一款可重构混响室的设计、开发与性能测试

蔡潇源，闫丽萍，赵 翔

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

0 引言

作为一种新型电磁兼容测试场地，混响室在电子设备的辐射抗扰度测量、屏蔽效能测试及模拟多径衰落环境等诸多领域有着广泛应用。与微波暗室、GTEM室及传统开阔场地等电磁兼容测试平台相比，混响室因其对周围环境要求不高，建造成本低，可良好地重复模拟各种电大尺寸腔室内的电磁环境而成为国内外电磁兼容领域的热点之一。关于混响室的研究可以追溯到1968年Mendes[1]首次提出电磁混响室的概念。1986年美国国家标准局(NITS)发布一份重要研究报告，对混响室的理论基础和实验方法进行了相关介绍，为混响室的发展奠定了基础[2]。此后，国内外学者围绕混响室的设计、测试和应用等展开了大量研究[3-10]。混响室也正在逐渐被工业领域及先进标准组织认可，如瑞典Bluetest公司、美国ETS-Lindgren等都推出了应用在各种测试的多种型号混响室；国际电工委员会发布的IEC 61000-4-21(2011)标准[11]、美国军用标准MIL-STD-461F[12]及中国国家标准GB/T 6113.104-2016[13]等都包含有混响室测试方法。

混响室设计的相关研究多是依据各不同标准展开，通常在混响室建造之前需要根据测试频率范围和被测设备(Equipment under Test，EUT)的尺寸范围来确定混响室屏蔽室的空间尺寸大小，为保证混响室的场均匀性和统计独立样本数，会对搅拌器位置、搅拌桨叶片的形状、大小等进行特别设计。绝大多数混响室的屏蔽室、搅拌器等在建造完成之后都是固定不变的，给混响室模拟多种随机衰落电磁环境带来了限制。本文在四川大学电磁兼容实验室建造了一个内部尺寸为3.97 m×2.8 m×1.91 m的混响室，重点研究了混响室机械搅拌器的可重构设计，设计并实现了3种不同方式的可重构搅拌器，并分别测量了重构后不同搅拌器下混响室内的场均匀性与概率统计分布。

1 混响室工作原理

电磁混响室的本质是一个电大多模、高品质因数(Q)值的谐振腔，由金属屏蔽室和一个或多个搅拌器组成。当用射频源通过发射天线进行激励时，搅拌器的不断运动能改变腔室的电磁边界条件，以产生随机变化的电磁环境。在每个边界条件下，腔室内的电磁环境可作为一个统计样本。当统计样本足够多(一般认为搅拌桨转动一周)时，在腔室内可形成统计均匀、各向同性的电磁环境。根据谐振腔理论，对于一个标准的矩形空腔，其谐振频率为：

(1)

式中，c0为真空中电磁波的传播速度；l,w,h分别为混响室内部的长、宽、高；m,n,p代表腔内电磁波的谐振形式，分别为0或整数，且最多有一个0。

腔室内模式数Nmode与腔体尺寸、频率的关系可表示为：

(2)

式中，f为工作频率。同时根据IEC61000-4-21(2011)标准，混响室最低工作频率(Lowest Usable Frequency，LUF)下至少应存在60个模式；美军标则要求超过100个模式。显然，混响室的尺寸越大，则LUF越低，模式数越多，模式密度越大，混响室的场分布均匀性与各向同性也可能会越好。

2 可重构混响室的设计

屏蔽室和搅拌器的设计可直接关系到混响室的LUF与混响室的场均匀性水平，因此混响室的结构设计主要是对混响室的屏蔽室和搅拌器2个部分的设计。

2.1 屏蔽室设计

屏蔽室作为混响室的主体，理论上可以被设计成任意形状，但为了设计、制造与理论分析的方便，通常情况下多为矩形腔体结构。屏蔽室的空间尺寸主要取决于LUF及EUT的大小。由式(1)可知，混响室的最低谐振频率取决于混响室的尺寸大小，一般认为混响室LUF应大于最低谐振频率f011(0为腔室最短边长的标号)的3～4倍。因此，LUF越低或EUT越大，就要求混响室的体积越大。

本文所设计的屏蔽室的内部尺寸为3.97 m×2.8 m×1.91 m，为避免简并模式的存在而特意取其三维尺寸均不是整数倍关系。根据式(1)可计算此混响室的最低谐振频率为65.6 MHz，通过式(2)计算在3f011即197 MHz下存在45个模，在4f011即263 MHz下存在112个模。不同频率下该混响室内理论存在的模式数如表1所示，考虑到有搅拌器及通风孔、预留孔等的影响，最终将此款混响室最低可用频率定为300 MHz。

表1 不同频率下混响室内存在的模式数

混响室的主要损耗来自金属腔壁的欧姆热损耗、天线的接收损耗、缝隙的泄露损耗和EUT等带来的吸收损耗4个部分。但混响室在正常工作时应具有高Q值与良好的屏蔽效能，因此室壁材料选择低损耗、低磁性、高导电性的金属材料很重要。常见的金属材料有银、铜、铝、铁和镀锌钢板等，这几种金属材料的参数对比如表2所示。

表2 几种金属材料的相关参数

通过对比发现，铁、镀锌钢板的磁导率太大，银、铜的成本太高，而铝则具有质量轻、屏蔽效能好且价格较低等诸多优点。本文最终设计屏蔽室采用双层金属壁，内壁采用最为合适的2 mm厚的铝壁，外壁采用2 mm厚的镀锌钢板。外壁的镀锌钢板硬度大，起到保护支撑内壁、延长其使用年限的作用。在金属壁之间采用金属密封垫填充使其紧密接触，最后使用螺栓压紧加固。该混响室的结构及测试系统示意图如图1所示，其中标号1～5的大小不等灰色矩形块只有一层2 mm厚的铝壁，为可拆卸的预留孔，以便进行多种电磁环境模拟及效应测试。

图1 混响室结构及测试系统示意Fig.1 Diagram of the reverberation chamber structure and experimental system

2.2 可重构搅拌器设计

搅拌器的设计是混响室设计中的“灵魂”所在，搅拌桨转动可用来在混响室内改变电磁边界条件，因此它的形状、尺寸和位置选择等都对混响室性能起着至关重要的作用。据标准IEC 61000-4-21(2011)及其他文献说明[14-18]，搅拌器的设计重点是保证搅拌器在占用空间较小的情况下搅拌桨叶片的有效反射面积尽可能大。通常建议搅拌器尺寸达到如下要求：任一边的尺寸至少为最低工作频率所对应波长的1/4；总尺寸相对于混响室的尺寸应尽量大，至少为混响室尺寸的3/4。依照此建议，本文所设计的混响室LUF所对应波长为1 m，而可重构的3种搅拌器的旋转直径都为80 cm，旋转高度都为1.4 m。为了保证混响室的低频性能及工作区空间尽可能大，在混响室的设计中尝试最多的是对搅拌器进行优化设计。但大量关于混响室及其搅拌器的优化设计并未考虑可重构性设计，导致在混响室建造完成之后，由于空间场地、操作难度等限制很难再做出改变。本文混响室在初步设计时就提出了对搅拌器的可重构设计，目前已完成如图2所示的3种不同搅拌器的设计与实现。

(a) “Z”字形搅拌器

(b) 非对称搅拌器

(c) 非规则铝箔搅拌器

本文的搅拌器的可重构设计主要体现在不同搅拌器之间的可更换与每个搅拌器本身的可调整。这依靠2处特别的设计来实现：一是在连接混响室顶部、底部的转轴上下两端分别添加轴承设计，安装轴承既能方便转轴的抽取以实现不同搅拌器之间的可更换，又保证了各搅拌器叶片在转动过程中的稳定性；二是在各搅拌器上添加止推环或角度螺钉设计，因此每个搅拌器的叶片均可进行悬挂高度和夹角大小的调整，实现了搅拌器自身的可重构。此外，在该混响室顶部的伺服电机安装处还添加了截止波导设计，截止波导可以有效避免电磁泄露。

3 混响室性能测试

3.1 混响室内场均匀性测试

混响室内能满足场均匀性条件的最大体积为混响室的均匀区，是形成均匀场的测试环境空间，也是能够测量的最大EUT空间。为了测试方便，通常选择距离混响室内任意边界(包括室壁、天线和搅拌器等)1/4波长的8个顶点围成的区域为测试区，该区间的场均匀性是评估混响室性能的重要指标。场均匀性测试需要借助场强探头测量不同搅拌器位置下的电场强度数据来完成，在拟定均匀区的8个顶角位置分别测量x，y，z三个方向共计24个电场分量，求其标准差[11]。本文设计的混响室测试区尺寸为1.95 m×2 m×1.12 m，测试系统如图1所示，测试各电场分量幅值|Ex|，|Ey|，|Ez|和总电场幅值|E|的结果如图3所示。

(a) |Ex|标准差

(b) |Ey|标准差

(c) |Ez|标准差

(d) |E|标准差

由图3可知，在300 MHz～3 GHz频段，实测结果显示在3个重构后的不同搅拌器下，各频点电场分量与总电场量的标准差都在3 dB以下，均满足IEC 61000-4-21(2011)标准混响室场均匀性的要求。对比本文所构造的3种搅拌器的电场分量、总量的标准差，发现图3(c)中非规则铝箔搅拌器的标准差在大多数频点下都较低于另外2种搅拌器的标准差，标准差的变化趋势也更为平缓，或优于“Z”字形搅拌器与非对称搅拌器。

3.2 混响室内电场概率统计特性测试

根据混响室理论，分析混响室的物理特性重要的一环是分析场强探头测得的场强值数据是否符合已知的概率分布。Hill[19]在其建立的混响室统计模型基础上推导了一系列场量的概率密度函数(PDF)，用PDF来表征腔内场强的统计规律。对于理想混响室场的概率统计模型，PDF在表征其统计规律时，均匀区内电场各分量的幅值(如|Ex|，|Ey|，|Ez|)服从瑞利分布[20]，其概率密度函数为：

(3)

总的电场幅值|E|则服从自由度为6的χ分布[20]，其概率密度函数为：

(4)

本文采取将场强探头固定放置在混响室均匀区的中心位置进行测量，得到3个搅拌器下混响室电场的PDF，并与理想混响室模型的PDF进行对比，图4给出了2 GHz频段时的对比结果。

图4给出了归一化的电场分量幅值与总电场幅值的PDF，归一化因子E0为混响室常数[21]。实验结果表明，在3种重构后不同搅拌器下的混响室电场的PDF均与理想混响室模型的PDF基本吻合。其中各电场分量幅值的PDF如图4所示，基本服从式(3)的瑞利分布；图4(d)所示的总电场幅值也基本服从式(4)自由度为6的χ分布。3个搅拌器相比，非规则铝箔搅拌器所对应的电场统计分布绿色实线与理想混响室模型所对应的黑色虚线更为接近。

(a) 电场分量|Ex|的PDF

(b) 电场分量|Ey|的PDF

(c) 电场分量|Ez|的PDF

(d) 总电场|E|的PDF

4 结束语

本文设计了一款可重构混响室，分别搭建了“Z”字形、非对称搅拌器和非规则铝箔搅拌器3种材质或形状不同的搅拌器，并通过实验测量了3种搅拌器下混响室的性能参数。研究结果表明在300 MHz～3 GHz频段，重构搅拌器后的各混响室电场标准差均低于3 dB；混响室内电场的PDF与理想模型的电场PDF基本吻合，证实了本文所设计的这款可重构混响室的有效性，为混响室在电磁兼容测试、无线信道模拟和电磁效应实验等多种应用场景的需求提供支持。