混響室設計技術研究.pdf

收稿日期 2004 02 04 作者簡介 沈濤 1954 男 高級工程師 從事電磁兼容專業 2005 年 6 月宇航計測技術 Jun 2005 第 25 卷第 3 期Journal of Astronautic Metrology and MeasurementVol 25 No 3 文章編號 1000 7202 2005 03 0026 06中圖分類號 O44 文獻標識碼 A 混響室設計技術研究 沈濤姚利軍 中國航天科工集團第二研究院二 三所 摘要介紹了混響室發展的歷史及工作原理及設計方案 闡述了其在電磁兼容測試中的應用 并討論了 其優缺點 通過查閱 分析和研究大量國外資料 給出了混響室設計的一些基本原則 關鍵詞混響室電磁兼容設計 Technology Research of Designing Reverberation Chambers SHEN TaoYAO Li jun Beijing Institue of Radio Metrology Measurement Beijing 100854 AbstractThis paper introduces the history and theory and design project of reverberation chambers ex pound the applications in EMC test Benefits and shortages are also discussed After investigating and analyz ing massive foreign information some basic principles about reverberation chambers design are given Key wordsReverberation chamberEMCDesign 1引言 混響室 reverberation chamber 又稱模攪拌室 mode stirred chamber 指在一個高電導 大尺寸的 屏蔽室里 用一個或者幾個攪拌器產生一個統計意 義上的各向同性的均勻場 它可以用來進行電子設 備的電磁特性測試 包括電磁兼容輻射發射測試和 輻射敏感度測試 以及屏蔽效能測試 混響室出現于 20 世紀 60 年代 距今已經有 30 多年 推動混響室研究的原因主要來自以下方面 提高屏蔽室測試的重復性和準確度 以及解決大場 強的輻射敏感度測試問題 1968 年 Mendez 確定了 在屏蔽室多模 over moded 情況下提高發射測試重 復性的可能性 Jarva 于 1970 年也確定了屏蔽室過模 情況下提高屏蔽測試重復性的可能性 實驗的結果 令人滿意 1971 年美軍標 MIL STD 1377 提出了采 用混響室進行電纜和屏蔽室屏蔽效能測試的標準方 法 1975 年 Cummings 給出了在混響室進行敏感度 測試的數據結果 隨后的 80 年代和 90 年代出現了 混響室的各種理論模型 經過這些年的發展 在 90 年代混響室技術已被確立為電磁兼容測試的重要技 術之一 現在已經有幾部電磁兼容標準采用了混響 室技術 MIL STD 461 E 和 RTCA DO 160D 采用混 響室進行輻射敏感度測試 新標準 IEC 61000 4 21 草案 采用混響室進行輻射發射測試 輻射敏感 度測試和屏蔽效能測試 根據 2000 年 11 月 9 日標 準咨詢協調委員會的報告 CISPR A 委員會正在協 同 IEC TC77 進行這方面的工作 混響室有以下幾方面的優點 場地為 有攪拌器的 屏蔽室 相比開闊場和暗 室 代價小 頻帶寬 由于工作在高 Q 環境 容易產生高場強 一般 地 100 W 的輸入可以產生 kV m 級別的場強 場均勻性一般為 3dB 工作區域大 對被測件 尺寸和測試位置限制小 測試時間短 被測件不需要轉動 天線不需要換 極化方向 發射測試可以測量被測件輻射的全部功率 敏感度測試可以對被測件進行所有方向和極化 的照射 重復性好 根據混響室的統計特性 可以計算出測試的不 準確度 混響室也存在下面一些不足 根據混響室的尺寸有最低使用頻率的限制 同樣由于工作在高 Q 環境的因素 窄脈沖測試 有問題 不能給出被測件極化和方向性等方面的信息 2混響室工作原理 屏蔽室在射頻連續波照射下電磁波有多種傳輸 模式 產生多種諧振波形 因而屏蔽室內不同的空 間位置 場強幅度會相差很多 超過 20 dB 屏蔽室 可以看作一個大型的矩形波導諧振腔 根據波導諧 振理論 屏蔽室的諧振頻率 模 可按下式計算 fmnp 150 m a 2 n b 2 p c 2 1 式中 a b 和 c 屏蔽室的尺寸 單位為米 m n 和 p 自然數 一次只能一個可以為 0 由上式可見 m n 和p 按要求取不同的值 屏蔽 室內就有不同的諧振頻率 模 因而 如果屏蔽室尺 寸或邊界條件連續改變 比如在屏蔽室內安裝不斷 旋轉的攪拌器和移動改變攪拌器的位置 那么在不 同的頻率下屏蔽室內就能夠得到按時間平均統計意 義上是相同的電磁場 因此 對于一個給定尺寸的混 響室 在某一頻率 f 下的場的均勻性就由混響室內 所能激勵的模數N f 來決定 N f 越大 場就越均 勻 N f 的大小取決于混響室的尺寸 可見下面 Wehl 公式 N f 8 3 abc f c 3 2 式中 f 頻率 c 腔體內波的傳輸速度 自由 空間為 3 108m s 一般 來 說 3 倍 于 混 響 室 的 最 低 諧 振 頻 率 f011 當 a 為混響室的最短邊 時 混響室內就可能有 60 多種傳輸模式 滿足場均勻性的要求 這就成為 屏蔽室能夠用作混響室的條件 也是確定混響室最 低工作頻率的準則 3混響室設計方案 3 1混響室建模仿真 在混響室的早期設計階段進行建模仿真對以后 的工作很有幫助 這有助于了解混響室內的場結構 確定攪拌器 收發天線的位置和被測件的工作區域 以及有助于混響室的調試和優化 減少相應的一些 測試工作 加快研究工作進度 避免 經驗法 設計 或者 試錯法 設計的局限 現階段混響室理論模型的研究和計算機技術的 發展也為建模仿真提供了可能 雖然現在還沒有關 于混響室的精確模型 但是已經有多種近似模型可 以用來進行混響室各種特性的估算 這些模型包括 統計模型 定數模型 平面波模型 熱動力模型和數 值模型 如今已經可以完全進行 1 GHz 中等尺寸混 響室各種電磁特性的三維計算 建模仿真用到的計算方法包括時域有限差分 法 傳輸線矩陣法和光學法等 在低頻段 時域有限 差分法和傳輸線矩陣法要比積分方程法或者有限元 法適合進行電磁數值模型計算 隨著頻率的升高帶 來電大尺寸問題 就應該考慮光學法或者混合使用 72 第 3 期混響室設計技術研究 多種方法 目前市場上比較適用的高頻電磁仿真軟件有 FEKO 它是唯一采用矩量法 物理光學法等混合方 法的專業電磁仿真軟件 突破了單一電磁數值分析 方法無法處理電大尺寸問題的局限 并能降低計算 量 雖然如此 仍然有必要進行場的最后驗收測試 這是由于建模并不能完全代替真實的情況 如攪拌 器的形狀 被測件尺寸大小和外觀形狀的不確定性 等因素 都將對混響室內場的分布產生影響 而且計 算方法也存在著近似 價格相對昂貴也是仿真軟件的一大弊端 3 2混響室設計原則 3 2 1混響室尺寸 確定混響室的尺寸主要取決于兩個因素 一個 是被測對象的大小 另一個是所希望的最低工作頻 率 而在這兩個因素中 滿足混響室的最低工作頻 率更為重要 根據上面介紹的混響室工作原理 由公式 1 可 知 混響室的尺寸決定了混響室的最低諧振頻率 f011 而混響室的最低工作頻率一般不小于 f011 的 3 倍 因而在造價允許的情況下 為了混響室更寬的 頻率使用范圍 混響室的尺寸越大越好 一般地 75 到 200 m2大小的混響室的頻率使用范圍為 200 MHz 到 18 GHz 如果想要得到更低的工作頻率 則需要 更大的混響室 表 1 是一些經驗數據 供參考 表 1 混響室的體積與最低工作頻率 編號 混響室體積 立方米 f011 MHz 最低工作頻率 MHz A1771300 B2969300 C3858300 D8043150 E10738150 F17031150 G29024100 H5942480 J13601530 50 來自 John Dawson University of York 由表 1 可見 如果希望混響室的最低工作頻率 下降一半 則混響室的體積將增加 5 倍左右 也勢必 造成建造費用的大幅度提高 這就是為什么混響室 最低工作頻率受限制的原因 另外 需要注意的是混響室各個邊的尺寸取值 應該不相同并且不能為整倍數關系 因為從理論上 來講這能夠增加混響室內的激勵模的數量 從而提 高混響室的性能 3 2 2混響室材料選擇及 Q 值 選擇材料時主要考慮混響室的品質因數 Q 值 混響室的性能除了與混響室內所激勵模的數量有關 以外 還與品質因數 Q 有很大的關系 所激勵模的 數量決定了場均勻性的程度 而品質因數 Q 則決定 了在一定輸入功率下產生場強的大小 Q 值越大 產 生的場強越大 根據平面波模型 Dune曾推導出 Q 值的大小與 下面的公式有關 Q 3V 2S r s 1 3 S 32 V 3 式中 V 混響室的體積 S 混響室內的表面 積 r 混響室材料的相對磁導率 s 指混 響室材料的趨膚深度 指混響室的工作波 長 式 3 中的趨膚深度 s由下式決定 s 2 r 0 r 4 從式 3 可以看出在混響室尺寸已經確定的情 況下 提高混響室的品質因數 Q 的關鍵因素是混響 室殼體材料的選擇 表 2 給出了部分金屬材料的相 對磁導率和相對電導率 由表 2 的材料特性并結合式 3 式 4 可以看 出 相對磁導率 r越大Q 值越小 相對電導率 r越 大Q 值越高 所以 為了提高混響室的品質因數 Q 應該盡可能選擇相對磁導率小的非磁性材料 避免 使用鐵 鋼等相對磁導率高的材料 常見的非磁性材 料有銀 銅 鋁 鋅 鉛等 綜合成本 屏蔽效能 加工 等各個因素 金屬銅是較為理想的選擇 由于鋼鐵材 料比銅成本低 所以也有采用優質鍍鋅鋼板制作混 響室的方案 82 宇航計測技術2005 年 表 2 部分金屬材料的 r和 r 材料種類相對磁導率 r相對電導率 r 銀11 064 銅11 金10 70 鉻10 664 鋁 軟 10 61 黃銅10 35 鋅10 305 鉛10 079 鐵 含雜質 0 2 2000 170 17 鋼50 1 0000 1 冷軋鋼1800 17 不銹鋼2000 02 為了得到品質因數 Q 高的混響室 還應注意盡 量減少混響室內多余的物品 尤其是木制器具 地板 上可鋪覆鋁粉來增加反射 3 2 3攪拌器 3 2 3 1攪拌器的形狀和大小 攪拌器是使混響室獲得均勻場的關鍵設備 早 期混響室攪拌器的設計較為簡單 其形狀類似于電 風扇 圖 1 是 MIL STD 1377 1971 給出的攪拌器示 意圖 隨后又出現一種在一根旋轉桿上固定多塊不 同角度的反射平板的結構 如圖 2 所示 圖 1 攪拌器示意圖 圖 2 攪拌器示意圖 MIL STD1377 隨著對混響室攪拌器研究的不斷深入 又有多 種形狀的攪拌器被應用于混響室的研究中 攪拌器 采用帶有一定折疊角度的反射片已成為主流 另 外 為了進一步提高混響室內場的均勻性 還出現了 在混響室的不同位置安裝兩個或兩個以上攪拌器的 結構形式 下面以美國華威大學 University of Warwick 的 研究為例來說明混響室攪拌器的結構 華威大學的 混響室尺寸是 30 ft 20 ft 10 ft 1 ft 約等于 0 3 m 圖 3 是其攪拌器結構示意圖 這一結構是按照 DRA Defence Research Agency 的建議設計的 圖中 攪拌器由驅動軸和若干反射平板 4 塊組成 為了減 輕重量 反射平板采用泡沫塑料板 并將其固定在鋁 制的框架上 泡沫塑料板表面涂覆鋁箔反射電磁波 4 塊平板分別折疊成不同的角度 從理論上來講避 免對稱能夠增加混響室內的激勵模的數量 提高混 響室性能 平板尺寸應大于混響室最低工作頻率對 應的波長 圖 3 攪拌器示意圖 美國約克大學 University of York 曾經做過一 系列實驗研究攪拌器尺寸和形狀對混響室性能的影 響 這里給出了一些研究結果 圖 4 是混響室場均 勻性實驗的示意圖 攪拌器形狀均是四塊帶折角的 相同金屬平板 攪動方向是圍繞垂直軸轉動 圖 5 是攪拌器尺寸對場均勻性影響的實驗結果 圖 4 混響室場均勻性關系的實驗示意圖 來自 University of York 92 第 3 期混響室設計技術研究 圖 5 中標有三個攪拌器樣本的結構尺寸 高直 徑 它們分別為 1 5 m 0 9 m 2 m 1 2 m 2 m 1 4 m 場均勻性的測量按照標準 IEC61000 4 21 介紹 的 測 試 方 法 進 行 并 將 測 量 結 果 和 標 準 IEC61000 4 21 里給出的閾值 tolerance 進行了比 較 圖 5 不同尺寸的攪拌器對場均勻性的影響曲線圖 來自 University of York 我們從圖 5 中的場均勻性的曲線可以看出 攪 拌器的結構尺寸越大 所得到的場均勻性越好 不 過 僅以追求大尺寸的攪拌器的方法來提高混響室 內場均勻性的指標是不可取的 因為 在測量時還 應根據被測對象考慮實際工作區域的大小 所以攪 拌器的結構尺寸在設計中會受到限制 另外 在設計攪拌器時 如果有條件仿真的話 還可以采用 Genetic Algorithm 算法調優攪拌器金屬 平板折疊的角度 從約克大學的實驗結果來看 調 優后的有一定折疊角度的攪拌器要比沒有角度的平 板攪拌器在大部分頻段內性能都要好些 當然 在 沒有條件仿真的情況下 也可通過多次試驗的方法 來確定折疊角度 但可能將花費很多的時間及人 財 物 下面給出幾個混響室和攪拌器的設計實例 約克大學的混響室和攪拌器 圖略 Braunschweig 的 EMV 研究所混響室是 11 m 7 6 m 7 1 m 體積 594 m3 攪拌器高度為 3 m 直 徑為 5 m 圖略 瑞典 FOI 的混響室 尺寸為 2 5 m 3 0 m 5 1 m 采用雙攪拌器方案 圖略 NPL 的混響室 尺寸為 6 55 m 5 85 m 3 50 m 體積 134 m3 攪拌器 1 4 m 高 直徑 1 2 m 由 10 片不同角度的金屬平板組成 圖略 澳大利亞 DSTO Defence Science and Technolo gy Organisation Aeronautical and Maritime 研究實驗室 的混響室和攪拌器 圖略 3 2 3 2攪拌器的驅動與控制 攪拌器可由直流伺服電動機驅動 電動機固定 在混響室的外面 以避免暴露在混響室高場強下或 對混響室內產生干擾 電動機通過齒輪或者皮帶驅 動攪拌器的驅動軸 攪拌器驅動軸由絕緣材料構 成 并通過混響室室壁的截止波導穿過進入混響室 電動機控制箱通過光纖連接到控制室的計算機 計 算機通過程序可控制電動機的轉動速度和起動關 閉 原理框圖見圖 6 圖 6 混響室設備連接示意圖 來自 University of War wick 3 2 4設備布置與連接 混響室工作設備布置如圖 6 所示 發射天線根 據混響室的工作頻段來選擇相應頻段的天線 參考 天線用來監視混響室內的場強達到要求的數值 場 強計因為體積小 可以測量混響室內某一具體位置 處的場強 目前 混響室在我國還處于起步階段 以上是我 們對混響室設計技術的一些初步研究 我們歡迎和 期待同行的交流和指正 參考文獻 1 DRAFT 61000 4 21 IEC 2000 Electromagnetic Com libility EMC Part4 Testing and measurement techniques 03 宇航計測技術2005 年 Section 21 Reverberation Chamber Test Methods 2 MIL STD 1377 1971 Effectiveness of Cable Connector and Weapon Enclosure Shielding and Filters in Precluding Hazands of Electromagnetic Radiation to Ordnance Measure ment of 3 MIL STD 1344A 1993 Test Methods for Electrical Con nectors 4 N Eulig A Enders H G Krauth auser and J Nitsch Achievable field Strength in Reverberation Chambers 5 C J Macdonald Bradley P A Jennings R J Ball P H Lever S D Baker A Statistical Approach for Compu tational Electromagnetics 6 Peter H Lever Robert J Ball and Pall A Jennings De sign of a Mode Stirring Facility for Whole Vehicle Testing 7 S Baker R Ball P Jennings P Lever and C Macdon ald Bradley Mode Stirring an Overview of an Automo tive Susceptibility Testing Alternative 8 M L Crawford and J M Ladbury Mode stirred Cham ber for Measuring Shielding Effectivemess of Cables and Con nectors 9 Mats B ackstr om Olof Lund n and Per Simon Kildal Re verberation Chambers for Emc Susceptibility and Emission Analyses 10 Christian Bruns Reverberation Chamber Simulation 11 Dawson Hatfield Arnaut and Eulig Reverberation Mode stirred Chambers for Electromagnetic C