基于混响室的电磁环境及自然环境综合试验箱设计和仿真技术

武 剑 贾小青

(中国电子科学研究院，北京 100041)

1 引 言

我国幅员辽阔，国土面积覆盖北部极寒、南海湿热、高原等多个地质环境，电子设备在不同地域条件下遭受电磁干扰时能否正常工作是电子设备面临的一个复杂问题。高温条件易使材料电阻增大，同时增大发热，使得绝缘体老化甚至击穿；潮湿容易造成电气短路，接触部件的触点污染，加速金属腐蚀，改变介电特性[1,2]。本文将电磁混响室技术结合鼓风循环、制冷、空调、电气控制等环境试验技术研制电磁环境与自然环境综合试验箱，可分别在极限高温100℃和极限低温-55℃以及潮湿条件下实现(1～40)GHz频段200V/m电场强度辐射干扰测试。

2 试验箱整体设计和仿真技术

综合试验箱由两部分组成，电磁试验部分由混响室实现，环境试验部分通过将箱体增加制冷系统、鼓风循环系统和相应的电器控制实现。

2.1 混响室部分设计和仿真

2.1.1最低谐振频率

绝大多数混响室都是矩形金属腔体，对于一个理想的、无损矩形腔体而言，可按式(1)计算其谐振频率[3]为

(1)

式中：c——光速；L，W，H——混响室的长度、宽度、高度(单位m)；m，n，p——自然数或负整数。

将m，n，p(一般为1，1，0或1，0，1)代入式(1)后，计算出最低谐振频率。

2.1.2最低使用频率

一般认为上一节中计算得到的混响室空腔最低谐振频率的3～4倍即为混响室最低使用频率，模数量计算可以将频率代入式(2)。对于混响室而言，模的数目越多，内部空间场均匀性和各向一致性越好。

(2)

式中：f——工作频率(Hz)。

一般若经过计算后该最低频率下混响室模数满足N(f)≥100的条件，就可以作为使用的下限频率。

2.1.3场均匀性

混响室内场强满足统计均匀性，具体为各点场强随搅拌器旋转同步发生变化，用式(3)表示旋转一周后在直角坐标系中x,y,z三个方向上归一化的场强最大值[4,5]为

(3)

式中：Pinput——混响室输入功率(W)；EMaxx,EMaxy,EMaxz——x,y,z方向场强最大值。

当测试频率不高于“最低可用频率”10倍时，需要测试的位置数是8，如图1所示，当测试频率高于“最低可用频率”10倍时，只需对3个位置进行测试，其中一个测试位置需要在工作区中心[6]。

图1 混响室均匀区场强检测位置图Fig.1 Detection position of field strength in uniform area of reverberation chamber

当测试频率不高于“最低可用频率”10倍时，有

〈Ex〉8=(∑Ex)/8,〈Ey〉8=

(∑Ey)/8,〈Ez〉8=(∑Ez)/8

(4)

〈E〉24=(∑Ex,Ey,Ez)/24

(5)

式中：Ex,Ey,Ez——每个探头在x,y,z方向上归一化的场强最大值；〈Ex〉8,〈Ey〉8,〈Ez〉8,〈E〉24——不同探头不同方向下的场强数学期望。

当测试频率高于“最低可用频率”10倍时，式中用9代替24，用3代替8。

每个探头轴数据的标准偏差为

(6)

式中：Ei——每个探头归一化场强值；〈Ei〉——归一化场强数学期望。

标准差用dB形式表示为

(7)

式中：σ——标准偏差；〈Ei〉——归一化场强数学期望。

σ为混响室的场均匀性指标，按照IEC61000-4-21要求，需满足(3～4)dB以内(随频点变化)。

2.1.4品质因数(Q)

混响室的品质因数(Q)是一个衡量混响室性能的重要指标，混响室品质因数(Q值)与混响室储存能量的能力成正比，Q值越大，说明在一定条件下同样输入功率能够产生更大的场强值，达到混响的效果。其定义公式为

(8)

式中：V——混响室体积(m3)；nTX,nRX——收发天线的效率；λ——电磁波波长(m)；PAveRec,Pinput——在一个完整的搅拌循环中，接收天线接收功率平均值(W)，和发射天线输入功率值(W)。

混响室的品质因数跟混响室大小、内部材料反射率、缝隙大小和屏蔽效能等有关，理论上应为混响室越大、腔体内部材料电反射率越大，缝隙等越小，混响室的品质因数就越高。混响室相对开阔场、全电波和半电波暗室的一个重要特点就是Q值较高，可以用较小的功率，产生较大的场强[7,8]。

2.1.5时间常数

混响室的时间常数τ决定了在电磁辐射敏感性测试中所能达到的最小脉冲宽度，计算公式为

(9)

式中：Q——混响室品质因数；f——混响室工作频率。

2.1.6仿真软件和算法

混响室一般具有较大的几何体积，同时由于搅拌器、天线、EUT等存在，几何结构较复杂。测试覆盖的频段也较宽，多方面因素造成混响室的仿真建模难度较高。

常用方法为先建立逼近实际问题的模型(可以简化，关键位置除外)，基于Maxwell方程组将连续模型处理为离散数学模型，构成代数方程组，求解出数值解，得出场域中任意点处场强，能量及各类电磁参数等。

在求解过程中应用何种电磁仿真算法是解决问题的关键，目前矩量法、有限元法和时域有限差分法都可以进行电磁计算，它们对麦克斯韦方程的离散机制不同，因此数值性能也有不小的差异，需要根据具体问题输入确定适合的算法及软件。

1)矩量法(MoM)是将一个泛函方程化为矩阵方程，然后求解，其数学本质是一种求解线性方程(微分或积分)的方法；

2)有限元法(FEM)核心思想在将满足一定边界条件或初始条件的偏微分方程组等价于求解相应泛函的极小值问题，然后通过数学离散化的方法将上述泛函数离散化为一组代数方程，求解这组代数方程，得到近似解，是一种求解微分方程组或积分方程组的数值计算方法；

3)时域有限差分法(FDTD)实质是在空间和时间上把麦克斯韦旋度方程微分形式进行离散化差分近似，转化为差分方程并求解得出所需位置处的电磁参数。

FEKO(基于矩量法)、HFSS(基于有限元法)和CST(基于时域有限差分法)等均是目前市面上的主流仿真软件，但由于混响室属于电大尺寸仿真，而HFSS仅适用于仿真电小尺寸的模型，所以并不适合使用。

CST和FEKO在混响室仿真结果方面差别很小，但从仿真时间上看CST是宽频带仿真，频带内频点的扫描及每个频点的迭代循环计算都增加了混响室模型的仿真时间，而FEKO可以单频点仿真，并且在模型的网格剖分时采用面剖分替代CST的体剖分，因此FEKO明显比CST要快。对混响室而言，其低频性能指标更加关键，低频指标好，高频指标会更好。因此并不需要对整个频段都进行仿真，而只需在其最低工作频率附近选取若干频点即可。

2.2 环境电磁交互部分设计

2.2.1大门屏蔽设计

在大门密封的基础上进行屏蔽改造，设计特制屏蔽橡胶条(既耐高温又耐低温的掺银导电橡胶)，实现大门较好的密封性和屏蔽效能。

2.2.2风道通风波导设计

由于环境试验部分设计有四组风机进风，一组出风，且所有的进风和出风口均要开在靠近压缩机的侧面上，故为了既不影响试验箱进风和出风的效率，同时场均匀性指标能满足IEC61000-4-21要求，减少由于安装通风波导而导致的能量损耗，设计了特制的通风波导以满足进出风、屏蔽加固及减小能量损耗的综合要求。特制通风波导材质使用低碳钢，表面作镀锌处理，为适应综合环境试验箱的高温和低温环境，要求通风波导在制作过程中焊缝处均设置加强装置，焊接后整体平整，所有焊缝无虚焊、漏焊、翘曲等缺陷。

2.2.3信号接口设计

综合试验箱信号转接板在设计过程中主要是综合考虑了既要保证射频信号在箱体内和箱体外的互通和低损耗，又要尽量避免对箱体保温层造成破坏。本着这种设计原则，本文设计了前后两层，内层设置射频转接头和光波导等接口设备，外层为特制的保温层，并在中心开孔，以保证线缆可以顺畅穿出，内外层之间的距离为10cm以上。

2.2.4电源控制设计

外部电源经电源滤波器进入箱体内部后，如果直接裸露在箱体内，在开展高低温和湿热试验过程中极易发生用电事故。故为了避免此类用电事故的发生，项目设计了专用的电源控制箱。

电源控制箱采用全密封结构设计，安装在电源滤波器和用电设备之间，保证设备在开展高低温和湿热试验过程中供电电源不受影响。

2.2.5其他设计

为满足电磁环境试验要求，试验箱内部四周覆盖可拆卸镀锌板，观察窗采用特殊的屏蔽观察窗，滤波器采用安装波导管进行了加长等优化设计，以保证波导管可以穿过保温层，并良好接地。

3 试验箱电磁仿真验证

根据设计方案，建立了混响室的近似模型，如图2所示。喇叭天线置于试验箱的一角，8个探头分别置于立方体待测区域的8个顶点，搅拌器以50步进每周的速度进行转动。考虑到通风波导窗对试验箱电磁性能影响，在FEKO中相应位置采取挖空处理方式。设置混响室的工作频点为1 000MHz时，记录8个探头三维的场强值。

图2 混响室(内部)模型图Fig.2 Reverberation chamber model (internal)

搅拌器步进不同度数时混响室均匀区电场强度态势如图3所示，由图3可以看出随着搅拌器的步进，混响室内电边界条件也不断发生改变，电场分布也相应改变，从而形成统计均匀的电磁场分布。

经过50次步进后，分别将8个探头位置场强最大值进行分析统计，8个探头在1 000MHz频率时的三维场强最大值结果见表1。

表1 8个探头位置三维电场分量最大值Tab.1 Maximum value of 3D electric field component of 8 probe positions最低测试频率f探头位置电场分量最大值(V/m)ExEyEzEΣ1 000MHz116512113023621541108921631831569521741391281423255301100741786180148741807197103962258184128103180

根据场均匀性的计算方法，对频率为1 000MHz时混响室电场标准偏差进行计算，仿真计算结果见表2。

表2 电场标准偏差仿真结果(单位dB)Tab.2 Simulation results of standard deviation of electric field (unit:dB)最低测试频率fσxσyσzσΣ1 000MHz2.031.311.891.72

由表1和表2可以看出，注入功率为10W时，综合试验箱的均匀区内平均电场强度值为219V/m，单位功率激发场强值为21.9V/m，频率为f=1 000MHz时，均匀区内电场标准偏差为1.72dB，小于3dB，因此优于IEC61000-4-21给出的指标要求。

图3 混响室搅拌轴步进不同角度时均匀区场强态势图Fig.3 Field strength situation of uniform area when the mixing shaft of reverberation chamber steps at different angles

理论上混响室应是低频向高频均匀性逐渐变好，因此本文在对f=1 000MHz混响室场均匀性仿真前提下，又分别对2GHz，3GHz，4GHz，5GHz等4个频点进行了仿真计算，结果见表3。

4 高温和低温条件下场均匀性指标试验验证

综合环境试验箱的重要特征就是将电磁环境与自然环境结合在一起，综合考量产品在此环境下的综合性能，因此在试验前应对混响室在高温、低温条件下的场均匀性能进行校准[8]。

表3 (2～5)GHz电场标准偏差仿真结果(单位dB)Tab.3 Simulation results of standard deviation of (2～5)GHz electric field (unit:dB)频率fσxσyσzσΣ2GHz1.451.751.41.233GHz2.031.921.440.874GHz1.381.521.871.565GHz1.361.820.790.88

高、低温条件下使用没有经过加固的场强探头来测试混响室内的场强已不适用，课题组在混响室内不同位置处使用相同参考天线获取功率电平的方法来进行场均匀性校准。

本文分别选取了试验箱极限高温100℃和极限低温-55℃作为混响室场均匀性校准的自然环境(温度)条件，经过测试和数据处理，分别得到高温和低温条件下综合试验箱场均匀性测试结果，见表4。并对结果进行对比，如图4所示。

表4 (1～10)GHz不同温度条件下电场标准偏差测试结果(单位dB)Tab.4 Test results of standard deviation of electric field under different temperature conditions of (1～10)GHz(unit:dB)不同温度下场均匀性频率(GHz)1.01.51.93.14.05.06.47.28.29.210.0100℃条件场均匀性1.561.082.221.811.761.512.051.361.351.811.84-55℃条件场均匀性1.021.181.252.181.121.871.971.351.221.381.90

图4 高温和低温条件下(1～10)GHz场均匀性测试结果对比Fig.4 Comparison of(1～10)GHz field uniformity test results under high and low temperature conditions

5 结束语

本文提出一套电磁环境和自然环境综合试验箱集成技术，实现电子装备同时承受电磁应力和环境应力，对考核装备在实际工作环境中性能具有积极意义，条件更加严酷，也更加能够反映装备的实际使用效能，并应用探头和天线两种测试场强方式对混响室的场均匀性校准，校准结果表明，两种方式

均可以开展校准工作，且环境应力不影响电磁应力的正常使用，设计和仿真方法有效。