（交通信息工程及控制专业论文）混响室的理论、设计和测试.pdf

摘要 摘要 混响室电磁兼容测试技术是电磁测试技术思想方法上不断创新的结果。以往基于 电磁场的电磁测试技术都是在均匀平面波的概念下进行定标和测量，而混响室却 是在统计均匀的概念下进行定标测量，因此混响室测试技术有许多独到的优点。本文 在前人的基础上，对混响室的理论、类型、设计、验证和测试进行了较为深入的分析 研究。 本文介绍了混响室研究现状、发展历史和几种常用的e m c 测试环境，对比国外 的混响室研究成果和现状，重点介绍了本文的主要创新成果举例说明了这些成果的价 值和意义。第三章论述了混响室的电磁场理论、混响室平面波统计理论和混响室射线 理论。之前的混响室电磁理论主要停留在模数的计算等方面上，还没有人推导出混响 室内电磁场的解析表达式，这在很大程度上制约了对混响室的理解和掌握。作者用本 征函数迭加的方法推导有源矩形谐振腔内的三维电磁场分布公式，这在国内外尚属首 次，必将对今后混响室的研究将起到积极的指导作用，是本文最主要的创新成果。本 文另一主要的创新成果是作者仔细分析了混响室工作的物理过程和电磁工作机理，第 一次将e m c 混响室电磁工作状态按模式状况系统地进行了分类，即按不同的工作情 况划分成五种工作模态，指明混响室不同工作模态的物理特征和意义。这对于正确建 立混响室电磁结构模型有着重要意义，为今后混响室研究设计提供理论指导。本文第 四章分析了各类混响室的特点，第一次提出了对称模和反对称模发射的概念，并且从 数学上证明了采用对称模和反对称模电磁发射可以很好地改善混响室内电磁场均匀 性，特别是工作频率较低情况下电磁场均匀性。探讨了对称模和反对称模电磁发射的 实现方法，用计算机对对称模、反对称模发射进行模拟，并用对称发射的方法进行了 实验验证，收到很好的实验结果，为源搅拌混响室研究奠定了基础。第五章混响室电 磁性能测试和第六章混响室电磁兼容测试则主要参照混响室标准i e c 6 1 0 0 0 - 4 2 1 1 进 行研究。由于标准是针对机械搅拌混响室制定的，因此本文在测试步骤中增加了对源 搅拌混响室所应采取的相应的措施。第七章混响室的设计是在总结了前人的经验，借 鉴了国内外的一些实验结果后，探讨了混响室的设计原则和方法。 混响室的理论、设计和测试 a b s t r a c t t h et e c h n 0 1 0 9 yo f r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r ( r c li sac r e a t i v er e s u l to f t h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o m a g n e t i cm e 硒u r e m e n tt e e h n o l o g i e s c o n v e n t i o n a l l y , t h ee l e c t r o m a g n e t i c m e a s u r e m e n t sr a r ee a l i b r a t e da n dc o n d u c t e du n d e rt h ec o n c e p to fu n i f o r r f lp l a n ew a v e ； h o w e v e r , r ci sc a l i b r a t e da n dm e a s u r e du n d e rt h ec o n c e p to f s t a t i s t i c a lu n i f o r i l l 1 r i l e r e f o r e r ch a sm a n ys p e c i a la d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s b a s e do nt h e r e s e a r c hw e r ko fp i o n e e r s t h i sd i s s e r t a t i o nd e v o t e st h ee 助n st ot h et h e o r y , c l a s s i f i c a t i o n ， d e s i g n v a l i d a t i o na n dm e 踟e m e m o f r c s a tt h eb e g i n n i n go ft h i sd i s s e r t a t i o n , t h eh i s t o r ya n da c h i e v e m e n t so fr c sr a r e i n t r o d u c e da n dt h ec o m m o ne l e c t r o m a g n e t i ct e s te n v i r o n m e n t sr a r ei n t r o d u c e da l s o e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , s t a t i s t i c a lp l a n ew a v et h e o r ya n dt h er a yt r a c i n gt h e o r yo f r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r sr a r es t u d i e di n c h a p t e ri i i i n t h i sc h a p e r , e q u a t i o n so f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d si nt h r e ed i m e n s i o n a lr cw i t ha c t i v es o u r c e sh a v eb e e nd e d u c e d w i t h e i g e n - e q u a t i o nm e t h o df o rt h ef i r s tt i m e t h e n e w a n a l y t i c a l f o r m u l a e o f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d si nr cs h a l lb eag o o dg u i d et ot h er e s e a r c ho fr c i nt h ef u t u r e s o e i g e nm o d et h e o r yi st h em a i nw o r ka n di so n eo ft h eo r i g i n a lc r e a t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o n 刀把w o r k i n gm e c h a n i s mo far ci sc l a s s i f i e di n t o f i v et y p e sf o rt h ef i r s tt i m e 功e p h y s i c a lo fc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em e a n i n go fe a c ht y p eo fw o r k i n gm e c h a n i s mr a r ea l s o e x p a t i a t e d n l i sw e r ki sg o o df o ru n d e r s t a n d i n gt h ee l e c t r o m a g n e r i cm e c h a n i s mo f d i f f e r e n tt y p e so fr c a n di sa ni m p o r t a n tg u i d et ot h er c sd e s i g n t l l i si sa n o t h e r i m p o r t a n to r i g i n a lc r e a t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la st h et y p e so fr e v e r b e r a t i o nc h a m b e r sa r ep r e s e n t e di n c h a p t e r mc o n c e p t i o n so fs y m m e t r i c a lm o d ee m i s s i o na n da s y m a n e t r i e a lm o d e e m i s s i o na r ep r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h i sd i s s e r t a t i o n i th a sb e e np r o v e da n a l y t i c a l l y t h a tt h ef i e l du n i f o r m i t yo far c e s p e c i a l l yi nl o w e rw o r k i n gf r e q u e n c y , c a nb ei m p r o v e d b ya p p l y i n gs y m m e t r i c a lm o d ee m i s s i o no ra s y m m e t r i c a lm o d ee m i s s i o n , a n dt h em e t h o d h o wt oa p p l yi sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t l l i sm e t h o dw a sv a l i d a t e db yap r a c t i c a lt e s t a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tab e t t e rf i e l du n i f o f r u i t yi so b t a i n e d t l l i si sa ni m p o r t a n t f o u n d a f i o nt ot h es o u r c e - s t i r r e d r c s p r i n c i p l e so fm a c h i n e s t i r r e dc h a m b e r sa n d f r e q u e n c y - s t i r r e dc h a m b e r sr a r ed i s c u s s e d t h ec a p a b i l i t i e so fr c se v a l u a t i o nm e t h o d si nc h a p t e rva n dt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) t e s ti nr c si nc h a p t e r r a r es t u d i e dr e f e rt ot h es t a n d a r d i e c 6 1 0 0 0 4 - 2 1 【1 】n e wc a l i b r a t i o na n dm e 嬲u r e m e n tm e t h o d sa l es u g g e s t e df o rt h e r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r sw i t hs o u r c es t i r r i n g t h i si st h en e wc o n t r i b u t i o nt or c ss t a n d a r d ， b e c a u s et h es t a n d a r do n l yc o n s i d e r e dt h es i t u a t i o n so fr c sw i t hm e c h a n i c a ls t i r r e r ( s ) t h e d e t a i ld e s i g np r o c e d u r eo fr c si sd i s c u s s e di nc h a p t e rv i i p r i n c i p l e so fm a c h i n e s t i r r e d c h a m b e r sa n df r e q u e n c y - s t i r r e dc h a m b e r sr a r ed i s c u s s e d 混响室的理论、设计和测试 第一章绪论 1 1 混响室的发展历程 1 9 6 8 年，m e n d e s , h a 首次提出在混晌室中测量电磁辐射场强的方法，在此以后 的十多年的时间里，仅有少数学者对混响室电磁测量进行过一些研究，主要有意大 利电磁兼容专家p a o l o c o r o n a , 他提出了混响室中测量的是辐射发射功率而不是场强。 然而混响室作为电磁兼容测试场地为业内人士所接受也是最近十来年的时间，这主 要得力于一些专家学者在理论和测试上的不懈探索和追求。较早进行混响室电磁测 试理论研究的是美国科罗拉多大学电气工程系的教授d a v i dc c h a n g , 他在1 9 8 2 年1 月1 9 8 3 年7 月间系统地研究了矩形混响室内电磁场本征模数与混响室的尺寸、工作 频率的关系，混响室内本征模的分裂和矩形混响室的形状的关系并首次将混响室内 实现电磁场统计均匀性的难易程度与混响室内本征模的数量联系起来，得出了许多 有益的结果，为混响室的设计提供了理论依据( n a s t n l 0 6 6 ) ，8 0 年代中期， m l c r a w f o r d 等对e m c 混响室的结构设计、性能评价和混响室、激励源、被测物 之间的相互影响进行了一系列的研究和实验，得出有益的结果，为以后混晌室的研 究打下基础，他把研究成果写进了美国标准技术研究所的技术报告n i s t - t n l 0 9 2 中。 九十年代以后，有关混响室的研究逐渐成为电磁兼容研究的热点，由于计算机的发 展和电磁场计算技术的提高，数学模拟的方法成为研究混响室最重要的手段之一。 1 9 9 8 年，d a v i d a h i l l 提出了混响室的平面波统计理论，推导出混响室内电、磁场的 概率密度分布，确立了混响室内天线和被测物的响应的统计特性和混响室品质因子 的测量方法，并在美国标准技术研究所的技术报告n i s t - t n l 5 0 6 中对混响室理论作 了系统的总结。理论是在实验的基础上建立起来的，理论的正确与否要经过实践来 检验，同时又指导科学实践。混响室的发展也不例外。以后，j o n el a d b u r y 又对美国 航空航天局l a n g l e y 研究中心等的四处混响室进行了混响室电磁测试方面的大量的 实验和研究f n q s t - t n l 5 0 8 ) ，使混响室的理论和技术更加成熟和完善，他们应用最新 的混响室测试方法和统计估计技术，使混响室电磁测试的可重复性在2 0 0 m h z 1 7 g h z 频率范围内达o 8 d b ，测试的不确定度在3 0 0 m h z 1 7 g h z 范围内在l d b 以内。除了机 械搅拌( 模式调谐搅拌) 混响室外，1 9 9 1 年，l o u g h y 提出频率搅拌混响室概念，1 9 9 2 年，y ih u a n g 首次提出源搅拌混响室的概念，1 9 9 4 年d a v i d a h i l l 提出电子模搅拌混 响室。8 0 年代末，混响室开始被标准所接受。早在1 9 8 7 年3 月，c i s p r a ( s e c ) 8 2 。】 ( c i s p r1 6 1 无线电骚扰与抗扰度测量设备规范的草稿) 描述了做为总辐射 功率测量的混响室，规定了混响室的构成及其性能试验( 搅拌效率及耦合衰减) 后来，这些内容基本上未做修改地纳入c i s p r1 6 1 ：1 9 9 3 的正式文本中，并被转 化为国家标准g b t6 1 1 3 1 一1 9 9 5 。1 9 8 7 年7 月，c i s p r a ( s e c ) 8 3 ”1 ( c i s p r1 6 2 无线电骚扰与抗扰度测量方法的草稿) y u 入了在混响室内测量辐射发射的方 第一章绪论 法，并指出其优点。做为第一个专门规范混响室的标准是美国通用汽车公司1 9 9 3 年6 月发布的标准g m9 1 2 0 p 辐射电磁场抗扰度( 混响法) 。至9 0 年代末期， 于1 9 9 9 年9 月发布的美国军用标准m i l s t d 4 6 1 e 电磁干扰发射和敏感度控制 要求也接受了混响室这一测量场地。 2 0 0 3 年，国际电工委员会( c ) 发布新标准i e c6 1 0 0 0 - 4 - 2 1 ，“电磁兼容性( e m c ) 第4 - 2 1 部分：测试和测量技术一混响室测试方法”。该标准的目的是为使用混响室进 行处在无线电频率电磁场中的电气和电子设备性能的测量，以及电气和电子设备所 发出的辐射级别的确定提供公用的参考。该标准概述了混响室的原理，详细地描述 了不同的混响室工作模式的步进式校准程序，还包括了发射指南、免疫性测量以及 例如屏蔽效率和天线效率测量等的特殊应用。该标准是由无线电干扰测量和统计方 法( c i s p 刚a ) 和cs c7 7 b 的专家组成的联合工作组起草的，是c6 1 0 0 0 系列 标准的一部分。早期由于技术上的不成熟，虽然把混响室电磁测量写进了标准中， 实际上混响室法测试并没有广泛使用。经过几十年的研究和实验，混响室电磁测试 方法正逐步成熟与完善，m c6 1 0 0 0 4 2 1 ，“电磁兼容性( e m c ) 第4 2 1 部分：测 试和测量技术混晌室测试方法”标准的发布，标志着混响室从研究逐步走向实用。 1 2 混响室研究的重要意义 混响室是在搅拌器搅拌一周情况下，内部电场( 或磁场) 达到统计均匀，构成了 混响室的测试基准一统计均匀的电磁场，即在系综平均的意义下，混响室内电场( 或 磁场) 能量密度、极化方向和每一极化方向的相位统计均匀、在测试区域内所有点 和所有方向的电磁能量流是统计均匀的。其他电磁测试场地的测试基准是均匀平面 波。这使得混响室电磁测试无论在测试原理上还是在测试方法上与其他几种电磁测 试场地截然不同，是对传统的电磁测试的一次革命。 混响室按其搅拌的类型的不同一般分为三类，第一类是靠改变混响室的形状和 大小，亦即改变边界条件来产生统计均匀的电磁场，此时混响室一般是由屏蔽室和 一个金属搅拌器组成，称之为机械搅拌混响室；第二类混响室是靠改变混响室的 工作频率来产生统计均匀的电磁场，称之为频率搅拌混响室；第三类混响室是靠改 变激励源的位置和大小来产生统计均匀的电磁场，可称之为源搅拌混响室。混响室 按测试过程的不同又可分为模调谐和模搅拌混响室两类。模调谐混响室是对混响室 采用步进式搅拌，即测试时搅拌器在多个不同的稳定位置进行测试后再进行平均： 模搅拌混响室是对混响室进行连续搅拌，测试时搅拌器是在连续的变化之中，混响 室内的电磁场也是在连续的变化之中进行测试的，测试设备显示的是连续变化的电 磁场的平均效果。 混响室电磁测试有许多优点和独到之处，如在电磁兼容辐射发射测试中不需要 找e u t 最大辐射发射面、天线不需上下移动、垂直极化和水平极化不需分开测试， 混响室的理论、设计和测试 在辐射敏感度测试中可以用较小的功率产生较大的电磁场、在统计意义上产生极化 方向、入射方向和测试空间上都均匀分布的电磁场，此外混响室还可以用于屏蔽效 能测试、可以用于电缆屏蔽性能测试、可以用于雷达散射截面测试和天线效率的测 量，正是由于混响室有着这些优越性能，在辐射发射和辐射敏感度测试中，它更能 体现实际情况，作用与用途较半电波暗室更广泛，造价更低廉因此受到国内外同行 的更多的关注。以下是某次点击i e e e 全文数据库中有关混响室论文情况： 表1 1i e e e 全文数据库中有关混响室的论文数量 1 年份 2 0 0 4 2 0 0 3 2 0 0 2 2 0 0 12 0 0 01 9 9 91 9 9 8 1 9 9 71 9 9 6 1 9 9 5 l 论文 2 83 33 52 12 31 92 11 11 2 4 l 篇数 从中我们可以看到最近几年有关混响室研究与应用方面的文章呈上升趋势，说 明混响室己越来越受到有关专家和学者的重视。现在美国军用标准m i i , - s t d - 4 6 1 e 电磁干扰发射与敏感度控制要求已将混响室用于辐射敏感度测试。2 0 0 3 年，国 际电工委员会也颁布了关于混响室的电磁测量与校准方法的标准i e c 6 1 0 0 0 4 - 2 1 电磁兼容试验与测量技术混响室试验方法，混响室已经成为与开阔场地、( 半) 电波暗室等一样重要的电磁兼容测试场地。 由于混响室的这些优点，因此它比开阔场地和( 半) 电波暗室等其它电磁兼容 测试场地更适合于开展系统电磁兼容测试。电磁兼容研究的最终目的就是要解决实 际工作中电磁危害问题，人们常常会遇到这样的情况，有些电子电气设备虽然满足 设备级的电磁兼容测试，但拿到实际系统中应用时就可能不能正常工作或影响其它 设备的正常工作；有些电子电气设备虽然不能满足设备级的电磁兼容测试，但在实 际的系统工作当中必须要用到它，它的电磁兼容性问题必须在系统运行中得到解 决，因此许多单位( 如电磁兼容性国防科技重点实验室) 把对系统电磁兼容性研究 作为主要的研究方向。由于系统电磁兼容测试的被测件体积一般比较大，如整架飞 机、汽车不方便旋转，有的甚至不可能旋转如多设备的网络、通信系统和一些不可 倒置的设备等，这时用混响室来测试更为方便，有些只能用混响室来测试了；再者 由于系统电磁兼容测试电磁能量有的比较高甚至达几万伏米的场强( 见表1 2 ) ， 这时用混响室法测试既易于实现又比较安全。因此开展混响室的研究对于开展系统 电磁兼容性测试研究和提高系统电子对抗能力的测试都具有重要意义。 第一章绪论 表1 2 美军标m i l s t d 4 6 4 a 对军用直升机电磁环境的要求 f r e q u e n c yr a n g e e l e c t r i cf i e l d ( m h z )( v m r m s ) p e a k a v e r a g e o 0 1 1 5 02 6 42 6 4 1 5 0 2 4 93 1 2 03 1 2 0 2 4 9 5 0 0 2 8 3 02 6 0 5 0 0 7 0 01 9 4 02 6 0 7 0 0 7 9 01 5 5 02 4 0 7 9 0 1 0 0 03 4 8 04 6 0 1 0 0 0 2 0 0 08 4 2 0 5 8 8 2 0 0 0 2 7 0 02 1 2 7 04 9 0 2 7 0 0 3 6 0 02 7 4 6 02 6 2 0 3 6 0 0 4 0 0 02 1 2 7 04 9 0 4 0 0 0 6 0 0 02 1 2 7 04 0 0 6 0 0 0 7 9 0 03 7 5 03 9 0 7 9 0 0 8 0 0 02 5 0 08 6 0 8 0 0 0 8 4 0 08 0 0 08 6 0 8 4 0 0 8 5 0 08 0 0 03 9 0 8 5 0 0 1 1 0 0 01 3 3 8 01 7 6 0 1 1 0 0 0 1 4 0 0 02 8 0 03 9 0 1 4 0 0 0 1 8 0 0 02 8 0 0 3 5 0 1 8 0 0 0 4 0 0 0 07 0 6 04 2 0 4 0 0 0 0 4 5 0 0 05 7 05 7 0 1 3 本文的创新成果及其价值 1 混响室电磁场公式的理论推导 自从m a x w e l l 总结了电磁学的安培环路定理、法拉第电磁感应定理和电、磁场 的高斯定理，并根据电荷守恒的原理引入了位移电流的概念建立了m a x w e l l 方程组 以来，经典电磁波场理论取得了巨大成功。运用这理论，人们解决了电磁波的 传播问题、反射折射问题、散射衍射问题。对于矩形谐振腔，人们给出了腔中各种 可能的本征模的结构形式，甚至最一般的电磁场理论书籍都给出了矩形谐振腔的 驻波( 本征) 解，但这并非实际问题的解。我们知道混响室是安装了搅拌器的屏蔽 壳体，对于一个最简单、应用最普遍的矩形屏蔽壳体来说，它其时就是一个矩形谐 振腔。在研究混响室内电磁场特性的时候，我们不仅要知道混响室内可能存在的本 征解，我们还应知道各个模的能量在混响室中所占的比例，也就是要求出混响室内 实际电磁场的解。但到目前为止，还没有发现一本求出了有源谐振腔的解析解的出 混响室的理论、设计和测试 版物啪1 ，因此，求混响室实际电磁场的解在混响室研究中非常重要，这是混响室电 磁理论研究必须解决的问题。 以前混响室理论研究工作者在混响室电磁理论、混响室统计理论等方面都做出 了巨大贡献，但在混响室电磁理论上始终没能求出混响室有源激励电磁场的解，因 此也制约了其它方面进一步的成功。1 9 8 2 年，科罗拉多大学的d a v i dc c h a n g 教 授就开始了混响室电磁理论的研究“”，他的研究成果主要在混响室内存在的电磁本 征模的模数的计算和混响室的复合品质因数的计算上，并研究了在混响室内产生统 计均匀电磁场的难易性与其内存在的电磁本征模的模数的关系，在混响室电磁场的 理论计算上给出的也仅仅是混响室电磁场的本征解。以后，戴振铎”1 、w u ，d i 旧1 、 h u a n gy i “”o ”给出了矩形腔体的并矢格林函数的数学表达式并根据这一表达式用 计算机计算出了混响室内电磁场分布“”o “，直到1 9 9 8 年h i l l ，d a 在他著名文章 混响室电磁场理论中仍用并矢格林函数的方法来表达混响室内的电磁场的【2 5 1 。 矩形腔体的并矢g r e e n 函数表达式可以写成下面形式： 移) = 褫与篇【屯色仁2 一t 2 - 。却( _ k 印c = ) 一色a ，屯七，以坤6 ：1 4 。，6 = t ) 一色屯k x k 2 a m 却( 1 4 。6 = - ) 一旬a ，七，t 4 。，e b 。坳e t ) + a ，毛g ：一七，2 - 。，g b 。，g - ) ( ，) 一句：七，t 4 。，c ：1 4 。6 ：) 一a ：色也以i k 却( - ) 一乞a ，彬，a m y 6 = k c = ) 幢乞g ：吐2 1 4 州( 1 4 。c = i ) 】 矩形胖体的电磁场表达式可用并矢g r e e n 函数积分形式表达： 面( ) = 一_ ，掣胙纠了6 ：砂 其中 ( 1 2 ) 旷惦弦葛0 ：嚣；善 3 1 1 混响室内电磁场的理论推导是本文的独创性工作。将上述公式与本 文在3 1 1 推导的混响室内电场分布公式( 3 9 ) 、( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 、( 3 1 5 ) 相比较，不 难看出本文推导的公式更加简洁明了，物理意义更加清晰明确。 第一章绪论 2 混响室电磁工况的系统分类 3 1 2 混响室内的电磁场分类是本文另一独创性工作。根据3 1 1 节推导 的混晌室内电磁场分布的解析公式，作者仔细分析了混响室工作的物理过程，特别 是混响室内电磁场模分布随工作频率变化的情况，根据不同的情况将混响室的电磁 工作状况系统地分为无模状态、单模状态、少模状态、谐振状态、过模状态等五种 状态，每种状态给出了不同的数学物理解释。虽然少模状态、谐振状态、过模状态 等名词较早就出现在一些有关混响室的文章中，但对于这些不同状态之间的区别和 联系没有一个明确解释。本文在3 1 2 节中对每种状态给出了较为确切的物理定 义，为正确理解和掌握混响室的基本理论和基本方法打下了基础。 例如，很早人们就发现了混响室内的电磁模数对产生统计均匀的电磁场的重要 性，但如何计算电磁模数，存在不同的计算公式，如d a v i d c c h a n g 给出的模数计 o ，3 ，2 算公式是n = ；庇删j - - - q - ；h i l l d a 。”给出的计算公式是n = 8 j r l w h _ 4 厂； 3c c 。 ，3 i e c 6 1 0 0 0 4 2 1 【l 】给出的计算公式是n = 8 r c l w h 之。：他们都没有说明这些公式的 c 。q 适用范围。为什么会产生这些不同答案? 本文在3 1 3 、3 1 4 中通过对混响室的 不同模态的系统分析指出d a v i dc c h a n g 给出的模数计算公式适用于混响室工作在 少模状态下，i e c 6 1 0 0 0 - 4 2 1 【i 】给出的计算公式适用于混响室工作在过模状态下。而 h i l l ，d a ”给出的计算公式，只是公式推导中的中间过程，并不能代表混响室中 存在的模数。不少文章都指出了( 机械搅拌) 混响室存在最低可用频率，应工作在 过模状态，但对什么是过模状态没有一个明确的概念，也没指出为什么存在最低可 用频率，本文对此都进行了分析回答。 3 对称模和反对称模发射技术 本文在4 4 1 对称模发射和反对称模发射原理分析中首次提出了对称模 和反对称模发射的概念，并且从数学上证明了采用对称模和反对称模电磁发射可以 很好地改善混响室内电磁场均匀性，以前还没有发现其他有类似思想方法的文章出 现。因为对称模和反对称模发射主要是针对混响室内仅存在两个以上的少模状态， 这种方法特别适用解决混响室内电磁场低频场均匀性问题。 机械搅拌混响室的工作频率范围受到了最低可用频率的限制，一般最低可用频 率是混响室基频的3 倍，有的书上说是混响室的第6 0 个模处 ”。对于一般房间大 小混响室，最低可用频率一般是2 0 0 - - 3 0 0 m h z 左右，而电磁兼容辐射发射测量应 从8 0 m h z 开始，如何解决这一矛盾，始终困扰着混响室研究工作者，如果仅依靠 加大混响室的尺寸，这样混响室的许多优越性( 如用较小的发射功率产生较高的电 混响室的理论，设计和测试 磁场等) 将会失去。因此如何从理论上和实践上既解决最低可用频率问题，又保持 混响室原有的特点也是当前混响室研究的热点之一。对称模和反对称模发射技术可 以较好地解决了混响室的低频场均匀性问题。 采用对称发射是实现对称模发射的一种易于实现的方法。运用对称发射的方法 我们对对称模发射原理进行了实验验证( 见4 4 5 ) 。实验表明，对称模发射技术 可以很好地改善混响室内电磁场均匀性，与我们理论推导所得到的结论完全一致。 将对称发射的思想运用到混响室实测当中，我们按照i e c 6 1 0 0 0 4 2 1 1 l 标准对某部 新建的混响室进行源搅拌场均匀性校准测试( 见5 5 ) ，在略高于混响室基频到3 倍基频的频段内，4 0 个测量点的标准偏差仅有一个略微超标( 4 0 5 d b ，标准要求小 于4 d b ) ，其余均满足要求。而在同一频段上，机械搅拌混响室的场均匀性一般要 超过标准3 d b 以上。 4 源搅拌混响室 对称模和反对称模发射技术的理论研究和实验验证证明，在混响室内可以通过 改变发射天线的位置来产生统计均匀电磁场而不一定非用机械搅拌器。这样就自然 而然地提出了源搅拌混响室的设计思想。最先提出源搅拌混响室的当数黄漪 ( h u a n g ，y ) 博士了，他通过对混响室并矢格林函数的分析得出混响室内的电场分布 由三个方面决定a ) 混响室的形状尺寸b ) 工作频率c ) 激励源的位置和电流的幅值和 相位。改变混响室前两种工作参数可分别得到机械搅拌混响室和频率搅拌混响室， 由此提出是否能够通过控制混响室激励来得到均匀场? 的问题，从而提出源搅 拌混响室概念，由于用并矢格林函数的公式不易看出场的变化与激励源变化之间的 关系，因此他用数值计算的方法来研究这一问题，他对2 3 7 1 6 5 3 6 5 米的矩 形混响室工作频率6 0 0 m h z 进行计算，发现虽然源搅拌技术不能引入新的本征模， 但通过改变各模的加权系数也可使混响室内电磁场的空间不均匀性从4 1 d b 改善到 l o d b ，但这仍远不能满足混响室实用要求，因此至今还没发现其它有关源搅拌混响 室的文章发表。由于本文是在成功推导了混响室电磁场分布、正确地分析了对称 模和反对称模发射原理和技术之后，将对称模和反对称模发射技术应用到源搅拌混 响室中，使我们对源搅拌混响室有了更深入地理解和掌握，因此我们的源搅拌混响 室实测结果和计算机模拟结果要比以前的计算结果要好很多，测试结果基本上满足 i e c 6 1 0 0 0 4 2 1 标准“1 的低频4 d b 以下要求( 低于1 2 2 m h z 的4 0 个测试点中仅有一 个为4 0 5 d b ，其余全都小于4 d b ，见图5 3 ) 。同时我们对源搅拌混响室的优越性特 别是低频场均匀性也有更清楚的了解，它更适合工作在较低频段上，这一点以前没 人认识到，对比i e c 6 1 0 0 0 - 4 - 2 1 提供的数据，见图5 4 ，在1 2 0 m h z 以下，混响室场 场均匀性均在6 7 个分贝左右，也就是标准偏差超出标准要求3 d b 左右。 本文创新成果价值应该说是较大的，就混响室电磁场公式的理论推导来说， 第一章绪论 由于成功地用本征函数迭加的方法推导了有源矩形谐振腔内的三维电磁场分布公 式，这在国内外尚属首次，它对与谐振腔相关的电磁问题有理论指导意义。单就对混 响室研究的影响来说，上述谈到的四项研究成果中的其余三项都得益于混响室电磁 场公式的成功推导。混响室电磁工况的系统分类直接是对混响室电磁场公式进行数 学物理分析得结果；对称模和反对称模发射技术的思想的提出受到混响室电磁场公 式的启发，如何实现对称模和反对称模发射也可以从中找到答案；我们在源搅拌混 响室的研究方面比国外的研究更深刻、效果更好也得益于混响室电磁场公式。我们 对混响室内存在的电磁模数的计算公式的理解通过对混响室电磁工况的系统分类 有了更清楚的认识。除了上面谈到的例予，我还可以举好些实例来说明混响室电磁 场公式可以帮助人们正确认识混响室一些电磁特性，在此我只举一个例子。 人们从电磁场的射线原理中认为，当混响室中采用双天线发射时可以改善混响 室工作区域内电磁场的均匀性。这如同一个物体受到两个光源从不同方向照射时比 一个光源照射时的亮度更均匀，为了验证这一猜想，m l c r a w f o r d 等人做了混响 室多重激励实验，用两个分离的天线同时发射，试验频率在2 0 0 4 0 0 m h z 、 1 g h z 2 g h z 之间，试验结果表明，频率在2 0 0 4 0 0 m h z 时，混响室内电场的空间的 统计均匀性与单天线发射没有改变；频率在1 g h z 2 g h z 时仅有稍微改善( 约在 2 1 5 d b 之间变化) 。用本文推导的混响室电磁场公式很容易预测双天线发射。 混响室内电磁场公式可写为 e = t 以印色+ c y r n n , p 如，句+ c 删，o ：) ( 1 3 ) 其中爿。妒厶。p a 。叫为混响室指数为m ，n ，p 的本征函数，系数c 。，c 。，c 。可 由下面式子( 1 4 ) 一( 1 6 ) 决定： 2 桶斋眇碱以, , j x d y d z ( 1 4 ) c 一2 南斋眇鹕以, p d x d y d z m 印 2 翻斋眇叫厶- d x d y d z ( 1 e ， 机械搅拌混响室改变的是积分边界条件和本征函数以却，以。，激励电流 的分布不变。对于理想的混响室，无论激励电流如何分布，当搅拌器搅拌一周时均 能产生统计均匀的电磁场。单天线发射和双天线发射只是两种不同的激励电流分 布。故在理想的情况下，无论是单天线发射还是双天线发射混响室内电场的空间统 计均匀性不应有改变。 混晌室的理论、设计和测试 第二章常用电磁测量环境 2 1e m c 辐射骚挠和辐射抗扰度测试环境 电磁兼容符合性测试主要包括电磁传导骚扰( c e ) 、电磁传导抗扰度( c s ) 、 电磁辐射骚扰( r e ) 和电磁辐射抗扰度( r s ) 四个方面的测试，这些测试对试验场 地和试验环境都有一定的要求。一般电磁传导测试对环境和场地的要求比较容 易满足，但电磁辐射测试对场地和环境的要求就不那么容易满足了。这是因为 符合性测试对重复性和可比性的要求比较高，周围的环境对辐射测试的影响又 比较大，因此辐射发射测试不仅对环境电平有要求，而且要求测试区域周围不 能有反射物。由于测试不可能在自由空间完成，所以一开始电磁辐射发射的测 试是在开阔试验场中进行。后来随着电磁环境的恶化，开阔场地测试受环境的 干扰越来越严重，电磁辐射测试就在半电波暗室( 半电波暗室测试场) 中进行。 半电波暗室是一个大屏蔽室，除地面外周围都贴有吸波材料，这样半电波暗室 既隔离了外界电磁干扰又很好地模拟了开阔场地至今已替代开阔场地成为主要 的电磁兼容测试场地。这样人们自然而然地想到了全电波暗室( f a r ) ，如果用全 电波暗室，辐射发射测试中接收天线就不用上下移动找最大值了，辐射敏感度 测试的场均匀性要求就更容易满足了。 不管是开阔试验场、半电波暗室还是全电波暗室电磁辐射测试，它们都是 基于平面波场均匀性原理的，它们的测试理论、测试方法等基本上是一样的。 然而混响室则是一个全新的电磁兼容测试场地，它是基于在电磁场统计均匀的 理念上，它的测试理论和测试方法与其它测试场地是完全不同的。它是在屏蔽 室的基础上，通过搅拌的方式来产生空间上、极化方向上和入射方向上统计均 匀的电磁场来完成电磁兼容测试的。 2 2 开阔场地 理想的开阔场地是在一个无限大的金属导电平面上形成的半自由空间。符 合标准要求的实际的开阔场地面应平坦、电导率良好、周围在一个椭圆形的区 域内无任何其它反射物的试验场地。无障碍区也应远离较大的电磁场散射体， 可用的e m c 开阔场地应满足场地衰减单点测试的4 d b 准则。推荐的无障碍区域 应为椭圆形，受试设备和接收天线应分置椭圆的两个焦点上，长轴为测试距离 的两倍，短轴为测试距离的3 倍。 第二章常用电磁测量环境 图2 1 开阔场地无障碍椭圆区域 开阔场地应选在远离城市的电磁环境干净的地方，由此带来了运输、试验、管 理的不便以及由于建立在开阔地带，试验及场地设备易受天气、气候、温度、湿度 等因素的影响。因此现在绝大多数e m c 标准测试都是在半电波暗室测试场地进行。 2 3 半电波暗室测试场地 半电波暗室测试场是建在除地面外五面贴吸波材料的屏蔽室内，模拟开阔 试验场地。作为室外开阔试验场地的替代场所，半电波暗室测试场已被国内外标准 认可。因其良好的电磁环境和运营管理上的方便和节省，半电波暗室已成为应用普 遍的e m c 测试场地。可用的e m c 半电波暗室测试场地应满足场地衰减多点测试的 4 d b 准则。 对于国军标1 5 1 a 1 5 2 a ，吸波材料只需按如图所示在e u t 上面、后面以及辐射 和接收天线后面贴挂。吸波材料最低性能应如表2 1 所示： 表2 1 射频吸波材料的反射损耗 频率( m h z )最小反射损耗( d b ) 8 0 2 5 06 2 5 01 0 混喃室的理论、设计和测试 图2 2 电磁兼容半电波暗室结构示意图 吸波材料 3 0 c m 吸 咪天纬 波 到 日 吸 材 3 0 c m 删 6 3 溉 波 梧 料饭 5 0 c m 材 璐料 3 0 c m 吸波材料 图2 3 国军标1 5 1 a 1 5 2 a 对e m c 暗室尺寸的要求 第二章常用电磁测量环境 2 4 全电波暗室测试场地 1 0 全电波暗室测试场地是六面贴吸波材料的电波暗室，模拟自由空间电波传播环 境。全电波暗室测试场地由于模拟自由空间，不存在l o m 与3 m 之争，只需3 m 即可， 大大降低了造价。 对开阔场地、半电波暗室测试场，辐射发射测试是一个复杂的过程。测量要求 频率范困3 0 - - 1 0 0 0 1 旧z ，一般测量步长不大于1 ，同时接收天线在里一4 m 高度范 围内扫描取得最大值，天线的上下移动带来的一个问题是造成系统不确定度的增 加。( 1 ) 与天线高度有关的天线系数变化产生的天线系数不确定度；( 2 ) 天线高度 引起的天线方向性问题使接收信号发生变化，即天线方向性不确定度；( 3 ) 天线移 动对传输损耗、插人损耗可能产生的影响。对于全电波暗室辐射发射测试，接收天 线是固定的，不需上下移动，因此，上述所有的不良影响对全电波暗室测试场地都 不存在。( 4 ) 全电波暗室从理论上抛弃了平面大地干涉模型，解决了由于相位和极 化方式等原因造成的测试误差问题。可见全电波暗室测试场地圆满解决了半电波暗 室引发的诸多问题。图2 4 是全电波暗室辐射发射测量基本布置图。 图2 4 全电波暗室辐射发射测量布置图 2 5t e m 小室和g t e m 小室 1 9 7 1 年美国国家标准局n b s ( 现为美国国家标准与技术研究院一n i s t ) 提出了 横电磁波小室测试方案。七十年代，n b s 在此方面做了大量的研究工作，奠定了它 的理论基础。使其成为辐射发射与辐射抗扰度测量的重要场地之一。 所谓t e m 小室，即是根据双传输线单模传输原理，在其中的电磁波上以横电磁 波t e m 模传输。对于t e m 模，其电场与磁场均完全地与能量传播方向垂直，而其波 混响室的理论、设计和测