源搅拌混响室的仿真分析与实验研究

梁双港 许家栋 刘易勇 丁坚进

(1.西北工业大学电子信息学院,陕西 西安 710072;2.陕西海泰电子有限责任公司,陕西西安 710075)

1.引 言

混响室的目标是产生一个统计均匀,各向同性和随机极化的场。在电磁兼容测量中,这种特性避免了被测设备的旋转和移动。通常的混响室是由一个谐振腔体和一个任意形状的金属旋转扇叶(搅拌器或调谐器)组成。搅拌器通过旋转改变腔室内的电磁场的边界条件,以来产生所需的统计特性[1-3]。

源搅拌混响室是指通过改变发射源的位置和方向来产生统计均匀电磁场的混响室。它放弃了机械搅拌器而使混响室结构更完整规范并节省了空间。根据发射源的极化方向、位置以及发射源的位置数等信息,可以预测和最佳化“发射源”的搅拌方式和搅拌效果。近几年,源搅拌以其特有的优势受到国内外越来越多的关注和研究[4-7]。

在分析源搅拌混响室的基本理论的基础上,深入探讨了影响源搅拌混响室性能的主要因素,根据提出的源搅拌实施方案,利用现有条件对源搅拌混响室的实现进行了一系列的探索与实验,最后通过对实验数据的整理分析,给出了源搅拌混响室的一些重要结论。

2.理论分析

一般地,源搅拌混响室的基本组成是一个金属矩形腔配上一个(或多个)发射源(天线)。发射源在矩形腔中发射电磁波,形成稳定的场分布,如果发射源通过改变位置、极化方向及其发射强度等参数,按一定的规律改变矩形腔内的场分布,在一定条件下就可以形成统计均匀的电磁场分布。

为了方便理论上分析混响室的电磁工作过程,将混响室看成是一个矩形谐振腔,谐振腔里有激励源激励时,根据电磁场理论可以计算出腔内的电磁场分布[8,10]。

在混响室内,电场满足

其相应的齐次方程通解为

式中:m,n,p为非负整数;L,W,H为混响室的长、宽、高,并且满足关系式

对于式(2)中包含的三个任意常数A1,A2,A3,由方程 ·E=0,它们之间应满足关系

因此,A1,A2和A3中只有两个是独立的。得谐振腔内存在两种基本波型函数

设此非齐次方程(1)的解为

利用函数Эk1和Эk2在域D=内的正交特性,可求得待定系数

模系数ek1和ek2的平方代表了该电场模占有的电磁能量的份额,当混响室结构一定,其基本波型Эk1和Эk2一定,本征频率 f mnp也确定下来。当工作频率一定时,混响室中只存在满足式(4)的那些模式,从式(8)可见,积分号前的系数为常数。当改变发射源的极化方向,也就改变了电场三个分量之间的能量分配;因为本征函数Эk1和Эk2是位置坐标函数,改变发射源的位置,也就改变各电场模系数的大小或符号。这样通过适当地改变发射源的位置和方向就可以改善混响室内电场的均匀性。

为了更加直观地反应发射天线的极化方向、摆放位置及其辐射方向是如何影响混响室内场的分布的,用一个具体的混响室模型来进行分析说明,仿真的混响室模型尺寸为8.2 m×5.6 m×3.5 m,壳体电导率为2.7×105S/m,发射天线采用电偶极子天线。

2.1 天线极化对场分布的影响

将混响室壳体可以看作是一个大型的谐振腔,腔内的任意电磁模都有其固定的场结构与电场极化,要产生某一固定电磁模,发射天线极化是一个重要的因素。

首先,在混响室中的某一确定位置放置一个电偶极子天线,使其分别采取x方向极化、y方向极化和z方向极化等三种极化方式辐射,观察不同极化方式时混响室的场结构。

根据图1所示,可以看出天线极化对场分布的影响作用:激励天线为 x方向极化时,电场分量Ex最大,当激励天线为y方向极化时,分量Ey最大,并且在不同天线极化方向时,混响室内会激励起不同的场结构。

2.2 天线位置对场分布的影响

除了发射天线的极化方式,天线的摆放位置同样影响着谐振腔内能量的耦合。由式(8)可以看出,能量的耦合与谐振腔内的波型有直接关系,首先采用单一谐振波型110模,观察天线位置对激励场大小的影响。由式(6)知,谐振腔内为110模时,腔体内仅有Ez方向的场强,它在y方向上的变化趋势如图2所示。根据式(4)可求得其谐振频率 f110=32.4 MHz。仿真时,分别将天线置于图2(a)所示的位置1、2和3处。然后观察不同天线激励位置时的腔内电场在y方向上的分布,如图2(b)所示。

由图2(a)和图2(b)对照可得,在源搅拌混响室内,当天线位置与理想谐振模的峰值靠近时其耦合的逐渐能量增多,反之,则耦合能量减少。

实际中,一般混响室会工作在多模状态,即由于频率带宽的存在,在相同频率时会激发出较多的谐振模式,如图3(a)所示,在频率为77.8 MHz时,腔体内可能存在221模和410模。

将激励天线放置在如图3(a)所示的不同位置1、2时,腔室内的电场Ey在y方向上的分布如图3(b)所示。由图3可知,当天线位置与腔室内某一模式的峰值的相对位置接近时,则能较好地激励起此模式,否则不能。

2.3 天线位置数对混响室场分布的影响

天线极化和天线位置的变化直接影响到混响室内的场结构,而要在一定系综平均情况下要达到混响室的场均匀性,则场结构的采样数即有效的源天线的位置数则是其主要影响因素。

天线在混响室内改变位置如图4所示,从位置1至位置 5依次改变,天线轴指向与 x轴、y轴、z轴三方向成45度角。均匀区域设为距混响室墙壁或发射天线为1 m的长方体区域,取8个顶点的场强值,每个场强值又分为 x、y、z三个方向值。

图4 天线依次布置示意图

根据标准IEC 61000-4-21[9]规定的场均匀性测量标准差的定义计算仿真结果。表1为五天线采样时的仿真结果。

表1 五天线布置时场均匀性仿真结果

将图4中发射天线的位置数增加至9个,依次在两个天线位置之间增加一个位置。其场均匀性的仿真结果见表2。

表2 九天线布置时场均匀性仿真结果

由表1和表2对照可以看出,当天线位置数增加后,场的均匀性有了明显的改善。

通过上述的分析,可以得出:在源搅拌混响室内,天线会在壳体的x、y、z三个方向上激励出不同的场结构,天线为某一方向极化时混响室内此方向上将呈现较强的谐振,反之,则较弱;当天线极化方向相同时,天线的具体位置不同也会产生不同的场结构,场的大小与混响室固有谐振场分布的耦合程度有关,天线与谐振场的耦合越大,产生的场强就越大。同时,混响室的场均匀性随着发射天线的采样数(位置数)的增加而改善。据此结论,在满足一定采样数的要求下,通过改变发射天线的极化方向和位置提出了一种可行的源搅拌实施方案,并通过实验对其进行了验证。

3.实验结果分析

机械搅拌混响室通常是在一个搅拌周期内,通过一定数目的独立采样点计算混响室的场均匀性,而源搅拌混响室中每个激励源的位置或极化方向即对应一个采样点,那么在满足一定采样数的情况下,其场特性应与传统机械搅拌混响室相同。

3.1 试验布置

混响室尺寸为8.2 m×5.6 m×3.5 m,所用材料为镀锌钢板。本次实验采用的频率范围为800～1000 MHz。图5给出了源搅拌混响室空腔校准系统的布置图。

图5 场均匀性测试布置图

其中发射天线采用对数周期天线,它即是源搅拌混响室中的源激励,工作频率为200 MHz～1 GHz,通过功率放大器的推动,可以发射出较大功率射频波;场强监测设备是一个能分别测试 x、y、z三方向场值的场强探头;接收天线同发射天线。主要设备通过GPIB线缆相连,由计算机控制,实现了系统的自动化测量。

源搅拌混响室的工作模式与机械搅拌混响室测试方法—标准 IEC 61000-4-21中规定的模调谐法相一致。图6为天线摆放位置及场均匀区域示意图。在本方案中,发射天线按照一条直线布置,依次从位置1移动至位置6。天线之所以如此摆放,一方面有利于源天线位置改变方便;另一方面可以为被测设备(EUT)留出较大的测试空间。天线朝向最近的金属墙壁,每一位置处采用水平和垂直两种极化方式。天线位置和不同的极化方式,共有12个采样数,满足IEC61000-4-21中采样点数最小要求。测试均匀区域(即工作区域)按照机械搅拌混响室的经验至少离墙面1米,此处工作区域的尺寸为2 m×2 m×1 m;具体如图6所示。

图6 天线摆放及场均匀区域示意图

3.2 试验结果处理

此处仅为试验数据的处理结果,至于数据具体的测试方法和对数据的处理过程可参照标准IEC 61000-4-21。

混响室的工作区即是其场均匀区,在该区内电磁场的分布是均匀的、各向同性的,并且重复性较好。只有在此区域内,对被测件进行测试,测试数据才可信,测试结果才有意义。混响室场均匀性要求参考标准 IEC 61000-4-21中的规定,在大于 400 MHz后场均匀性标准差的容差要求为3 dB。

实际的场均匀性测试结果如图7所示。

图7 场均匀性测试结果

由图7可知,源搅拌混响室的场均匀性满足标准的要求。由此可见,源搅拌混响室和机械搅拌混响室都是通过统计不同的场结构来达到最终的场均匀的。它们的不同之处仅在于搅拌器的搅拌方式不同而已,机械搅拌靠的是搅拌器的不同搅拌位置来改变混响室内部的场结构,而源搅拌靠的是通过发射天线的不同位置来实现混响室内部场结构的改变。

混响室空间某点的场用三个正交直角分量来描述,一个直角分量可用复数的形式(实部和虚部)来表示,即混响室空间某点的场要用六个分量来描述。由于每个分量都是大量模式相应分量的和,即是大量随机变量的和,根据中心极限定理,大量具有正方差的独立同分布的随机变量的和服从正态分布[11],即得场的各个分量均服从正态分布。由此得到,电场直角分量的模服从瑞利分布。此处使用Kolmogorov-Smirnov(K-S)测试对实测数据进行检验[12]。

K-S测试是基于 ECDF与理论分布函数(cumulative distribution function,CDF)的最大距离,即

式中:F(Yi))是对应Yi的理论CDF的值。由样本大小N及显著水平α,查K-S检定表,可找出临界值Dα/2.当D ＜Dα/2时,ECDF 服从理论的CDF,否则,不服从。总样本数为12,α取0.05时D 0.025=0.3754。表3为在800～1000 MHz时 x、y、z三个方向直角分量D值的测试结果。

表3 800～1000 MHz D值测量结果

由表3知,测试结果D都小于0.3754,即在800～1000 MHz频段范围内,电场直角分量模的经验分布函数都服从理论分布函数。图8分别表示800 MHz时探头位置1处的电场分量Ex,Ey的分布函数示意图。

从图8中可以直观地观察到实验测量值与理论值吻合良好。

4.结 论

通过理论上的分析推导以及仿真试验的验证,改变激励元天线的极化方向和摆放位置可以充分影响源搅拌混响室内的场结构。通过发射天线改变极化方向来改变电场各分量间的能量分配,通过改变发射天线的位置,改变各电场分量的模系数的大小,改变混响室的场结构;通过在混响室内改变天线的极化方向和摆放位置,在采样数足够多的情况下可以较好地实现场均匀性。

从实验结果来看,通过合适的天线布置方式,可以有效地实现混响室内的场均匀性,且场分布符合一定的统计规律,源搅拌混响室可以与机械搅拌混响室相等价。

但同时仍有许多问题需要进一步深入研究,如试验频率远高于混响室的最低谐振频率 f 110(32.4 MHz),目的是消除频率对混响室性能的影响,以来检验我们所采用的搅拌方案的可行性。源搅拌混响室的最低可用频率是否如机械搅拌混响室一样,也是其最可谐振频率的3倍或者是模数为100时对应的频率,有待进一步研究。

[1] HILL D A.Electronic mode stirring for reverberation chamber[J].IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility,1994,36(4):294-299.

[2] KOSTAS J G,BOVERIE B.Statistical model for a mode-stirred chamber[J].IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility,1991,33(4):366-370.

[3] LEHMAN T H,FREYER G J.Characterization of the maximum test level in a reverberation chamber[J].IEEE 1997 International Symposium on18-22 Aug.1997:44-47.

[4] HUANG Y,EDWARDSD J.A novel reverberation chamber:the source stirred chamber[J].The 8th IEE Int.Conf.On EMC,1992:120-124.

[5] CERRIG,PRIMIANI V M,PENNESI S,et al.Theoretical feasibility study of a source tirring reverberation chamber[J].IEEE Trans.Electromagn.Compat.,2009,51(1):3-11.

[6]CERRIG,PRIMIANI V M,PENNESI S,et al.Source stirring mode for reverberation chambers[J].IEEE Trans.Electromagn.Compat.,2005,47(4):815-823.

[7] 沈远茂,石 丹,刘素玲,等.源搅拌混响室的影响因素分析[J].北京邮电大学学报,2007,30(2):15-18.

SHEN Yuanmao,SHI Dan,LIU Suling,et al.Analysis upon factors affecting the SSRC performance[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2007,30(2):15-18.(in Chinese)

[8] 丁坚进,沙 斐.EMC混响室电磁场模态研究[J].电波科学学报,2005,20(5):557-560.

DING Jianjin,SHA Fei.Analysis of electromagnetic mode-states in an EMC reverberation chamber[J].Chinese Journal of Radio Science,2005,20(5):557-560.(in Chinese)

[9] Electromagnetic Compatibility(EMC)-Part 4-21:Testing and measurement techniques-Reverberation Chamber Test Methods[S].IEC,2003.

[10] 黄宏嘉.微波原理(卷I)[M].北京:科学出版社,1963.

[11] 贺才兴,童品苗,等.概率论与数理统计[M].北京:科学出版社,2000.

[12] 吴喜之.非参数统计方法[M].北京:高等教育出版社,1996.