鏡像對稱結(jié)構(gòu)對多饋源混響室場性能的影響*

(軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護研究所，石家莊 050003)

1 引 言

自1968年Dr．Mendes提出將混響室作為電磁兼容測試場地后，人們對混響室的理論、技術(shù)及應(yīng)用研究不斷增多[1-2]。2003年，混響室測試標準IEC-61000-4-21的頒布標志著混響室從研究開始走向應(yīng)用[3]。

目前，系統(tǒng)級電磁環(huán)境效應(yīng)試驗研究急需大型的測試空間，這就需要擴展混響室體積，但隨著混響室體積的增大，測試區(qū)域的場強也隨之下降[4]。為滿足測試空間高場強、良好場均勻性的要求，就需要給發(fā)射天線饋入高功率，但一方面大型功率放大器的成本很高，另一方面國內(nèi)功率放大器的放大倍數(shù)有限，因此很難通過在一部天線上饋入高功率來解決混響室大體積與場性能高要求之間的矛盾。為此，本文基于鏡像原理提出一種由多個單混響室系統(tǒng)組合鏡像多饋源混響室的設(shè)計思想，即通過多個小型功率放大器合成的方法來解決大型混響室大功率問題。

2 鏡像多饋源混響室原理分析

鏡像多饋源混響室是由多個結(jié)構(gòu)完全對稱的單混響室系統(tǒng)組合而成。所謂鏡像即指組成多饋源混響室的單混響室系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上完全對稱，多饋源混響室關(guān)于公共面兩側(cè)結(jié)構(gòu)上完全鏡像對稱。在此以兩個結(jié)構(gòu)上完全對稱的單混響室系統(tǒng)組合成一個鏡像雙饋源混響室為例，對鏡像多饋源混響室的原理進行分析，如圖1所示。

(a)單混響室系統(tǒng)

(b)兩個單混響室系統(tǒng)組合

(c)鏡像雙饋源混響室

當兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的單混響室系統(tǒng)結(jié)合后，兩混響室之間有一公共面，如圖1(b)所示，整個系統(tǒng)可用的測試區(qū)域為測試區(qū)域1和測試區(qū)域2之和，此時僅僅是兩個單混響室在數(shù)量上的疊加。將兩單混響室系統(tǒng)之間的公共面去除，得到了一個鏡像雙饋源混響室，如圖1(c)所示，去除公共面后，多出了一塊可用于電磁兼容測試的區(qū)域3，此時可用的測試區(qū)域就為測試區(qū)域1、測試區(qū)域2和測試區(qū)域3之和。因此，當兩個單混響室系統(tǒng)根據(jù)鏡像原理組合成鏡像雙饋源混響室后，可用于電磁兼容測試的工作區(qū)域體積得到了大幅度提高。

另一方面，對于以上兩個單混響室系統(tǒng)，其內(nèi)部電磁能量的損耗主要在于混響室的6個壁面和攪拌器。當單混響室系統(tǒng)依據(jù)鏡像原理組合后，兩個單混響室的公共面就被除去，這樣就減少了兩個公共面的損耗，因而在相同的輸入功率下，由于損耗減小，混響室內(nèi)產(chǎn)生的場強也隨之得到提高。

對于一個大型混響室系統(tǒng)，除測試區(qū)域的體積和電場強度外，另一個關(guān)鍵指標就是電場的均勻性。當兩個單混響室系統(tǒng)組合成鏡像雙饋源混響室后，混響室的體積也隨之增大1倍?；祉懯殷w積越大，其內(nèi)部容納的電磁模數(shù)也越多，其內(nèi)部電磁場分布也就越均勻。另外，由于組成鏡像雙饋源混響室的兩個單混響室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上完全對稱，因此混響室系統(tǒng)內(nèi)的電磁波經(jīng)墻體或攪拌器反射的情況應(yīng)該完全對稱，最后鏡像混響室內(nèi)穩(wěn)定的電磁場分布也應(yīng)該完全對稱。由以上分析可知，當兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的單混響室系統(tǒng)組合成鏡像雙饋源混響室后，其內(nèi)部場的均勻性較單饋源混響室系統(tǒng)應(yīng)當不會下降。

3 鏡像多饋源混響室場性能研究

為考察鏡像多饋源混響室場性能，以鏡像雙饋源混響室為例，利用矩量法建立了其電磁仿真模型，從場均勻性和電場強度大小兩個方面詳細研究了鏡像雙饋源混響室的場性能。

單混響室尺寸為10.5 m×8 m×4.3 m，設(shè)置雙攪拌器，主攪拌器橫向放置，副攪拌器垂直放置，采用單饋源激勵，工作區(qū)域體積為32.2 m3，結(jié)構(gòu)同圖1(a)。兩單混響室鏡像組合后，鏡像雙饋源混響室的尺寸為10.5 m×16 m×4.3 m，混響室結(jié)構(gòu)完全鏡像對稱，工作區(qū)域體積大幅度增加，達到92 m3，結(jié)構(gòu)同圖1(c)。

圖2為工作頻率在100 MHz下，攪拌器在起始位置(0°)時，鏡像雙饋源混響室工作區(qū)域z=1平面和z=3.3平面的電場分布云圖。由圖2可以看出，同前面原理分析結(jié)果一樣，鏡像雙饋源混響室工作區(qū)域的電場分布完全鏡像對稱。

(a)z=1

(b)z=3.3

圖3比較了單混響室工作區(qū)域和鏡像雙饋源混響室相同工作區(qū)域(即工作區(qū)域1)內(nèi)5 043個點的電場強度各分量值的大小。從圖3可以看出，單混響室系統(tǒng)組合成鏡像雙饋源混響室后，工作區(qū)域電場強度X分量的變化不大，但從Y分量上看，鏡像雙饋源混響室相同工作區(qū)域的電場強度明顯比單饋源混響室的要大；從Z分量上看，鏡像雙饋源混響室的電場強度分布比單饋源混響室更加均勻。因此，單混響室系統(tǒng)組合成鏡像雙饋源混響室系統(tǒng)后，電場強度在Y分量上體現(xiàn)了場強的增強，而在Z分量上體現(xiàn)了場均勻性的提高。

圖4是單混響室和鏡像雙饋源混響室相同工作區(qū)域，以及鏡像雙饋源混響室整個工作區(qū)域電場強度各分量平均值的比較，與對圖3的分析結(jié)果一致，相同工作區(qū)域時，單混響室與鏡像雙饋源混響室的電場強度平均值X、Z分量基本相同，而鏡像雙饋源混響室的電場強度Y分量和總體平均場強顯著提高。另外，從圖4還可以看出，鏡像雙饋源混響室整個工作區(qū)域的電場強度各分量平均值與工作區(qū)域1的電場強度各分量平均值基本相同，尤其總體平均場強一致性非常理想。

(a)X分量

(b)Y分量

(c)Z分量

圖4 工作區(qū)域電場強度平均值比較

表1是單混響室和鏡像雙饋源混響室相同工作區(qū)域，以及鏡像雙饋源混響室整個工作區(qū)域電場強度標準偏差的比較。有關(guān)混響室場強標準偏差的計算方法具體參見標準IEC61000-4-21，場強標準偏差越小則表明場均勻性越好[5-6]。從表1的電場強度標準偏差數(shù)據(jù)可以看出，組成鏡像雙饋源混響室后，相同工作區(qū)域部分場均勻性有所提高，且鏡像雙饋源混響室整個工作區(qū)域的場均勻性也沒有下降。

表1 工作區(qū)域的電場強度的標準偏差

因此，仿真實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果證實了前面的理論分析，即利用兩個單混響室系統(tǒng)依據(jù)鏡像原理組合成鏡像雙饋源混響室后，不但可用于電磁兼容測試的工作區(qū)域體積大幅度增大，而且測試區(qū)域的電場強度也得到了提高，同時工作區(qū)域的場均勻性不會下降，這樣就通過在兩個發(fā)射天線同時饋入相同功率即兩個小功放合成的方法解決了大混響室大功放的問題。

4 鏡像多饋源混響室擴展分析

根據(jù)鏡像多饋源混響室的組成原理可知，組成鏡像多饋源混響室的單混響室系統(tǒng)不一定是單饋源混響室，也可以是雙饋源混響室或多饋源混響室，甚至也可以是鏡像多饋源混響室，只要求組成鏡像多饋源混響室的單混響室系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和設(shè)置上完全的鏡像對稱。因此，可以將所有的鏡像多饋源混響室均理解成由兩個單混響室系統(tǒng)組成，而組成鏡像多饋源混響室的單混響室系統(tǒng)也可以是一個鏡像多饋源混響室，如此無限下分，結(jié)構(gòu)上存在可能性。

又由仿真實驗結(jié)果可知，當兩個單混響室系統(tǒng)組成鏡像多饋源混響室后，工作區(qū)域的電場強度和場均勻性都不會下降。那么，當兩個鏡像雙饋源混響室組成鏡像四饋源混響室后，其工作區(qū)域的電場強度和場均勻性也應(yīng)當不會下降；兩個鏡像四饋源混響室又可組合成一個鏡像八饋源混響室，如此無限疊加，工作區(qū)域的電場強度和場均勻性依然滿足測試要求是存在可能性的。

因此，對一個結(jié)構(gòu)固定的單混響室系統(tǒng)而言，如果用其組成鏡像多饋源混響室，其數(shù)量上可以是2個，也可以是4個，或更多，且可以推測組成鏡像多饋源混響室的單混響室系統(tǒng)數(shù)量M滿足以下關(guān)系：

M=2n

式中，n為非零正整數(shù)。

另一方面，理論上由單混響室系統(tǒng)組合鏡像多饋源混響室的方法可以是通過在x、y或z(混響室長、寬、高)3個方向的任一方向上將單混響室系統(tǒng)根據(jù)鏡像原理進行組合，但具體的組合方式應(yīng)當綜合考慮場性能、實際場地情況和電磁兼容測試對象等因素。圖5是由單混響室系統(tǒng)組合鏡像多饋源混響室可預(yù)見、能實現(xiàn)的幾個實例示意圖。

(a)M=21

(b)M=22

(c)M=23

5 結(jié) 論

目前，我國在混響室尤其是大型混響室的設(shè)計技術(shù)研究方面尚屬起步，已建設(shè)的混響室設(shè)備大多屬于國外中小型商業(yè)產(chǎn)品，而系統(tǒng)級電磁環(huán)境效應(yīng)試驗研究急需大型的測試空間，混響室大體積與場性能高要求之間的矛盾是亟待解決的問題。

本文基于鏡像原理提出了一種鏡像多饋源混響室的設(shè)計思想，研究結(jié)果表明在輸入功率一定時，利用兩個單混響室系統(tǒng)依據(jù)鏡像原理組合成鏡像雙饋源混響室后，在工作區(qū)域的場均勻性能不下降的基礎(chǔ)上，不但可用于電磁兼容測試的工作區(qū)域體積大幅度增大，而且測試區(qū)域的電場強度也得到了提高。這樣就通過在兩個發(fā)射天線同時饋入相同功率即兩個小功放合成的方法解決了大混響室大功放的問題。在下一步的研究工作中，應(yīng)當進一步深入探索鏡像多饋源混響室內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和工程設(shè)計，以獲得更優(yōu)的測試環(huán)境并為系統(tǒng)級電磁試驗用大型鏡像混響室的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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