混響室仿真模型的建立及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

萬(wàn) 博，白嶸峰，張 龍，楊 洋，崔耀中

(1. 總裝西安軍事代表局駐華縣地區(qū)軍事代表室，西安 710071；2. 西安軍事代表局政治部，西安 710071；3. 軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護(hù)研究所，石家莊 050003)

0 引 言

混響室是一種能在屏蔽腔體內(nèi)產(chǎn)生空間統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性、隨機(jī)極化電磁環(huán)境的模擬設(shè)備。通過(guò)對(duì)混響室進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)于了解其內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布，減少相關(guān)的調(diào)試工作具有重要的作用。建立一個(gè)能夠真實(shí)反映實(shí)際混響室場(chǎng)性能的混響室數(shù)值仿真模型，將會(huì)對(duì)實(shí)際混響室內(nèi)的電磁兼容測(cè)試具有重大指導(dǎo)意義。雖然國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一些建立混響室仿真模型的研究工作，但在模型建立方面大多是采用二維結(jié)構(gòu)建模、將混響室面壁設(shè)為理想導(dǎo)體，以及激勵(lì)源簡(jiǎn)化為偶極子天線模型［1，2］，以致無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確反映實(shí)際混響室的場(chǎng)性能特點(diǎn);而在模型驗(yàn)證方面或者僅進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度大小的比較［3］，或者僅進(jìn)行混響室統(tǒng)計(jì)規(guī)律上的驗(yàn)證［4］，以致無(wú)法對(duì)混響室性能進(jìn)行全面驗(yàn)證。本文采用基于矩量法的電磁仿真軟件FEKO 建立混響室仿真模型，按照混響室實(shí)際材料構(gòu)成設(shè)置面壁材料參數(shù)，以實(shí)際測(cè)試中的對(duì)數(shù)周期天線為激勵(lì)源，并從電場(chǎng)強(qiáng)度大及場(chǎng)均勻性兩方面對(duì)混響室模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 混響室仿真模型的建立

以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的混響室為依據(jù)，建立1 ∶1 的混響室仿真模型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1(a)、1(b)所示。混響室模型包括屏蔽腔體、攪拌器、發(fā)射天線三部分。

圖1 混響室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 屏蔽腔體建模

建立10.5 m(長(zhǎng))×8 m(寬)×4.3 m(高)的矩形屏蔽腔體。根據(jù)諧振腔理論，其諧振頻率fmnp為

式中，L、W、H 分別為混響室的長(zhǎng)、寬、高，單位為m;m，n，p 為0 或正整數(shù);c 為光速。由式(1)可知，此屏蔽腔體最低諧振頻率f110為23.6 MHz。為滿足混響室場(chǎng)均勻性要求，最低工作頻率一般取最低諧振頻率的3 倍，即其工作頻率應(yīng)大于70.7 MHz，本文選擇工作頻率80 MHz、150 MHz 進(jìn)行研究。腔體材料選擇鍍鋅鋼板，其電導(dǎo)率與相對(duì)磁導(dǎo)率之比σ/μr為4.4 ×106S·m－1。

1.2 攪拌器建模

攪拌器是混響室內(nèi)的重要組成部分。通過(guò)攪拌器的旋轉(zhuǎn)，混響室邊界條件不斷發(fā)生改變，腔體內(nèi)駐波分布不斷變化，最終形成統(tǒng)計(jì)均勻的電磁環(huán)境。

本文建立了兩個(gè)結(jié)構(gòu)不同的攪拌器，如圖2 所示。其中橫向放置的攪拌器為Z 型結(jié)構(gòu)，由四個(gè)葉片組成，葉片夾角φ 為128.3°;豎直放置的攪拌器由六個(gè)V 型槳葉組成，槳葉夾角θ 為90°，為增大攪拌效率，槳葉采用V 型切口設(shè)計(jì)。

1.3 發(fā)射天線建模

設(shè)計(jì)工作頻率60 MHz ～1.9 GHz，對(duì)數(shù)周期偶極子陣列作為發(fā)射天線，如圖3 所示。其中最短振子長(zhǎng)0.08 m，最長(zhǎng)振子長(zhǎng)2. 52 m，增長(zhǎng)因子τ 為0.88，天線全長(zhǎng)1.6 m。根據(jù)IEC61000 －4 －21 標(biāo)準(zhǔn)［5］，發(fā)射天線位置應(yīng)對(duì)準(zhǔn)墻角，天線輸入功率100 W。

2 仿真計(jì)算

混響室場(chǎng)強(qiáng)直接反映混響室產(chǎn)生的電磁環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)情況，而場(chǎng)均勻性則反映了混響室的統(tǒng)計(jì)規(guī)律特性，在驗(yàn)證混響室仿真模型時(shí)這兩個(gè)參數(shù)不可偏廢。采用IEC61000 －4 －21 標(biāo)準(zhǔn)給出的方法來(lái)判定混響室工作區(qū)域的場(chǎng)均勻性，即在攪拌器步進(jìn)一周后，求解混響室工作區(qū)域8 個(gè)頂點(diǎn)位置處對(duì)輸入功率歸一化的最大電場(chǎng)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，說(shuō)明工作區(qū)域的場(chǎng)均勻性越好。工作區(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(zhǎng)。在此選擇矩形工作區(qū)域坐標(biāo)區(qū)間x∈［2.9，7.0］;y∈［4.3，9.5］;z∈［1.0，3.3］。

IEC61000 －4 －21 標(biāo)準(zhǔn)介紹了兩種攪拌方式，即連續(xù)攪拌和步進(jìn)攪拌，本文選擇步進(jìn)攪拌。通過(guò)編寫Matlab 程序控制FEKO，實(shí)現(xiàn)仿真模型中攪拌器的自動(dòng)步進(jìn)，共步進(jìn)50 個(gè)位置。在攪拌器步進(jìn)一周內(nèi)，記錄測(cè)試區(qū)域8 個(gè)頂點(diǎn)位置在正交軸上的最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emaxik(i 代表正交軸x、y、z 方向，k 代表頂點(diǎn)位置1 到8)及平均輸入功率Pinput，求出各頂點(diǎn)處Emaxik對(duì)Pinput的歸一化最大電場(chǎng)值，為

各正交軸歸一化最大電場(chǎng)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(chǎng)最大值Eik標(biāo)準(zhǔn)偏差

標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 相對(duì)于平均值可以表示為單位為dB 的量

隨著頻率的增加，混響室內(nèi)模式數(shù)增多，各個(gè)模式相互疊加，將使得混響室場(chǎng)均勻性越來(lái)越好。仿真得到的混響室工作區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖4 所示反映了這一點(diǎn)。由圖4 可知，隨著頻率的增大，雖然混響室的標(biāo)準(zhǔn)偏差σr(r =x，y，z，24)會(huì)出現(xiàn)后者大于前者的情況，但是整體的趨勢(shì)是越來(lái)越小，尤其體現(xiàn)在表征整體均勻性的σ24上，從而驗(yàn)證了混響室的場(chǎng)均勻性隨著頻率的增大而越來(lái)越好。

圖4 混響室標(biāo)準(zhǔn)偏差

3 混響室模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文從場(chǎng)強(qiáng)及反映混響室統(tǒng)計(jì)規(guī)律的場(chǎng)均勻性兩個(gè)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證混響室仿真模型。為驗(yàn)證優(yōu)化仿真的正確性，需要對(duì)實(shí)際混響室進(jìn)行測(cè)試，分別對(duì)80 MHz、150 MHz 這兩個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試。采用Lab Windows/CVI 軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了混響室場(chǎng)均勻性測(cè)試程序，通過(guò)GPIB 卡對(duì)信號(hào)源、功率計(jì)、攪拌器以及場(chǎng)強(qiáng)計(jì)進(jìn)行控制，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，最后輸出電場(chǎng)強(qiáng)度及電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)文件，測(cè)試流程如圖5 所示。

3.1 電場(chǎng)強(qiáng)度驗(yàn)證

圖6、圖7 分別為80 MHz、150 MHz 時(shí)，仿真得到的工作區(qū)域各頂點(diǎn)歸一化最大電場(chǎng)強(qiáng)度Eik與實(shí)際測(cè)試的比較。從圖6、圖7 中可知，仿真計(jì)算得到的各頂點(diǎn)Ezk歸一化最大電場(chǎng)強(qiáng)度趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果相似性較好，Exk、Eyk變化趨勢(shì)相似性稍差的原因是Exk、Eyk的方向具有沿軸向旋轉(zhuǎn)的任意性，與仿真值不具有一一對(duì)應(yīng)性。另外，仿真計(jì)算得到的歸一化場(chǎng)強(qiáng)值Eik高于實(shí)際測(cè)試的結(jié)果，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是由于:仿真計(jì)算忽略了實(shí)際混響室中通風(fēng)口、電纜口的電磁損耗;仿真計(jì)算未考慮混響室實(shí)際測(cè)試中支架、場(chǎng)強(qiáng)計(jì)等的加載效應(yīng)及電纜的損耗。

圖5 測(cè)試流程圖

圖7 頻率為150 MHz 時(shí)Eik仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較

3.2 工作區(qū)域場(chǎng)均勻性驗(yàn)證

仿真得到的工作區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)偏差與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的比較見(jiàn)表2。根據(jù)表2，仿真與實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的相對(duì)誤差值見(jiàn)表3，其中相對(duì)誤差ε 計(jì)算表達(dá)式為

從表3 可知，仿真計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差值與實(shí)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差平均值保持在12%左右，說(shuō)明仿真模型能真實(shí)反映混響室的場(chǎng)分布情況。

表2 仿真得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的混響室建立了1 ∶1 的混響室仿真模型，在頻率80 MHz、150 MHz 時(shí)對(duì)混響室進(jìn)行仿真計(jì)算，從場(chǎng)強(qiáng)大小和場(chǎng)均勻性兩個(gè)方面對(duì)混響室模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:仿真計(jì)算得到的各頂點(diǎn)歸一化最大電場(chǎng)強(qiáng)度趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，仿真計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差值與實(shí)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差平均值保持在12%左右，說(shuō)明仿真模型能真實(shí)反映混響室的場(chǎng)分布情況，從而為混響室的設(shè)計(jì)測(cè)試工作奠定一定的基礎(chǔ)。

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