039-1997等；对于系统、整机屏蔽效能的测试标准有GJB 5792-2006、GJB 5362-2005、GJB 5240-2004、GJB 5185-2003等，因此，装备与材料屏蔽效能测试方法的差异对屏蔽效能的影响是一个值得探讨的问题，本文以GB/T 12190-2006 (简称GB12190)和GB/T 30142-2013 (简称GB30142)为例对其测试方法进行对比研究。

图1. 屏蔽室窗口测试法示意图

图2. 小屏蔽体窗口测试法示意图

图3. 法兰同轴装置测试法示意图

GB12190和GB30142采用屏蔽室法进行屏蔽效能测试时，其测试系统组成及测试设备要求基本相同，表1列出了两标准对测试天线类型及推荐测量频率点规定。

两标准对测试天线距离的规定中，低频段9 kHz~20 MHz规定相同，发射、接收天线与受试样间距离均为0.3 m；谐振频段20 MHz~1000 MHz规定的参考距离相同，均为2.0 m，但GB12190规定了发射天线与受试样距离1.7 m，接收天线与受试样距离为0.3 m；GB30142规定了发射、接收天线与受试样间距离均为0.6 m；高频段1 GHz~18 GHz规定的参考距离、发射、接收天线与受试样间距离均不相同，具体见表2。

此外，两标准的校准参考方式不同，GB12190的校准参考方式采用自由空间 [6] ，GB30142采用窗口校准方式。

为避免测量结果的失真和无效，GB30142规定了测试窗口为0.6 m窗口，即测试窗口尺寸为600 mm × 600 mm，低频达到环天线直径的4倍以上，高频达到标准增益喇叭天线口径尺寸的2~3倍以上 [7] ，为

表1. 测试天线类型及推荐测量频率点表

表2. 天线测试距离对比表

此，本文基于屏蔽室0.6 m窗口，选取平面屏蔽材料作为受试样，按照以上推荐频点进行频率范围为10 k~18 GHz的屏蔽效能测试试验。

3.1. 试验方案

a) 受试对象：平面丝网屏蔽材料，基本参数为：尺寸600 × 600，结构165目/052，σ_r = 0.3，μ_r = 636。

b) 测试环境：3 m法钢板屏蔽室，开有0.6 m方形测试窗口。系统测量动态范围为：>60 dB/14 kHz；>80/200 kHz；>100/450 kHz~18 GHz。归一化场地衰减测试的NSA值与理论的NSA值相比较，误差在±4 dB以内，根据屏蔽室尺寸可粗略计算出其最低谐振点分别为：63 MHz。

c) 测试仪器设备：射频信号发生器、微波信号发生器、功率放大器、频谱分析仪、环天线(套)、双锥天线、对数周期天线、双脊喇叭天线、传输线缆、衰减器等，依据不同场源要求选择天线和测试电缆搭建测试环境 [8] 。

d) 测试步骤：

i) 将测试系统置于屏蔽室外，按GB12190规定，在自由空间条件下，测试天线中心正对，测得接收机的接收功率，作为参考数据，定义为“自由空间校准值”A1 (dBm)；

ii) 将信号源、发射天线置于屏蔽室外，接收天线、频谱分析仪(接收机)置于屏蔽室内，测试天线中心正对测试窗口中心，在窗口敞开条件下，分别按GB12190和GB30142规定的测试距离，测得接收机的接收功率，作为参考数据，定义为“窗口校准值”A2 (dBm)和“窗口校准值”B2 (dBm)；

iii) 将受试样铺设于测试窗口，导电压接牢固，保持与ii)同样条件，再次按GB12190和GB30142规定的测试距离，测得接收机的接收功率，作为衰减数据，定义为“窗口测试值”A3 (dBm)和“窗口测试值”B3 (dBm)；

iv) 按屏蔽效能定义，由“窗口测试值”减去“自由空间校准值”或“窗口校准值”，得出“GB12190测试屏蔽效能”SE1 (dB)、“GB12190窗口校准屏蔽效能”SE1’和“GB30142测试屏蔽效能”SE2 (dB)。

3.2. 试验结果分析

3.2.1. 屏蔽效能测试结果

GB 12190-2006和GB/T 30142-2013的屏蔽效能测试结果见表3。

将表3数据绘制成曲线图4，可以看出，两标准测试的屏蔽效能区别还是很明显的，在1 GHz以下，SE1普遍高出SE2近7 dB；在1 GHz以上，SE1与SE2差值近5 dB，呈波浪交叉形态。其中在80 MHz出现屏蔽效能异常点，由于80 MHz是在屏蔽室的谐振频段范围内，最大可能是由于窗口谐振使测试值出现异常，因此，测试时应特别注意避开屏蔽室的固有谐振频率。

表3. 屏蔽效能表

本文对两标准差异的原因从电磁辐射传输过程的基本理论进行分析。按照Schelkunoff等效传输线原理，电磁波在自由空间传播的过程与行波在传输线中传输过程相似，可利用传输线方程来分析计算，这里传输线就是传输电磁能量的线路系统 [9] 。在测试中，电磁辐射传输过程包括：发射天线发射电磁波，经过自由空间场辐射到屏蔽室壁，经窗口进入屏蔽室，在屏蔽室腔体传播后，由接收天线接收。此过程中，电磁波能量损耗主要包括自由空间场传播损耗、屏蔽室壁及窗口(受试样)损耗、以及屏蔽室腔体损耗，见图5所示。

1) 自由空间场传播损耗

天线发射电磁波在自由空间传播时，其能量损耗简化计算可用下式(2)表示 [10] ：

$PL=20\lg \left(f\right)+20\lg \left(d\right)+32.4$ (2)

式中，PL——自由空间损耗，单位：dB；

f——频率，单位：MHz；

d——距离，单位：Km。

可知，在频率一定的情况下，发射天线距离窗口越远，自由空间对电磁波的损耗衰减越大，距离从1 m增加到1.7 m，PL将增加4.6 dB；距离从0.6 m增加到2 m，PL将增加10.4 dB。

2) 屏蔽室窗口损耗

屏蔽室窗口对电磁波的损耗可采用截止波导理论解释，将屏蔽室窗口模拟为一种矩形波导结构，存

图4. 屏蔽效能曲线

图5. 屏蔽效能测试系统组成示意图

在一个截止频率f_c：

$f_c=\frac{15}{w}\left(\text{GHz}\right)$ (3)

式中，w——矩形窗口长边长度，单位：cm。

电磁波在穿过屏蔽室窗口时，可以采用公式(4)求得窗口屏蔽效能 [2] ：

$SE=1.823\times {10}^{-9}{f}_c\sqrt{1-{\left(\frac{f}{f_c}\right)}^2}\cdot t\left(\text{dB}\right)$ (4)

式中，f——频率，单位：Hz；

t——屏蔽壁厚度，单位：cm。

本文屏蔽室窗口尺寸为60 cm × 60 cm × 20 cm，计算出其截止频率为0.25 GHz，屏蔽效能接近9 dB，当频率大于0.25 GHz时，屏蔽室窗口对电磁波基本不产生损耗。

3) 屏蔽室腔体损耗

电磁波在屏蔽室内的传播与自由空间场不同，当电磁波进入屏蔽室腔体后，电磁波遇到地面、天花板、墙壁等不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等，形成腔体损耗。根据Schelkunoff传输线理论，将屏蔽室腔体等效为无限长的导体板，屏蔽效能见式(5) [2] ：

$SE=R+A+B\left(\text{dB}\right)$ (5)

其中，R——反射损耗，计算公式为：

$R=168-10\lg \left[\frac{f{\mu }_r}{{\sigma }_r}\right]\left(\text{dB}\right)$ (平面波) (6)

$R=3.217-10\lg \left[\frac{f^3{r}^3{\mu }_r}{{\sigma }_r}\right]\left(\text{dB}\right)$ (电场) (7)

$R=20\lg \left(5.35r\sqrt{\frac{f{\sigma }_r}{{\mu }_r}}+0.354+\frac{1.17\times {10}^{-2}}{r}\sqrt{\frac{{\mu }_r}{f{\sigma }_r}}\right)\left(\text{dB}\right)$ (磁场) (8)

A——吸收损耗，计算公式为：

$A=131t\sqrt{\left(f{\mu }_r{\sigma }_r\right)}\left(\text{dB}\right)$ (9)

B——材料内部多次反射损耗，计算公式为：

$B=10\lg \left[1-2\times {10}^{-0.1A}\cos \left(0.23A\right)+{10}^{-0.2A}\right]\left(\text{dB}\right)$ (10)

式中，f——频率，单位：Hz；

t——屏蔽壁厚度，单位：m；

r——发射天线至屏蔽室材料距离，单位：m；

μ_r——相对磁导率；

σ_r——相对电导率。

由上式可知，屏蔽室腔体对电磁波具有很强的反射特性。因此，室内接收天线接收到的电磁波除了来自发射天线的直接辐射外，来自屏蔽室腔体表面的反射波也不能忽略，即屏蔽室内接收天线处的电磁场是直射波与各种反射波的合成场，合成场加强或减弱取决于直射波与反射波到达接收天线的波程差，当直射波与反射波的波程差是半波长的奇数倍时，二者相加后合成场将加强；当波程差是半波长的偶数倍时，合成场将减弱。直射波与反射波到达接收天线的波程差又取决于接收天线与窗口的距离、屏蔽室空间尺寸等因素 [11] ，接收天线距离越远，接收到的电磁波受反射波影响越大。

综上分析，屏蔽效能测试数据是一个自由空间场传播损耗、屏蔽室窗口(受试样)损耗和屏蔽室腔体损耗的综合结果，影响因素较多，为此，本文以试验的方式对两标准的天线测试距离和校准参考方式进行了对比测试，以直观反映其差异性。

3.2.2. 天线测试距离的影响

本文试验了在相同0.6 m窗口下，依据GB12190和GB30142对天线测试距离的规定，进行屏蔽效能测试，测试结果见表4。

为了直观，本文将两标准天线测试距离及屏蔽效能测试结果绘制成对应曲线，见图6所示。

可以看出，在同为0.6 m窗口条件下，两标准测试的屏蔽效能平均差值有6 dB。在1 GHHz以下，虽然参考测试距离相同，但SE1’普遍比SE2高出8.4 dB；在1 GHz以上，SE1’与SE2差值有5 dB，呈波浪交叉形态。

3.2.3. 校准参考方式的影响

本文采用GB12190规定的天线测试距离，测试自由空间与0.6 m窗口两种校准参考方式下的屏蔽效能，测试结果见表5。

屏蔽效能曲线见图7所示，在相同的天线测试距离条件下，两种参考校准方式表现为在300 MHz以下，SE1较SE1’平均高出6 dB；300 MHz以上，两曲线趋于相同。

表4. 0.6 m窗口屏蔽效能表

表5. 两种校准参考方式屏蔽效能表

图6. 天线测试距离及屏蔽效能对应曲线

图7. 两种校准参考方式屏蔽效能曲线

4. 结论

本文分析了现有材料屏蔽效能测试标准中的屏蔽室窗口法、小屏蔽体窗口法、法兰同轴装置法三种材料屏蔽效能测试方法的测试原理、测试系统、适用频段等；并对现行GB12190与GB30142测试方法进行对比和试验，试验表明两标准的屏蔽线能差异明显，1 GHz以下，GB12190测试数据平均高于GB30142测试数据7 dB；1 GHz以上，平均差值有5 dB。通过运用传输线理论分析，得出屏蔽效能测试数据是一个自由空间场传播损耗、屏蔽室窗口(受试样)损耗和屏蔽室腔体损耗的综合结果。进一步以试验的方式，基于0.6 m窗口测试分析了在参考测试距离相同条件下，天线测试距离对测试结果的影响，试验表明在1 GHz以下，GB12190测试数据平均高于GB30142测试数据8.4 dB；在1 GHz以上，平均差值有5 dB。通过基于GB12190测试分析了在天线测试距离相同条件下，自由空间与窗口两种校准参考方式对测试结果的影响，试验表明在300 MHz以下，自由空间校准方式测试数据平均高于窗口校准方式6 dB，在300 MHz以上，差别不明显。

基金项目

国家级技术基础项目(项目编号：16ZF150)。

文章引用

许晓丽,李哲,吕德涛,马志梅. 材料屏蔽效能测试方法比较研究
Comparison Research on Measuring Methods for Materials Shielding Effectiveness[J]. 仪器与设备, 2017, 05(04): 95-105. http://dx.doi.org/10.12677/IaE.2017.54014

参考文献 (References)