鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)對(duì)多饋源混響室場(chǎng)性能的影響*

(軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護(hù)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(cè)試場(chǎng)地后，人們對(duì)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC-61000-4-21的頒布標(biāo)志著混響室從研究開(kāi)始走向應(yīng)用[3]。

目前，系統(tǒng)級(jí)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)研究急需大型的測(cè)試空間，這就需要擴(kuò)展混響室體積，但隨著混響室體積的增大，測(cè)試區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)也隨之下降[4]。為滿足測(cè)試空間高場(chǎng)強(qiáng)、良好場(chǎng)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(guó)內(nèi)功率放大器的放大倍數(shù)有限，因此很難通過(guò)在一部天線上饋入高功率來(lái)解決混響室大體積與場(chǎng)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(gè)單混響室系統(tǒng)組合鏡像多饋源混響室的設(shè)計(jì)思想，即通過(guò)多個(gè)小型功率放大器合成的方法來(lái)解決大型混響室大功率問(wèn)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(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)，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(duì)稱(chēng)。在此以兩個(gè)結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱(chēng)的單混響室系統(tǒng)組合成一個(gè)鏡像雙饋源混響室為例，對(duì)鏡像多饋源混響室的原理進(jìn)行分析，如圖1所示。

(a)單混響室系統(tǒng)

(b)兩個(gè)單混響室系統(tǒng)組合

(c)鏡像雙饋源混響室

當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)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(gè)系統(tǒng)可用的測(cè)試區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)域1和測(cè)試區(qū)域2之和，此時(shí)僅僅是兩個(gè)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(gè)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(cè)試的區(qū)域3，此時(shí)可用的測(cè)試區(qū)域就為測(cè)試區(qū)域1、測(cè)試區(qū)域2和測(cè)試區(qū)域3之和。因此，當(dāng)兩個(gè)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(cè)試的工作區(qū)域體積得到了大幅度提高。

另一方面，對(duì)于以上兩個(gè)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(gè)壁面和攪拌器。當(dāng)單混響室系統(tǒng)依據(jù)鏡像原理組合后，兩個(gè)單混響室的公共面就被除去，這樣就減少了兩個(gè)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(chǎng)強(qiáng)也隨之得到提高。

對(duì)于一個(gè)大型混響室系統(tǒng)，除測(cè)試區(qū)域的體積和電場(chǎng)強(qiáng)度外，另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是電場(chǎng)的均勻性。當(dāng)兩個(gè)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。混響室體積越大，其內(nèi)部容納的電磁模數(shù)也越多，其內(nèi)部電磁場(chǎng)分布也就越均勻。另外，由于組成鏡像雙饋源混響室的兩個(gè)單混響室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱(chēng)，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(duì)稱(chēng)，最后鏡像混響室內(nèi)穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布也應(yīng)該完全對(duì)稱(chēng)。由以上分析可知，當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)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(chǎng)的均勻性較單饋源混響室系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)不會(huì)下降。

3 鏡像多饋源混響室場(chǎng)性能研究

為考察鏡像多饋源混響室場(chǎng)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(chǎng)均勻性和電場(chǎng)強(qiáng)度大小兩個(gè)方面詳細(xì)研究了鏡像雙饋源混響室的場(chǎng)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(lì)，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(duì)稱(chēng)，工作區(qū)域體積大幅度增加，達(dá)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(shí)，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(chǎng)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(chǎng)分布完全鏡像對(duì)稱(chēng)。

(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(gè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度在Y分量上體現(xiàn)了場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)，而在Z分量上體現(xiàn)了場(chǎng)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(gè)工作區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度各分量平均值的比較，與對(duì)圖3的分析結(jié)果一致，相同工作區(qū)域時(shí)，單混響室與鏡像雙饋源混響室的電場(chǎng)強(qiáng)度平均值X、Z分量基本相同，而鏡像雙饋源混響室的電場(chǎng)強(qiáng)度Y分量和總體平均場(chǎng)強(qiáng)顯著提高。另外，從圖4還可以看出，鏡像雙饋源混響室整個(gè)工作區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度各分量平均值與工作區(qū)域1的電場(chǎng)強(qiáng)度各分量平均值基本相同，尤其總體平均場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(gè)工作區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差的比較。有關(guān)混響室場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算方法具體參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-21，場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小則表明場(chǎng)均勻性越好[5-6]。從表1的電場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)均勻性有所提高，且鏡像雙饋源混響室整個(gè)工作區(qū)域的場(chǎng)均勻性也沒(méi)有下降。

表1 工作區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差

因此，仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果證實(shí)了前面的理論分析，即利用兩個(gè)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(cè)試的工作區(qū)域體積大幅度增大，而且測(cè)試區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度也得到了提高，同時(shí)工作區(qū)域的場(chǎng)均勻性不會(huì)下降，這樣就通過(guò)在兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)饋入相同功率即兩個(gè)小功放合成的方法解決了大混響室大功放的問(wèn)題。

4 鏡像多饋源混響室擴(kuò)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(duì)稱(chēng)。因此，可以將所有的鏡像多饋源混響室均理解成由兩個(gè)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(gè)鏡像多饋源混響室，如此無(wú)限下分，結(jié)構(gòu)上存在可能性。

又由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)兩個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度和場(chǎng)均勻性都不會(huì)下降。那么，當(dāng)兩個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度和場(chǎng)均勻性也應(yīng)當(dāng)不會(huì)下降；兩個(gè)鏡像四饋源混響室又可組合成一個(gè)鏡像八饋源混響室，如此無(wú)限疊加，工作區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度和場(chǎng)均勻性依然滿足測(cè)試要求是存在可能性的。

因此，對(duì)一個(gè)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(gè)，也可以是4個(gè)，或更多，且可以推測(cè)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(guò)在x、y或z(混響室長(zhǎng)、寬、高)3個(gè)方向的任一方向上將單混響室系統(tǒng)根據(jù)鏡像原理進(jìn)行組合，但具體的組合方式應(yīng)當(dāng)綜合考慮場(chǎng)性能、實(shí)際場(chǎng)地情況和電磁兼容測(cè)試對(duì)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(jiàn)、能實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)實(shí)例示意圖。

(a)M=21

(b)M=22

(c)M=23

5 結(jié) 論

目前，我國(guó)在混響室尤其是大型混響室的設(shè)計(jì)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(guó)外中小型商業(yè)產(chǎn)品，而系統(tǒng)級(jí)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)研究急需大型的測(cè)試空間，混響室大體積與場(chǎng)性能高要求之間的矛盾是亟待解決的問(wèn)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(jì)思想，研究結(jié)果表明在輸入功率一定時(shí)，利用兩個(gè)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(chǎng)均勻性能不下降的基礎(chǔ)上，不但可用于電磁兼容測(cè)試的工作區(qū)域體積大幅度增大，而且測(cè)試區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度也得到了提高。這樣就通過(guò)在兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)饋入相同功率即兩個(gè)小功放合成的方法解決了大混響室大功放的問(wèn)題。在下一步的研究工作中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)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(jì)和工程設(shè)計(jì)，以獲得更優(yōu)的測(cè)試環(huán)境并為系統(tǒng)級(jí)電磁試驗(yàn)用大型鏡像混響室的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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