孟令媛， 魏光輝， 潘曉東， 范麗思， 萬浩江

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所， 河北 石家莊 050003)

混響室電磁環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量位置的選取分析

孟令媛， 魏光輝， 潘曉東， 范麗思， 萬浩江

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所， 河北 石家莊 050003)

為獲得混響室加載狀態(tài)下環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)的最佳測(cè)試位置和降低混響室測(cè)試誤差，以3維立方良導(dǎo)體作為一般受試設(shè)備，在單列平面波垂直入射下仿真計(jì)算了最接近環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試位置的測(cè)試方向和相對(duì)距離，分析了受試設(shè)備電尺寸對(duì)測(cè)試點(diǎn)選取的影響。改變平面波入射角，計(jì)算斜入射情況下選取的位置場(chǎng)強(qiáng)與環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)的相對(duì)誤差，結(jié)果表明其滿足實(shí)驗(yàn)要求。推廣至以多列平面波疊加場(chǎng)分布的混響室，分析計(jì)算了所選測(cè)試位置的相對(duì)誤差，結(jié)果表明：其能控制在3%以內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)要求，可應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試。

混響室；平面波；環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)

目前，進(jìn)行電磁環(huán)境效應(yīng)測(cè)試的場(chǎng)地主要有開闊場(chǎng)、電波暗室或半電波暗室、TEM室、GTEM室和混響室等。開闊場(chǎng)、電波暗室等試驗(yàn)設(shè)施的電磁激勵(lì)能量與測(cè)試區(qū)域輻射強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換效率很低。混響室是在高品質(zhì)因數(shù)(Q)的屏蔽殼內(nèi)設(shè)置發(fā)射天線作為電磁激勵(lì)源，通過1個(gè)或多個(gè)金屬機(jī)械(電)攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變電磁場(chǎng)的邊界條件以及屏蔽腔體的諧振條件，使電磁場(chǎng)以多模方式工作，以獲得空間統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性、隨機(jī)極化的電磁環(huán)境，改善其場(chǎng)均勻性[1-3]。混響室的構(gòu)造和工作原理決定了其與傳統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)地相比具有顯著優(yōu)勢(shì)：1)可激發(fā)較高強(qiáng)度的電磁環(huán)境，但只需相對(duì)較小的激勵(lì)功率，所形成的隨機(jī)極化環(huán)境可使受試設(shè)備無需翻轉(zhuǎn)，天線無需改變極化方向便可完成電磁輻射效應(yīng)測(cè)試；2)建造成本低，測(cè)試時(shí)間短；3)可完成較大系統(tǒng)的輻射干擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試等。

加載物可改變混響室腔內(nèi)電磁場(chǎng)的散射，進(jìn)而改變混響室中場(chǎng)傳播的隨機(jī)性和均勻性，影響受試設(shè)備所處環(huán)境場(chǎng)的測(cè)定。文獻(xiàn)[4-5]作者通過測(cè)量Q值來推導(dǎo)有損球體、圓柱體設(shè)備在所有入射角度和極化方向的積分，進(jìn)而得到平均散射截面、分析天線等加載物對(duì)混響室腔體內(nèi)場(chǎng)分布的影響，但沒有涉及立方體形狀的受試設(shè)備對(duì)混響室腔體內(nèi)場(chǎng)分布的影響。筆者從平面波出發(fā)，以3維立方良導(dǎo)體為一般受試設(shè)備，分析其散射對(duì)均勻場(chǎng)的影響，提出在一定誤差下表征受試設(shè)備所處環(huán)境電場(chǎng)強(qiáng)度最佳測(cè)試點(diǎn)的選取原則，并在隨機(jī)平面波疊加場(chǎng)存在的混響室中進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電磁場(chǎng)計(jì)算方法

受試設(shè)備作為加載物置于測(cè)試場(chǎng)地，在電磁波輻照下其帶電粒子與入射電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，所形成的電流、電荷分布作為“新場(chǎng)源”可發(fā)生 “二次輻照”(即電磁散射)，這將影響場(chǎng)分布的測(cè)定。計(jì)算電磁散射的方法主要有如下3種。

1)電磁散射的嚴(yán)格解。主要應(yīng)用分離變量法來求解特殊形狀散射體的解析解，即將入射場(chǎng)分離為某一特定坐標(biāo)系下的多級(jí)數(shù)形式，并設(shè)散射場(chǎng)也可展開為該坐標(biāo)系下同樣的多級(jí)數(shù)形式，結(jié)合嚴(yán)格的邊界條件以及電磁場(chǎng)的唯一性定理，確定的散射場(chǎng)展開系數(shù)正確且唯一，適用于求解表面與坐標(biāo)等直面平行或重合的散射體。

2)電磁散射的近似解。根據(jù)散射體的電尺寸和適用頻率，主要有高頻近似和低頻近似2種方法，其中以高頻近似為主，其從場(chǎng)的局部特性出發(fā)，反射場(chǎng)和散射場(chǎng)由入射場(chǎng)和散射體表面的局部性質(zhì)決定，只需關(guān)注散射體上散射點(diǎn)等局部區(qū)域，簡(jiǎn)化了散射場(chǎng)相關(guān)積分方程，適用于分析大電尺寸散射體的散射場(chǎng)特性。

3)電磁散射的數(shù)值解。主要有矩量法、有限元法和有限時(shí)域差分法等[6]。其中：矩量法是基于電磁疊加原理，利用散射體上的電荷ρ、磁荷ρ′、電流J、磁流J′來求解散射場(chǎng)[6]。本文利用以矩量法為核心算法的Feko軟件，以尺寸為1 m×1 m×1 m、施加幅值為1 V/m的入射電磁場(chǎng)的立方良導(dǎo)體為研究對(duì)象，沿x軸方向的單一單位平面波入射，考察附近的散射場(chǎng)分布，尋找最接近環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試點(diǎn)。

2 單一平面波垂直入射的電磁場(chǎng)空間分布

2.1 測(cè)試點(diǎn)相對(duì)距離的選取

設(shè)電磁波沿X軸方向入射，測(cè)試點(diǎn)與Y軸正方向(順時(shí)針方向)的夾角為θ(順時(shí)針方向)，見圖1。

圖1 測(cè)試角度θ

圖2為立方體散射方向與輻射方向相反的散射場(chǎng)分布情況。

圖2 立方體散射方向與輻照方向相反的散射場(chǎng)分布

當(dāng)0°<θ<90°時(shí)，立方體的散射場(chǎng)方向與輻照方向相反，與頻率相同的入射場(chǎng)疊加產(chǎn)生駐波分布，測(cè)試誤差較大，不適合作為測(cè)試點(diǎn)。為方便實(shí)驗(yàn)測(cè)定，以θ=180°的測(cè)試方向考察立方體頂角較為合適的相對(duì)距離l/λ。仍設(shè)入射波為工作頻率f(80 MHz≤f≤1 GHz)連續(xù)變化的單位平面電磁波；極化方向沿Z軸正方向，入射方向沿X軸；垂直立方體前端面入射；計(jì)算距離0.05 m≤l≤5 m的電場(chǎng)強(qiáng)度，并取其模值;頻點(diǎn)選56組，以0.05 m為間隔選100個(gè)點(diǎn)，可得56×100組數(shù)據(jù)。圖3為該測(cè)試方向上測(cè)量相對(duì)誤差ε隨l/λ變化的趨勢(shì)，其中：ε=(|E|-|Ei|)/|Ei|，|E|為測(cè)試點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)模值，|Ei|為入射場(chǎng)強(qiáng)模值。

圖3 θ=180°的測(cè)試方向上ε隨l/λ變化趨勢(shì)

由圖3可以看出：1)ε隨著l/λ的增大呈現(xiàn)振蕩衰減，這是由于平面波照射良導(dǎo)體表面產(chǎn)生極化電流時(shí)，立方體周圍的散射場(chǎng)即為極化電流在該位置處的輻射場(chǎng)；2)當(dāng)l/λ趨于無限大時(shí)，散射輻射場(chǎng)就等于0，該處的場(chǎng)分布為施加的平面波所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)模值的測(cè)量誤差也就趨于0；3)當(dāng)l/λ≥2時(shí)，均可將ε控制在±15%以內(nèi)，但對(duì)低頻工作狀態(tài)，往往很難滿足這樣的測(cè)試距離。

圖4為0

圖4 不同頻率下ε隨l/λ的變化趨勢(shì)

2.2 受試設(shè)備電尺寸對(duì)測(cè)試點(diǎn)選取的影響

改變立方體的電尺寸，邊長(zhǎng)a=λ，5λ，10λ，計(jì)算不同l/λ下測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)模值與環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)模值的相對(duì)誤差。圖5為f= 300 MHz，不同電尺寸下，θ=180°的測(cè)試方向上ε隨l/λ的變化趨勢(shì)。由此可見：二者均呈現(xiàn)振蕩衰減，且當(dāng)l/λ=0.2時(shí)，ε在±15%以內(nèi)。

圖5 f=300 MHz時(shí)，不同尺寸下的ε隨l/λ變化趨勢(shì)

3 單一平面波斜入射電磁場(chǎng)空間分布

當(dāng)受試設(shè)備置于混響室時(shí)，存在垂直入射和斜入射的電磁波。考慮入射平面波非垂直入射的情況，設(shè)入射角φ以順時(shí)針方向?yàn)檎较颍瑘D6為θ=180°的測(cè)試方向上，φ=-30°,-60°,30°，60°時(shí)，選取80 MHz≤f≤1 GHz間的56個(gè)頻點(diǎn)，分析測(cè)試點(diǎn)的|ε|隨l/λ的變化趨勢(shì)。可以看出：1)由于斜入射時(shí)，所選的測(cè)試方向并不一定是ε最小的方向，所以與垂直入射相比ε整體上較大;2)選取θ=180°的測(cè)試方向，l/λ=0.2時(shí)，ε可保證在40%以內(nèi)，能滿足實(shí)驗(yàn)誤差范圍要求。

4 混響室中測(cè)試位置的選取

Hill[7]理論推導(dǎo)了充分?jǐn)嚢韬蟮幕祉懯仪粌?nèi)場(chǎng)分布的平面波積分方程表達(dá)式，其統(tǒng)計(jì)特性可由隨機(jī)變量平面角譜來描述;Franco等[8]利用一定數(shù)量的隨機(jī)平面波疊加來模擬由于攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不同方向傳播的電磁波。本文采用多列平面波入射來簡(jiǎn)單模擬混響室內(nèi)場(chǎng)分布，方向角和高低角均以10°為間隔施加線性極化的單位平面波，如圖7所示。

選取l/λ=0.2的點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，分別計(jì)算立方體置于平面波場(chǎng)前、后該測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)模值，設(shè)分別為|E|和|E′|，此時(shí)ε=(|E′|-|E|)/|E|。

圖8為80 MHz≤f≤500 MHz時(shí)，利用Feko仿真軟件計(jì)算的測(cè)試點(diǎn)ε。可以看出：ε隨著f的增大呈現(xiàn)振蕩衰減，但ε總體較小，在±3%以內(nèi)。這是由于所建立的混響室模型為理想電磁環(huán)境，不同入射方向的平面波之間相互作用，從而使ε比單列波的更小，表明選取的測(cè)試點(diǎn)可用于混響室中受試設(shè)備環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)定。

圖6 斜入射時(shí)ε隨l/λ變化趨勢(shì)

圖7 多列平面波疊加模擬的混響室環(huán)境

圖8 測(cè)試點(diǎn)ε隨f變化趨勢(shì)

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(責(zé)任編輯: 王生鳳)

Selection of E-field Intensity Measurement Position in Reverberation Chamber

MENG Ling-yuan, WEI Guang-hui, PAN Xiao-dong, FAN Li-si, WAN Hao-jiang

(Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

To get the best position in the working volume to test the environment field intensity and decrease the testing error in reverberation chamber, the 3D cube electrical conductor is taken as the general device under test to simulate and calculate the testing orientation and relative distance of the position measured whose field intensity is closest to the environmental field intensity when under the unit vertical incident plane wave, and the effect of selecting measured position on different electrical size of EUT is analyzed. Changing the incident angle of plane wave, the relative error of field intensity in selected position and environment field intensity is calculated, which proves it satisfies the experimental requirement; as it is popularized to the reverberation chamber which is recreated by a superposition of a finite number of random plane waves, the relative error of the selected position is calculated can be controlled within 3%, which proves it satisfies the experimental requirement and is applicable in actual environmental field intensity testing.

reverberation chamber; plane wave; environmental field intensity

1672-1497(2015)06-0098-04

2015-07-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372040)

孟令媛(1991-)，女，碩士研究生。

O441.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.019