一款可重構(gòu)混響室的設(shè)計(jì)、開發(fā)與性能測(cè)試

蔡瀟源，閆麗萍，趙 翔

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

作為一種新型電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地，混響室在電子設(shè)備的輻射抗擾度測(cè)量、屏蔽效能測(cè)試及模擬多徑衰落環(huán)境等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。與微波暗室、GTEM室及傳統(tǒng)開闊場(chǎng)地等電磁兼容測(cè)試平臺(tái)相比，混響室因其對(duì)周圍環(huán)境要求不高，建造成本低，可良好地重復(fù)模擬各種電大尺寸腔室內(nèi)的電磁環(huán)境而成為國(guó)內(nèi)外電磁兼容領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。關(guān)于混響室的研究可以追溯到1968年Mendes[1]首次提出電磁混響室的概念。1986年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NITS)發(fā)布一份重要研究報(bào)告，對(duì)混響室的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了相關(guān)介紹，為混響室的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[2]。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞混響室的設(shè)計(jì)、測(cè)試和應(yīng)用等展開了大量研究[3-10]?；祉懯乙舱谥饾u被工業(yè)領(lǐng)域及先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)組織認(rèn)可，如瑞典Bluetest公司、美國(guó)ETS-Lindgren等都推出了應(yīng)用在各種測(cè)試的多種型號(hào)混響室；國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的IEC 61000-4-21(2011)標(biāo)準(zhǔn)[11]、美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-461F[12]及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6113.104-2016[13]等都包含有混響室測(cè)試方法。

混響室設(shè)計(jì)的相關(guān)研究多是依據(jù)各不同標(biāo)準(zhǔn)展開，通常在混響室建造之前需要根據(jù)測(cè)試頻率范圍和被測(cè)設(shè)備(Equipment under Test，EUT)的尺寸范圍來確定混響室屏蔽室的空間尺寸大小，為保證混響室的場(chǎng)均勻性和統(tǒng)計(jì)獨(dú)立樣本數(shù)，會(huì)對(duì)攪拌器位置、攪拌槳葉片的形狀、大小等進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。絕大多數(shù)混響室的屏蔽室、攪拌器等在建造完成之后都是固定不變的，給混響室模擬多種隨機(jī)衰落電磁環(huán)境帶來了限制。本文在四川大學(xué)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室建造了一個(gè)內(nèi)部尺寸為3.97 m×2.8 m×1.91 m的混響室，重點(diǎn)研究了混響室機(jī)械攪拌器的可重構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了3種不同方式的可重構(gòu)攪拌器，并分別測(cè)量了重構(gòu)后不同攪拌器下混響室內(nèi)的場(chǎng)均勻性與概率統(tǒng)計(jì)分布。

1 混響室工作原理

電磁混響室的本質(zhì)是一個(gè)電大多模、高品質(zhì)因數(shù)(Q)值的諧振腔，由金屬屏蔽室和一個(gè)或多個(gè)攪拌器組成。當(dāng)用射頻源通過發(fā)射天線進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，攪拌器的不斷運(yùn)動(dòng)能改變腔室的電磁邊界條件，以產(chǎn)生隨機(jī)變化的電磁環(huán)境。在每個(gè)邊界條件下，腔室內(nèi)的電磁環(huán)境可作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本。當(dāng)統(tǒng)計(jì)樣本足夠多(一般認(rèn)為攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)一周)時(shí)，在腔室內(nèi)可形成統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性的電磁環(huán)境。根據(jù)諧振腔理論，對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形空腔，其諧振頻率為：

(1)

式中，c0為真空中電磁波的傳播速度；l,w,h分別為混響室內(nèi)部的長(zhǎng)、寬、高；m,n,p代表腔內(nèi)電磁波的諧振形式，分別為0或整數(shù)，且最多有一個(gè)0。

腔室內(nèi)模式數(shù)Nmode與腔體尺寸、頻率的關(guān)系可表示為：

(2)

式中，f為工作頻率。同時(shí)根據(jù)IEC61000-4-21(2011)標(biāo)準(zhǔn)，混響室最低工作頻率(Lowest Usable Frequency，LUF)下至少應(yīng)存在60個(gè)模式；美軍標(biāo)則要求超過100個(gè)模式。顯然，混響室的尺寸越大，則LUF越低，模式數(shù)越多，模式密度越大，混響室的場(chǎng)分布均勻性與各向同性也可能會(huì)越好。

2 可重構(gòu)混響室的設(shè)計(jì)

屏蔽室和攪拌器的設(shè)計(jì)可直接關(guān)系到混響室的LUF與混響室的場(chǎng)均勻性水平，因此混響室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對(duì)混響室的屏蔽室和攪拌器2個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

2.1 屏蔽室設(shè)計(jì)

屏蔽室作為混響室的主體，理論上可以被設(shè)計(jì)成任意形狀，但為了設(shè)計(jì)、制造與理論分析的方便，通常情況下多為矩形腔體結(jié)構(gòu)。屏蔽室的空間尺寸主要取決于LUF及EUT的大小。由式(1)可知，混響室的最低諧振頻率取決于混響室的尺寸大小，一般認(rèn)為混響室LUF應(yīng)大于最低諧振頻率f011(0為腔室最短邊長(zhǎng)的標(biāo)號(hào))的3～4倍。因此，LUF越低或EUT越大，就要求混響室的體積越大。

本文所設(shè)計(jì)的屏蔽室的內(nèi)部尺寸為3.97 m×2.8 m×1.91 m，為避免簡(jiǎn)并模式的存在而特意取其三維尺寸均不是整數(shù)倍關(guān)系。根據(jù)式(1)可計(jì)算此混響室的最低諧振頻率為65.6 MHz，通過式(2)計(jì)算在3f011即197 MHz下存在45個(gè)模，在4f011即263 MHz下存在112個(gè)模。不同頻率下該混響室內(nèi)理論存在的模式數(shù)如表1所示，考慮到有攪拌器及通風(fēng)孔、預(yù)留孔等的影響，最終將此款混響室最低可用頻率定為300 MHz。

表1 不同頻率下混響室內(nèi)存在的模式數(shù)

混響室的主要損耗來自金屬腔壁的歐姆熱損耗、天線的接收損耗、縫隙的泄露損耗和EUT等帶來的吸收損耗4個(gè)部分。但混響室在正常工作時(shí)應(yīng)具有高Q值與良好的屏蔽效能，因此室壁材料選擇低損耗、低磁性、高導(dǎo)電性的金屬材料很重要。常見的金屬材料有銀、銅、鋁、鐵和鍍鋅鋼板等，這幾種金屬材料的參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 幾種金屬材料的相關(guān)參數(shù)

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鐵、鍍鋅鋼板的磁導(dǎo)率太大，銀、銅的成本太高，而鋁則具有質(zhì)量輕、屏蔽效能好且價(jià)格較低等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文最終設(shè)計(jì)屏蔽室采用雙層金屬壁，內(nèi)壁采用最為合適的2 mm厚的鋁壁，外壁采用2 mm厚的鍍鋅鋼板。外壁的鍍鋅鋼板硬度大，起到保護(hù)支撐內(nèi)壁、延長(zhǎng)其使用年限的作用。在金屬壁之間采用金屬密封墊填充使其緊密接觸，最后使用螺栓壓緊加固。該混響室的結(jié)構(gòu)及測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中標(biāo)號(hào)1～5的大小不等灰色矩形塊只有一層2 mm厚的鋁壁，為可拆卸的預(yù)留孔，以便進(jìn)行多種電磁環(huán)境模擬及效應(yīng)測(cè)試。

圖1 混響室結(jié)構(gòu)及測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.1 Diagram of the reverberation chamber structure and experimental system

2.2 可重構(gòu)攪拌器設(shè)計(jì)

攪拌器的設(shè)計(jì)是混響室設(shè)計(jì)中的“靈魂”所在，攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)可用來在混響室內(nèi)改變電磁邊界條件，因此它的形狀、尺寸和位置選擇等都對(duì)混響室性能起著至關(guān)重要的作用。據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-21(2011)及其他文獻(xiàn)說明[14-18]，攪拌器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是保證攪拌器在占用空間較小的情況下攪拌槳葉片的有效反射面積盡可能大。通常建議攪拌器尺寸達(dá)到如下要求：任一邊的尺寸至少為最低工作頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4；總尺寸相對(duì)于混響室的尺寸應(yīng)盡量大，至少為混響室尺寸的3/4。依照此建議，本文所設(shè)計(jì)的混響室LUF所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1 m，而可重構(gòu)的3種攪拌器的旋轉(zhuǎn)直徑都為80 cm，旋轉(zhuǎn)高度都為1.4 m。為了保證混響室的低頻性能及工作區(qū)空間盡可能大，在混響室的設(shè)計(jì)中嘗試最多的是對(duì)攪拌器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但大量關(guān)于混響室及其攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)并未考慮可重構(gòu)性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在混響室建造完成之后，由于空間場(chǎng)地、操作難度等限制很難再做出改變。本文混響室在初步設(shè)計(jì)時(shí)就提出了對(duì)攪拌器的可重構(gòu)設(shè)計(jì)，目前已完成如圖2所示的3種不同攪拌器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

(a) “Z”字形攪拌器

(b) 非對(duì)稱攪拌器

(c) 非規(guī)則鋁箔攪拌器

本文的攪拌器的可重構(gòu)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在不同攪拌器之間的可更換與每個(gè)攪拌器本身的可調(diào)整。這依靠2處特別的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)：一是在連接混響室頂部、底部的轉(zhuǎn)軸上下兩端分別添加軸承設(shè)計(jì)，安裝軸承既能方便轉(zhuǎn)軸的抽取以實(shí)現(xiàn)不同攪拌器之間的可更換，又保證了各攪拌器葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性；二是在各攪拌器上添加止推環(huán)或角度螺釘設(shè)計(jì)，因此每個(gè)攪拌器的葉片均可進(jìn)行懸掛高度和夾角大小的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了攪拌器自身的可重構(gòu)。此外，在該混響室頂部的伺服電機(jī)安裝處還添加了截止波導(dǎo)設(shè)計(jì)，截止波導(dǎo)可以有效避免電磁泄露。

3 混響室性能測(cè)試

3.1 混響室內(nèi)場(chǎng)均勻性測(cè)試

混響室內(nèi)能滿足場(chǎng)均勻性條件的最大體積為混響室的均勻區(qū)，是形成均勻場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境空間，也是能夠測(cè)量的最大EUT空間。為了測(cè)試方便，通常選擇距離混響室內(nèi)任意邊界(包括室壁、天線和攪拌器等)1/4波長(zhǎng)的8個(gè)頂點(diǎn)圍成的區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)，該區(qū)間的場(chǎng)均勻性是評(píng)估混響室性能的重要指標(biāo)。場(chǎng)均勻性測(cè)試需要借助場(chǎng)強(qiáng)探頭測(cè)量不同攪拌器位置下的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)來完成，在擬定均勻區(qū)的8個(gè)頂角位置分別測(cè)量x，y，z三個(gè)方向共計(jì)24個(gè)電場(chǎng)分量，求其標(biāo)準(zhǔn)差[11]。本文設(shè)計(jì)的混響室測(cè)試區(qū)尺寸為1.95 m×2 m×1.12 m，測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，測(cè)試各電場(chǎng)分量幅值|Ex|，|Ey|，|Ez|和總電場(chǎng)幅值|E|的結(jié)果如圖3所示。

(a) |Ex|標(biāo)準(zhǔn)差

(b) |Ey|標(biāo)準(zhǔn)差

(c) |Ez|標(biāo)準(zhǔn)差

(d) |E|標(biāo)準(zhǔn)差

由圖3可知，在300 MHz～3 GHz頻段，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示在3個(gè)重構(gòu)后的不同攪拌器下，各頻點(diǎn)電場(chǎng)分量與總電場(chǎng)量的標(biāo)準(zhǔn)差都在3 dB以下，均滿足IEC 61000-4-21(2011)標(biāo)準(zhǔn)混響室場(chǎng)均勻性的要求。對(duì)比本文所構(gòu)造的3種攪拌器的電場(chǎng)分量、總量的標(biāo)準(zhǔn)差，發(fā)現(xiàn)圖3(c)中非規(guī)則鋁箔攪拌器的標(biāo)準(zhǔn)差在大多數(shù)頻點(diǎn)下都較低于另外2種攪拌器的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)也更為平緩，或優(yōu)于“Z”字形攪拌器與非對(duì)稱攪拌器。

3.2 混響室內(nèi)電場(chǎng)概率統(tǒng)計(jì)特性測(cè)試

根據(jù)混響室理論，分析混響室的物理特性重要的一環(huán)是分析場(chǎng)強(qiáng)探頭測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)值數(shù)據(jù)是否符合已知的概率分布。Hill[19]在其建立的混響室統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)了一系列場(chǎng)量的概率密度函數(shù)(PDF)，用PDF來表征腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于理想混響室場(chǎng)的概率統(tǒng)計(jì)模型，PDF在表征其統(tǒng)計(jì)規(guī)律時(shí)，均勻區(qū)內(nèi)電場(chǎng)各分量的幅值(如|Ex|，|Ey|，|Ez|)服從瑞利分布[20]，其概率密度函數(shù)為：

(3)

總的電場(chǎng)幅值|E|則服從自由度為6的χ分布[20]，其概率密度函數(shù)為：

(4)

本文采取將場(chǎng)強(qiáng)探頭固定放置在混響室均勻區(qū)的中心位置進(jìn)行測(cè)量，得到3個(gè)攪拌器下混響室電場(chǎng)的PDF，并與理想混響室模型的PDF進(jìn)行對(duì)比，圖4給出了2 GHz頻段時(shí)的對(duì)比結(jié)果。

圖4給出了歸一化的電場(chǎng)分量幅值與總電場(chǎng)幅值的PDF，歸一化因子E0為混響室常數(shù)[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在3種重構(gòu)后不同攪拌器下的混響室電場(chǎng)的PDF均與理想混響室模型的PDF基本吻合。其中各電場(chǎng)分量幅值的PDF如圖4所示，基本服從式(3)的瑞利分布；圖4(d)所示的總電場(chǎng)幅值也基本服從式(4)自由度為6的χ分布。3個(gè)攪拌器相比，非規(guī)則鋁箔攪拌器所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分布綠色實(shí)線與理想混響室模型所對(duì)應(yīng)的黑色虛線更為接近。

(a) 電場(chǎng)分量|Ex|的PDF

(b) 電場(chǎng)分量|Ey|的PDF

(c) 電場(chǎng)分量|Ez|的PDF

(d) 總電場(chǎng)|E|的PDF

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款可重構(gòu)混響室，分別搭建了“Z”字形、非對(duì)稱攪拌器和非規(guī)則鋁箔攪拌器3種材質(zhì)或形狀不同的攪拌器，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了3種攪拌器下混響室的性能參數(shù)。研究結(jié)果表明在300 MHz～3 GHz頻段，重構(gòu)攪拌器后的各混響室電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差均低于3 dB；混響室內(nèi)電場(chǎng)的PDF與理想模型的電場(chǎng)PDF基本吻合，證實(shí)了本文所設(shè)計(jì)的這款可重構(gòu)混響室的有效性，為混響室在電磁兼容測(cè)試、無線信道模擬和電磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求提供支持。