混響室攪拌器位置優(yōu)化的數(shù)值分析

崔耀中,魏光輝,范麗思,萬浩江,劉小強(qiáng)

(軍械工程學(xué)院強(qiáng)電磁場環(huán)境模擬與防護(hù)技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050003)

1 引 言

混響室是一種新型的電磁兼容測試場地,通過屏蔽腔體內(nèi)一個(gè)或多個(gè)攪拌器的不斷轉(zhuǎn)動,改變電磁場的邊界條件[1-3],以產(chǎn)生一個(gè)統(tǒng)計(jì)意義上的均勻場,它具有 Q值高、成本低、測試空間大等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。攪拌器作為混響室的重要組成部分,其配置直接影響其改變邊界條件的能力,進(jìn)而決定混響室電磁場的統(tǒng)計(jì)均勻性[6-7]。而場均勻性是評價(jià)混響室性能的決定性指標(biāo),國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的相關(guān)研究[8-9]。但這些因素的改變通常是根據(jù)工程技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn),并沒有達(dá)到最優(yōu)解,且工程應(yīng)用價(jià)值受限。

本文采用基于矩量法(MOM)電磁仿真軟件FEKO建立了配備雙攪拌器的混響室仿真模型,并結(jié)合遺傳算法(GA)對混響室攪拌器位置進(jìn)行優(yōu)化,以得到統(tǒng)計(jì)均勻性較為理想的電磁測試環(huán)境。通過優(yōu)化計(jì)算,得到了攪拌器位置的最優(yōu)解以及相應(yīng)的表征混響室場均勻性的電場標(biāo)準(zhǔn)偏差值。

2 仿真建模

混響室模型主要包括屏蔽腔體、發(fā)射天線和攪拌器,如圖1所示。屏蔽腔體大小為9.92 m(長)×7.44 m(寬)×4.06 m(高);發(fā)射天線為工作帶寬57.08～93.75MHz的對數(shù)周期天線,本文選擇工作頻率80MHz進(jìn)行研究;攪拌器采用兩個(gè)大小不同的Z型結(jié)構(gòu)攪拌器,其中大攪拌器橫向放置,小攪拌器豎直放置。FEKO建立的混響室仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 混響室示意圖Fig.1 Sketch of a reverberation chamber

圖2 仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Inner structure of simulation model

3 目標(biāo)函數(shù)及綜合評價(jià)函數(shù)計(jì)算

遺傳算法通過調(diào)用FEKO建立混響室仿真模型,優(yōu)化雙攪拌器在混響室中的位置,使得評價(jià)混響室場均勻性的電場標(biāo)準(zhǔn)偏差在滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-21[10]要求的基礎(chǔ)上盡可能小,測試區(qū)域8個(gè)頂點(diǎn)位置處對輸入功率歸一化的最大電場值的標(biāo)準(zhǔn)偏差越小,說明測試區(qū)域場均勻性越好。測試區(qū)域距離腔室6個(gè)面、天線及攪拌器的最短距離應(yīng)大于λ/4或者1 m,λ為最低工作頻率波長。在此選擇矩形測試區(qū)域坐標(biāo)區(qū)間 x∈[3.5,6.44],y∈[4.1,8.92],z∈[1,3.06]。

在攪拌器旋轉(zhuǎn)一周內(nèi),記錄測試區(qū)域8個(gè)頂點(diǎn)位置在正交軸上的最大電場強(qiáng)度Emaxik(i代表正交軸x、y、z方向,k代表頂點(diǎn)位置1～8)及平均輸入功率 Pinput,求出各頂點(diǎn)處Emaxik對Pinput的歸一化最大電場值:

分別對Eik在8個(gè)頂點(diǎn)位置求平均值〈〉8及對 Eik在8個(gè)頂點(diǎn),每個(gè)頂點(diǎn)3個(gè)正交軸位置求平均值〈〉24:

各正交軸向歸一化最大電場值標(biāo)準(zhǔn)偏差:

8個(gè)頂點(diǎn),每個(gè)頂點(diǎn)3個(gè)正交軸的歸一化電場最大值Eik標(biāo)準(zhǔn)偏差:

標(biāo)準(zhǔn)偏差σ相對于平均值可以表示為單位為dB的量:

將各軸向電場標(biāo)準(zhǔn)偏差 σx、σy、σz及總標(biāo)準(zhǔn)偏差σ24作為遺傳算法優(yōu)化多目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化問題的權(quán)重系數(shù)變換法[11],在此將綜合評價(jià)函數(shù)即適應(yīng)度函數(shù)定義為各目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)和,即綜合評價(jià)函數(shù):

這樣將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化,即F※min,F 越小 ,即 σx、σy、σz及 σ24越小,說明測試區(qū)域場均勻性越好。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-21(如表1所示)的場均勻性限值,當(dāng)工作頻率在80MHz時(shí),可用工作區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ應(yīng)低于4dB。

表1 場均勻性限值Table 1 Field uniformity tolerance requirements

4 優(yōu)化計(jì)算

優(yōu)化過程中,遺傳算法調(diào)用FEKO建立的混響室仿真模型,待FEKO完成對混響室的數(shù)值分析后再返回遺傳算法,如圖3所示。在此采用遺傳算法對橫攪拌器與腔體右墻距離d1及豎攪拌器與腔體后墻距離d2進(jìn)行優(yōu)化,如圖4所示。同時(shí)測試區(qū)域在優(yōu)化過程中不變。

圖3 優(yōu)化流程圖Fig.3 Flowchart of optimization

圖4 攪拌器初始位置Fig.4 Initial position of stirrer

具體過程如下:

(1)采用實(shí)數(shù)編碼方式隨機(jī)生成一組初始個(gè)體作為初始群體P(0),在此選擇種群個(gè)體數(shù)為30;

(2)程序調(diào)用混響室仿真模型,將各個(gè)個(gè)體值賦給混響室計(jì)算模型中的變量d1和d2,并進(jìn)行混響室數(shù)值分析計(jì)算;

(3)程序讀取仿真結(jié)果文件,并計(jì)算各個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值及適應(yīng)度值;

(4)選擇操作。根據(jù)各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值,采用隨機(jī)遍歷抽樣(SUS)選擇法,從種群P(t)中選擇優(yōu)良的個(gè)體遺傳到下一代群體P(t+1);

(5)交叉操作。采用均勻交叉方式首先使種群P(t)中的個(gè)體隨機(jī)配對,之后將兩兩配對的個(gè)體以0.8的交叉概率Pc相互交換部分基因,并將改變基因的個(gè)體遺傳到下一代種群P(t+1);

(6)變異操作。按照高斯近似變異方式首先在種群P(t)中隨機(jī)選擇一個(gè)個(gè)體,對于選中的個(gè)體按照0.1的變異概率Pc改變某一個(gè)或某一些基因座上的基因值為其它的等位基因,并將改變基因的個(gè)體遺傳到下一代種群P(t+1);

(7)終止條件判斷。若進(jìn)化代數(shù)t不大于最大進(jìn)化代數(shù),轉(zhuǎn)到步驟2,否則將具有最小適應(yīng)度的個(gè)體作為最優(yōu)解輸出,終止運(yùn)算。

5 優(yōu)化結(jié)果及分析

初始群體P(0)中部分個(gè)體以及相應(yīng)各軸向電場標(biāo)準(zhǔn)偏差、總標(biāo)準(zhǔn)偏差及適應(yīng)度值如表2所示。初始及優(yōu)化計(jì)算得到的發(fā)射天線位置、各軸向電場標(biāo)準(zhǔn)偏差、總標(biāo)準(zhǔn)偏差及適應(yīng)度值如表3所示,優(yōu)化后攪拌器位置如圖5所示。

表2 初始群體部分個(gè)體及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差值Table 2 Part of individual in initial population and corresponding standard deviation

表3 優(yōu)化前與優(yōu)化后結(jié)果比較Table 3 Comparison between initial and optimum

圖5 攪拌器最優(yōu)位置Fig.5 The optimum position of stirrer

從圖4和圖5可以看出,優(yōu)化后橫攪拌器向中間移動,豎攪拌器向前移動,與發(fā)射天線的距離變小。由表2可知,攪拌器位置變化時(shí),測試區(qū)域電場標(biāo)準(zhǔn)偏差隨之變化,說明攪拌器位置影響測試區(qū)域場均勻性。由表3可知,初始狀態(tài)測試區(qū)域電場標(biāo)準(zhǔn)偏差值較大,且 σx、σz大于4dB,不滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-21要求;優(yōu)化后測試區(qū)域場標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯減小,滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-21的要求。綜合評價(jià)函數(shù)F較初始狀態(tài)下降了45.4%;各軸向電場標(biāo)準(zhǔn)偏差分別下降了47.4%、20.1%、57.1%,且σy、σz已經(jīng)小于2dB;σ24下降了44.0%,說明優(yōu)化后測試區(qū)域場均勻性較優(yōu)化前有所改善。

攪拌器通過轉(zhuǎn)動不斷改變混響室邊界條件,使諧振頻率及模結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,多個(gè)不相關(guān)的模結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生了多個(gè)獨(dú)立的場分布結(jié)構(gòu),從統(tǒng)計(jì)意義上講,獨(dú)立樣本越多場分布越均勻。對攪拌器位置進(jìn)行優(yōu)化,本質(zhì)是為了增加獨(dú)立采樣點(diǎn)。從優(yōu)化結(jié)果可知,攪拌器位置優(yōu)化后,改善了場均勻性,說明提高了攪拌器的攪拌效率,增強(qiáng)了其改變邊界條件的能力。

6 結(jié) 語

本文通過將遺傳算法與混響室數(shù)值模擬相結(jié)合,研究了攪拌器位置對混響室測試區(qū)域場均勻性的影響。研究過程表明:

(1)攪拌器作為混響室內(nèi)重要組成部分,其位置變化時(shí),混響室測試區(qū)域場均勻性隨之變化,這是由混響室內(nèi)電磁場分布不盡相同,從而不同位置的攪拌器改變邊界條件的能力不同造成的;

(2)通過優(yōu)化攪拌器的位置,即提高攪拌器增加混響室獨(dú)立采樣點(diǎn)的能力,各軸向電場標(biāo)準(zhǔn)偏差分別下 降 了 47.4%、20.1%、57.1%,σ24下 降 了44.0%,提高了測試區(qū)域場的均勻性,從而提高了混響室用于電磁兼容測試時(shí)的準(zhǔn)確度。

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