基于混響室的電磁環(huán)境及自然環(huán)境綜合試驗箱設計和仿真技術

武 劍 賈小青

(中國電子科學研究院，北京 100041)

1 引 言

我國幅員遼闊，國土面積覆蓋北部極寒、南海濕熱、高原等多個地質(zhì)環(huán)境，電子設備在不同地域條件下遭受電磁干擾時能否正常工作是電子設備面臨的一個復雜問題。高溫條件易使材料電阻增大，同時增大發(fā)熱，使得絕緣體老化甚至擊穿；潮濕容易造成電氣短路，接觸部件的觸點污染，加速金屬腐蝕，改變介電特性[1,2]。本文將電磁混響室技術結(jié)合鼓風循環(huán)、制冷、空調(diào)、電氣控制等環(huán)境試驗技術研制電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合試驗箱，可分別在極限高溫100℃和極限低溫-55℃以及潮濕條件下實現(xiàn)(1～40)GHz頻段200V/m電場強度輻射干擾測試。

2 試驗箱整體設計和仿真技術

綜合試驗箱由兩部分組成，電磁試驗部分由混響室實現(xiàn)，環(huán)境試驗部分通過將箱體增加制冷系統(tǒng)、鼓風循環(huán)系統(tǒng)和相應的電器控制實現(xiàn)。

2.1 混響室部分設計和仿真

2.1.1最低諧振頻率

絕大多數(shù)混響室都是矩形金屬腔體，對于一個理想的、無損矩形腔體而言，可按式(1)計算其諧振頻率[3]為

(1)

式中：c——光速；L，W，H——混響室的長度、寬度、高度(單位m)；m，n，p——自然數(shù)或負整數(shù)。

將m，n，p(一般為1，1，0或1，0，1)代入式(1)后，計算出最低諧振頻率。

2.1.2最低使用頻率

一般認為上一節(jié)中計算得到的混響室空腔最低諧振頻率的3～4倍即為混響室最低使用頻率，模數(shù)量計算可以將頻率代入式(2)。對于混響室而言，模的數(shù)目越多，內(nèi)部空間場均勻性和各向一致性越好。

(2)

式中：f——工作頻率(Hz)。

一般若經(jīng)過計算后該最低頻率下混響室模數(shù)滿足N(f)≥100的條件，就可以作為使用的下限頻率。

2.1.3場均勻性

混響室內(nèi)場強滿足統(tǒng)計均勻性，具體為各點場強隨攪拌器旋轉(zhuǎn)同步發(fā)生變化，用式(3)表示旋轉(zhuǎn)一周后在直角坐標系中x,y,z三個方向上歸一化的場強最大值[4,5]為

(3)

式中：Pinput——混響室輸入功率(W)；EMaxx,EMaxy,EMaxz——x,y,z方向場強最大值。

當測試頻率不高于“最低可用頻率”10倍時，需要測試的位置數(shù)是8，如圖1所示，當測試頻率高于“最低可用頻率”10倍時，只需對3個位置進行測試，其中一個測試位置需要在工作區(qū)中心[6]。

圖1 混響室均勻區(qū)場強檢測位置圖Fig.1 Detection position of field strength in uniform area of reverberation chamber

當測試頻率不高于“最低可用頻率”10倍時，有

〈Ex〉8=(∑Ex)/8,〈Ey〉8=

(∑Ey)/8,〈Ez〉8=(∑Ez)/8

(4)

〈E〉24=(∑Ex,Ey,Ez)/24

(5)

式中：Ex,Ey,Ez——每個探頭在x,y,z方向上歸一化的場強最大值；〈Ex〉8,〈Ey〉8,〈Ez〉8,〈E〉24——不同探頭不同方向下的場強數(shù)學期望。

當測試頻率高于“最低可用頻率”10倍時，式中用9代替24，用3代替8。

每個探頭軸數(shù)據(jù)的標準偏差為

(6)

式中：Ei——每個探頭歸一化場強值；〈Ei〉——歸一化場強數(shù)學期望。

標準差用dB形式表示為

(7)

式中：σ——標準偏差；〈Ei〉——歸一化場強數(shù)學期望。

σ為混響室的場均勻性指標，按照IEC61000-4-21要求，需滿足(3～4)dB以內(nèi)(隨頻點變化)。

2.1.4品質(zhì)因數(shù)(Q)

混響室的品質(zhì)因數(shù)(Q)是一個衡量混響室性能的重要指標，混響室品質(zhì)因數(shù)(Q值)與混響室儲存能量的能力成正比，Q值越大，說明在一定條件下同樣輸入功率能夠產(chǎn)生更大的場強值，達到混響的效果。其定義公式為

(8)

式中：V——混響室體積(m3)；nTX,nRX——收發(fā)天線的效率；λ——電磁波波長(m)；PAveRec,Pinput——在一個完整的攪拌循環(huán)中，接收天線接收功率平均值(W)，和發(fā)射天線輸入功率值(W)。

混響室的品質(zhì)因數(shù)跟混響室大小、內(nèi)部材料反射率、縫隙大小和屏蔽效能等有關，理論上應為混響室越大、腔體內(nèi)部材料電反射率越大，縫隙等越小，混響室的品質(zhì)因數(shù)就越高?；祉懯蚁鄬﹂_闊場、全電波和半電波暗室的一個重要特點就是Q值較高，可以用較小的功率，產(chǎn)生較大的場強[7,8]。

2.1.5時間常數(shù)

混響室的時間常數(shù)τ決定了在電磁輻射敏感性測試中所能達到的最小脈沖寬度，計算公式為

(9)

式中：Q——混響室品質(zhì)因數(shù)；f——混響室工作頻率。

2.1.6仿真軟件和算法

混響室一般具有較大的幾何體積，同時由于攪拌器、天線、EUT等存在，幾何結(jié)構(gòu)較復雜。測試覆蓋的頻段也較寬，多方面因素造成混響室的仿真建模難度較高。

常用方法為先建立逼近實際問題的模型(可以簡化，關鍵位置除外)，基于Maxwell方程組將連續(xù)模型處理為離散數(shù)學模型，構(gòu)成代數(shù)方程組，求解出數(shù)值解，得出場域中任意點處場強，能量及各類電磁參數(shù)等。

在求解過程中應用何種電磁仿真算法是解決問題的關鍵，目前矩量法、有限元法和時域有限差分法都可以進行電磁計算，它們對麥克斯韋方程的離散機制不同，因此數(shù)值性能也有不小的差異，需要根據(jù)具體問題輸入確定適合的算法及軟件。

1)矩量法(MoM)是將一個泛函方程化為矩陣方程，然后求解，其數(shù)學本質(zhì)是一種求解線性方程(微分或積分)的方法；

2)有限元法(FEM)核心思想在將滿足一定邊界條件或初始條件的偏微分方程組等價于求解相應泛函的極小值問題，然后通過數(shù)學離散化的方法將上述泛函數(shù)離散化為一組代數(shù)方程，求解這組代數(shù)方程，得到近似解，是一種求解微分方程組或積分方程組的數(shù)值計算方法；

3)時域有限差分法(FDTD)實質(zhì)是在空間和時間上把麥克斯韋旋度方程微分形式進行離散化差分近似，轉(zhuǎn)化為差分方程并求解得出所需位置處的電磁參數(shù)。

FEKO(基于矩量法)、HFSS(基于有限元法)和CST(基于時域有限差分法)等均是目前市面上的主流仿真軟件，但由于混響室屬于電大尺寸仿真，而HFSS僅適用于仿真電小尺寸的模型，所以并不適合使用。

CST和FEKO在混響室仿真結(jié)果方面差別很小，但從仿真時間上看CST是寬頻帶仿真，頻帶內(nèi)頻點的掃描及每個頻點的迭代循環(huán)計算都增加了混響室模型的仿真時間，而FEKO可以單頻點仿真，并且在模型的網(wǎng)格剖分時采用面剖分替代CST的體剖分，因此FEKO明顯比CST要快。對混響室而言，其低頻性能指標更加關鍵，低頻指標好，高頻指標會更好。因此并不需要對整個頻段都進行仿真，而只需在其最低工作頻率附近選取若干頻點即可。

2.2 環(huán)境電磁交互部分設計

2.2.1大門屏蔽設計

在大門密封的基礎上進行屏蔽改造，設計特制屏蔽橡膠條(既耐高溫又耐低溫的摻銀導電橡膠)，實現(xiàn)大門較好的密封性和屏蔽效能。

2.2.2風道通風波導設計

由于環(huán)境試驗部分設計有四組風機進風，一組出風，且所有的進風和出風口均要開在靠近壓縮機的側(cè)面上，故為了既不影響試驗箱進風和出風的效率，同時場均勻性指標能滿足IEC61000-4-21要求，減少由于安裝通風波導而導致的能量損耗，設計了特制的通風波導以滿足進出風、屏蔽加固及減小能量損耗的綜合要求。特制通風波導材質(zhì)使用低碳鋼，表面作鍍鋅處理，為適應綜合環(huán)境試驗箱的高溫和低溫環(huán)境，要求通風波導在制作過程中焊縫處均設置加強裝置，焊接后整體平整，所有焊縫無虛焊、漏焊、翹曲等缺陷。

2.2.3信號接口設計

綜合試驗箱信號轉(zhuǎn)接板在設計過程中主要是綜合考慮了既要保證射頻信號在箱體內(nèi)和箱體外的互通和低損耗，又要盡量避免對箱體保溫層造成破壞。本著這種設計原則，本文設計了前后兩層，內(nèi)層設置射頻轉(zhuǎn)接頭和光波導等接口設備，外層為特制的保溫層，并在中心開孔，以保證線纜可以順暢穿出，內(nèi)外層之間的距離為10cm以上。

2.2.4電源控制設計

外部電源經(jīng)電源濾波器進入箱體內(nèi)部后，如果直接裸露在箱體內(nèi)，在開展高低溫和濕熱試驗過程中極易發(fā)生用電事故。故為了避免此類用電事故的發(fā)生，項目設計了專用的電源控制箱。

電源控制箱采用全密封結(jié)構(gòu)設計，安裝在電源濾波器和用電設備之間，保證設備在開展高低溫和濕熱試驗過程中供電電源不受影響。

2.2.5其他設計

為滿足電磁環(huán)境試驗要求，試驗箱內(nèi)部四周覆蓋可拆卸鍍鋅板，觀察窗采用特殊的屏蔽觀察窗，濾波器采用安裝波導管進行了加長等優(yōu)化設計，以保證波導管可以穿過保溫層，并良好接地。

3 試驗箱電磁仿真驗證

根據(jù)設計方案，建立了混響室的近似模型，如圖2所示。喇叭天線置于試驗箱的一角，8個探頭分別置于立方體待測區(qū)域的8個頂點，攪拌器以50步進每周的速度進行轉(zhuǎn)動。考慮到通風波導窗對試驗箱電磁性能影響，在FEKO中相應位置采取挖空處理方式。設置混響室的工作頻點為1 000MHz時，記錄8個探頭三維的場強值。

圖2 混響室(內(nèi)部)模型圖Fig.2 Reverberation chamber model (internal)

攪拌器步進不同度數(shù)時混響室均勻區(qū)電場強度態(tài)勢如圖3所示，由圖3可以看出隨著攪拌器的步進，混響室內(nèi)電邊界條件也不斷發(fā)生改變，電場分布也相應改變，從而形成統(tǒng)計均勻的電磁場分布。

經(jīng)過50次步進后，分別將8個探頭位置場強最大值進行分析統(tǒng)計，8個探頭在1 000MHz頻率時的三維場強最大值結(jié)果見表1。

表1 8個探頭位置三維電場分量最大值Tab.1 Maximum value of 3D electric field component of 8 probe positions最低測試頻率f探頭位置電場分量最大值(V/m)ExEyEzEΣ1 000MHz116512113023621541108921631831569521741391281423255301100741786180148741807197103962258184128103180

根據(jù)場均勻性的計算方法，對頻率為1 000MHz時混響室電場標準偏差進行計算，仿真計算結(jié)果見表2。

表2 電場標準偏差仿真結(jié)果(單位dB)Tab.2 Simulation results of standard deviation of electric field (unit:dB)最低測試頻率fσxσyσzσΣ1 000MHz2.031.311.891.72

由表1和表2可以看出，注入功率為10W時，綜合試驗箱的均勻區(qū)內(nèi)平均電場強度值為219V/m，單位功率激發(fā)場強值為21.9V/m，頻率為f=1 000MHz時，均勻區(qū)內(nèi)電場標準偏差為1.72dB，小于3dB，因此優(yōu)于IEC61000-4-21給出的指標要求。

圖3 混響室攪拌軸步進不同角度時均勻區(qū)場強態(tài)勢圖Fig.3 Field strength situation of uniform area when the mixing shaft of reverberation chamber steps at different angles

理論上混響室應是低頻向高頻均勻性逐漸變好，因此本文在對f=1 000MHz混響室場均勻性仿真前提下，又分別對2GHz，3GHz，4GHz，5GHz等4個頻點進行了仿真計算，結(jié)果見表3。

4 高溫和低溫條件下場均勻性指標試驗驗證

綜合環(huán)境試驗箱的重要特征就是將電磁環(huán)境與自然環(huán)境結(jié)合在一起，綜合考量產(chǎn)品在此環(huán)境下的綜合性能，因此在試驗前應對混響室在高溫、低溫條件下的場均勻性能進行校準[8]。

表3 (2～5)GHz電場標準偏差仿真結(jié)果(單位dB)Tab.3 Simulation results of standard deviation of (2～5)GHz electric field (unit:dB)頻率fσxσyσzσΣ2GHz1.451.751.41.233GHz2.031.921.440.874GHz1.381.521.871.565GHz1.361.820.790.88

高、低溫條件下使用沒有經(jīng)過加固的場強探頭來測試混響室內(nèi)的場強已不適用，課題組在混響室內(nèi)不同位置處使用相同參考天線獲取功率電平的方法來進行場均勻性校準。

本文分別選取了試驗箱極限高溫100℃和極限低溫-55℃作為混響室場均勻性校準的自然環(huán)境(溫度)條件，經(jīng)過測試和數(shù)據(jù)處理，分別得到高溫和低溫條件下綜合試驗箱場均勻性測試結(jié)果，見表4。并對結(jié)果進行對比，如圖4所示。

表4 (1～10)GHz不同溫度條件下電場標準偏差測試結(jié)果(單位dB)Tab.4 Test results of standard deviation of electric field under different temperature conditions of (1～10)GHz(unit:dB)不同溫度下場均勻性頻率(GHz)1.01.51.93.14.05.06.47.28.29.210.0100℃條件場均勻性1.561.082.221.811.761.512.051.361.351.811.84-55℃條件場均勻性1.021.181.252.181.121.871.971.351.221.381.90

圖4 高溫和低溫條件下(1～10)GHz場均勻性測試結(jié)果對比Fig.4 Comparison of(1～10)GHz field uniformity test results under high and low temperature conditions

5 結(jié)束語

本文提出一套電磁環(huán)境和自然環(huán)境綜合試驗箱集成技術，實現(xiàn)電子裝備同時承受電磁應力和環(huán)境應力，對考核裝備在實際工作環(huán)境中性能具有積極意義，條件更加嚴酷，也更加能夠反映裝備的實際使用效能，并應用探頭和天線兩種測試場強方式對混響室的場均勻性校準，校準結(jié)果表明，兩種方式

均可以開展校準工作，且環(huán)境應力不影響電磁應力的正常使用，設計和仿真方法有效。