源攪拌混響室的仿真分析與實驗研究

梁雙港 許家棟 劉易勇 丁堅進

(1.西北工業大學電子信息學院,陜西 西安 710072;2.陜西海泰電子有限責任公司,陜西西安 710075)

1.引 言

混響室的目標是產生一個統計均勻,各向同性和隨機極化的場。在電磁兼容測量中,這種特性避免了被測設備的旋轉和移動。通常的混響室是由一個諧振腔體和一個任意形狀的金屬旋轉扇葉(攪拌器或調諧器)組成。攪拌器通過旋轉改變腔室內的電磁場的邊界條件,以來產生所需的統計特性[1-3]。

源攪拌混響室是指通過改變發射源的位置和方向來產生統計均勻電磁場的混響室。它放棄了機械攪拌器而使混響室結構更完整規范并節省了空間。根據發射源的極化方向、位置以及發射源的位置數等信息,可以預測和最佳化“發射源”的攪拌方式和攪拌效果。近幾年,源攪拌以其特有的優勢受到國內外越來越多的關注和研究[4-7]。

在分析源攪拌混響室的基本理論的基礎上,深入探討了影響源攪拌混響室性能的主要因素,根據提出的源攪拌實施方案,利用現有條件對源攪拌混響室的實現進行了一系列的探索與實驗,最后通過對實驗數據的整理分析,給出了源攪拌混響室的一些重要結論。

2.理論分析

一般地,源攪拌混響室的基本組成是一個金屬矩形腔配上一個(或多個)發射源(天線)。發射源在矩形腔中發射電磁波,形成穩定的場分布,如果發射源通過改變位置、極化方向及其發射強度等參數,按一定的規律改變矩形腔內的場分布,在一定條件下就可以形成統計均勻的電磁場分布。

為了方便理論上分析混響室的電磁工作過程,將混響室看成是一個矩形諧振腔,諧振腔里有激勵源激勵時,根據電磁場理論可以計算出腔內的電磁場分布[8,10]。

在混響室內,電場滿足

其相應的齊次方程通解為

式中:m,n,p為非負整數;L,W,H為混響室的長、寬、高,并且滿足關系式

對于式(2)中包含的三個任意常數A1,A2,A3,由方程 ·E=0,它們之間應滿足關系

因此,A1,A2和A3中只有兩個是獨立的。得諧振腔內存在兩種基本波型函數

設此非齊次方程(1)的解為

利用函數Эk1和Эk2在域D=內的正交特性,可求得待定系數

模系數ek1和ek2的平方代表了該電場模占有的電磁能量的份額,當混響室結構一定,其基本波型Эk1和Эk2一定,本征頻率 f mnp也確定下來。當工作頻率一定時,混響室中只存在滿足式(4)的那些模式,從式(8)可見,積分號前的系數為常數。當改變發射源的極化方向,也就改變了電場三個分量之間的能量分配;因為本征函數Эk1和Эk2是位置坐標函數,改變發射源的位置,也就改變各電場模系數的大小或符號。這樣通過適當地改變發射源的位置和方向就可以改善混響室內電場的均勻性。

為了更加直觀地反應發射天線的極化方向、擺放位置及其輻射方向是如何影響混響室內場的分布的,用一個具體的混響室模型來進行分析說明,仿真的混響室模型尺寸為8.2 m×5.6 m×3.5 m,殼體電導率為2.7×105S/m,發射天線采用電偶極子天線。

2.1 天線極化對場分布的影響

將混響室殼體可以看作是一個大型的諧振腔,腔內的任意電磁模都有其固定的場結構與電場極化,要產生某一固定電磁模,發射天線極化是一個重要的因素。

首先,在混響室中的某一確定位置放置一個電偶極子天線,使其分別采取x方向極化、y方向極化和z方向極化等三種極化方式輻射,觀察不同極化方式時混響室的場結構。

根據圖1所示,可以看出天線極化對場分布的影響作用:激勵天線為 x方向極化時,電場分量Ex最大,當激勵天線為y方向極化時,分量Ey最大,并且在不同天線極化方向時,混響室內會激勵起不同的場結構。

2.2 天線位置對場分布的影響

除了發射天線的極化方式,天線的擺放位置同樣影響著諧振腔內能量的耦合。由式(8)可以看出,能量的耦合與諧振腔內的波型有直接關系,首先采用單一諧振波型110模,觀察天線位置對激勵場大小的影響。由式(6)知,諧振腔內為110模時,腔體內僅有Ez方向的場強,它在y方向上的變化趨勢如圖2所示。根據式(4)可求得其諧振頻率 f110=32.4 MHz。仿真時,分別將天線置于圖2(a)所示的位置1、2和3處。然后觀察不同天線激勵位置時的腔內電場在y方向上的分布,如圖2(b)所示。

由圖2(a)和圖2(b)對照可得,在源攪拌混響室內,當天線位置與理想諧振模的峰值靠近時其耦合的逐漸能量增多,反之,則耦合能量減少。

實際中,一般混響室會工作在多模狀態,即由于頻率帶寬的存在,在相同頻率時會激發出較多的諧振模式,如圖3(a)所示,在頻率為77.8 MHz時,腔體內可能存在221模和410模。

將激勵天線放置在如圖3(a)所示的不同位置1、2時,腔室內的電場Ey在y方向上的分布如圖3(b)所示。由圖3可知,當天線位置與腔室內某一模式的峰值的相對位置接近時,則能較好地激勵起此模式,否則不能。

2.3 天線位置數對混響室場分布的影響

天線極化和天線位置的變化直接影響到混響室內的場結構,而要在一定系綜平均情況下要達到混響室的場均勻性,則場結構的采樣數即有效的源天線的位置數則是其主要影響因素。

天線在混響室內改變位置如圖4所示,從位置1至位置 5依次改變,天線軸指向與 x軸、y軸、z軸三方向成45度角。均勻區域設為距混響室墻壁或發射天線為1 m的長方體區域,取8個頂點的場強值,每個場強值又分為 x、y、z三個方向值。

圖4 天線依次布置示意圖

根據標準IEC 61000-4-21[9]規定的場均勻性測量標準差的定義計算仿真結果。表1為五天線采樣時的仿真結果。

表1 五天線布置時場均勻性仿真結果

將圖4中發射天線的位置數增加至9個,依次在兩個天線位置之間增加一個位置。其場均勻性的仿真結果見表2。

表2 九天線布置時場均勻性仿真結果

由表1和表2對照可以看出,當天線位置數增加后,場的均勻性有了明顯的改善。

通過上述的分析,可以得出:在源攪拌混響室內,天線會在殼體的x、y、z三個方向上激勵出不同的場結構,天線為某一方向極化時混響室內此方向上將呈現較強的諧振,反之,則較弱;當天線極化方向相同時,天線的具體位置不同也會產生不同的場結構,場的大小與混響室固有諧振場分布的耦合程度有關,天線與諧振場的耦合越大,產生的場強就越大。同時,混響室的場均勻性隨著發射天線的采樣數(位置數)的增加而改善。據此結論,在滿足一定采樣數的要求下,通過改變發射天線的極化方向和位置提出了一種可行的源攪拌實施方案,并通過實驗對其進行了驗證。

3.實驗結果分析

機械攪拌混響室通常是在一個攪拌周期內,通過一定數目的獨立采樣點計算混響室的場均勻性,而源攪拌混響室中每個激勵源的位置或極化方向即對應一個采樣點,那么在滿足一定采樣數的情況下,其場特性應與傳統機械攪拌混響室相同。

3.1 試驗布置

混響室尺寸為8.2 m×5.6 m×3.5 m,所用材料為鍍鋅鋼板。本次實驗采用的頻率范圍為800～1000 MHz。圖5給出了源攪拌混響室空腔校準系統的布置圖。

圖5 場均勻性測試布置圖

其中發射天線采用對數周期天線,它即是源攪拌混響室中的源激勵,工作頻率為200 MHz～1 GHz,通過功率放大器的推動,可以發射出較大功率射頻波;場強監測設備是一個能分別測試 x、y、z三方向場值的場強探頭;接收天線同發射天線。主要設備通過GPIB線纜相連,由計算機控制,實現了系統的自動化測量。

源攪拌混響室的工作模式與機械攪拌混響室測試方法—標準 IEC 61000-4-21中規定的模調諧法相一致。圖6為天線擺放位置及場均勻區域示意圖。在本方案中,發射天線按照一條直線布置,依次從位置1移動至位置6。天線之所以如此擺放,一方面有利于源天線位置改變方便;另一方面可以為被測設備(EUT)留出較大的測試空間。天線朝向最近的金屬墻壁,每一位置處采用水平和垂直兩種極化方式。天線位置和不同的極化方式,共有12個采樣數,滿足IEC61000-4-21中采樣點數最小要求。測試均勻區域(即工作區域)按照機械攪拌混響室的經驗至少離墻面1米,此處工作區域的尺寸為2 m×2 m×1 m;具體如圖6所示。

圖6 天線擺放及場均勻區域示意圖

3.2 試驗結果處理

此處僅為試驗數據的處理結果,至于數據具體的測試方法和對數據的處理過程可參照標準IEC 61000-4-21。

混響室的工作區即是其場均勻區,在該區內電磁場的分布是均勻的、各向同性的,并且重復性較好。只有在此區域內,對被測件進行測試,測試數據才可信,測試結果才有意義。混響室場均勻性要求參考標準 IEC 61000-4-21中的規定,在大于 400 MHz后場均勻性標準差的容差要求為3 dB。

實際的場均勻性測試結果如圖7所示。

圖7 場均勻性測試結果

由圖7可知,源攪拌混響室的場均勻性滿足標準的要求。由此可見,源攪拌混響室和機械攪拌混響室都是通過統計不同的場結構來達到最終的場均勻的。它們的不同之處僅在于攪拌器的攪拌方式不同而已,機械攪拌靠的是攪拌器的不同攪拌位置來改變混響室內部的場結構,而源攪拌靠的是通過發射天線的不同位置來實現混響室內部場結構的改變。

混響室空間某點的場用三個正交直角分量來描述,一個直角分量可用復數的形式(實部和虛部)來表示,即混響室空間某點的場要用六個分量來描述。由于每個分量都是大量模式相應分量的和,即是大量隨機變量的和,根據中心極限定理,大量具有正方差的獨立同分布的隨機變量的和服從正態分布[11],即得場的各個分量均服從正態分布。由此得到,電場直角分量的模服從瑞利分布。此處使用Kolmogorov-Smirnov(K-S)測試對實測數據進行檢驗[12]。

K-S測試是基于 ECDF與理論分布函數(cumulative distribution function,CDF)的最大距離,即

式中:F(Yi))是對應Yi的理論CDF的值。由樣本大小N及顯著水平α,查K-S檢定表,可找出臨界值Dα/2.當D ＜Dα/2時,ECDF 服從理論的CDF,否則,不服從。總樣本數為12,α取0.05時D 0.025=0.3754。表3為在800～1000 MHz時 x、y、z三個方向直角分量D值的測試結果。

表3 800～1000 MHz D值測量結果

由表3知,測試結果D都小于0.3754,即在800～1000 MHz頻段范圍內,電場直角分量模的經驗分布函數都服從理論分布函數。圖8分別表示800 MHz時探頭位置1處的電場分量Ex,Ey的分布函數示意圖。

從圖8中可以直觀地觀察到實驗測量值與理論值吻合良好。

4.結 論

通過理論上的分析推導以及仿真試驗的驗證,改變激勵元天線的極化方向和擺放位置可以充分影響源攪拌混響室內的場結構。通過發射天線改變極化方向來改變電場各分量間的能量分配,通過改變發射天線的位置,改變各電場分量的模系數的大小,改變混響室的場結構;通過在混響室內改變天線的極化方向和擺放位置,在采樣數足夠多的情況下可以較好地實現場均勻性。

從實驗結果來看,通過合適的天線布置方式,可以有效地實現混響室內的場均勻性,且場分布符合一定的統計規律,源攪拌混響室可以與機械攪拌混響室相等價。

但同時仍有許多問題需要進一步深入研究,如試驗頻率遠高于混響室的最低諧振頻率 f 110(32.4 MHz),目的是消除頻率對混響室性能的影響,以來檢驗我們所采用的攪拌方案的可行性。源攪拌混響室的最低可用頻率是否如機械攪拌混響室一樣,也是其最可諧振頻率的3倍或者是模數為100時對應的頻率,有待進一步研究。

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