（通信与信息系统专业论文）混响室校准自动测试系统研究.pdf

i 塞蛮适太堂亟堂僮论塞 虫童撞壅 中文摘要 摘要： 随着人们对电气、电子设备电磁兼容性能的不断重视，作为电磁兼容测试场地 之一的混响室，凭借其强大的优势越来越成为人们关注的焦点，而使用前对混响 室场地的校准势必成为一项非常重要的工作，但由于混响室校准过程中频点多、 搅拌步数多的特点，使对其进行校准成为一项非常耗时的工作。 本文介绍了混响室的现状、发展情况，并对混响室的主要理论进行了分析，根 据m c6 1 0 0 0 - 4 2 1 标准的规定，详细阐述了混响室校准方法，并对辐射抗扰度及 辐射发射测试进行了介绍。 针对混响室校准过程的特点，本文结合当前自动测试系统软件的发展趋势及对 电磁兼容方面测试软件的要求，开发完成了混响室校准自动测试系统。在软件中 实现了如下功能： l 、实现了软件的通用性设计，以动态链接库的形式给测试主模块提供具有标 准和统一接口的仪器驱动程序，可以使校准系统适应不同厂家、不同型号的仪器。 方便测试系统推广及用户使用。 2 、软件中采用参数库的设计，用户可以在库管理模块下自己创建仪器库、传 感器库和标准库。校准时根据实际的情况直接在库中选择即可，方便用户使用。 3 、采用相对省时的校准流程及控制方式节约校准时间。 通过对清华大学混响室进行实地测试，将测试结果与该混响室以往的测试结果 相比较，验证了软件的通用性及有效性，并对测试所得数据进行分析，进步验 证了混响室相关理论及标准规定。 关键词：混响室；校准：自动预l 试软件 分类号lt b 9 7 ；t p 2 7 3 j e 哀窑亟太堂亟堂焦论塞丛s 墅笪3 a b s t ra c t a b s t l t a c r lw i t hp e o p l e sg r o w i n gi n t e r e s ti nd e c 昀m a 印e t i cc o m p a t i b i l i t y p e 矗b 咖a n c eo fc l 洲ca n de l e c t r o n i cd e v i c c s ，t e v e l b e 豫t i o nd h a m b e r 弱co ft h e e l e c 咖a 印e t j cc o m p a t i b i l i t yt e s ts i t e s ，h 鹤b c e nm o r c 柚dm o r cf o c i l s e d 咖b c c a u o f i t s 伊e a ta d v a i l t a g t b e l i b m t i o no f r e v e f b e m t i o nc h a m b c r i sav e r yi m p o f t 粕tw o 啦 b u t “t a l 【e sm u c hm o i et i m et of i n j s hi t ，b c c a u s ct l l ec a l i b m t i o np i o c c 鲻i n d u d e sm 姐y t c s t 丘c q u e n c i e s 锄ds t i r 】r c 璐o tt u n e 璐s t e p s t h i sp 印盯i n t r o d u c c dt h eb a c k g m u n da i i dd e v e l o p n l e n to fr e v e i b e r a t i o nc h 锄b c r ， 柚a l y z e dt h ew o r kp r i n c i p l 眵，a n de x p a t i a t c d t h cc a l i b m t i 咖m c t h o d 柚dp r o c e d u r c0 f r c v c f b e m t i o nc h 锄b c fw h i c ha 啪r d i n gt o c6 1 0 吣4 - 2 1s t a n 幽峨删a l i n 仃叫u c c dt h ep i o c c d u r co f 髓d i a t c de l e d 姗a g n e t i c 石e l di n l m m l i 哆t t 觚dr a d i a t e d e m i s s i o nt e s ti nr 删c f l 埒r a t i 哪c h a m b e l 1 nt 咖so ft h cc h a m c t e ro fr e v e i b e f a t i 伽d h a f b e fc a l i b r a t i 咖，c o m b i n e dt h c d e v c l o p m e n td i r c d i o no fa u t o m a l i ct c s ts y s t c m 卸dd e m a n d so fc l c c t r o m a 掣碥t i c p a t i b i l i t yt t 厅a 坤，t h ea u t o m a t j ct c s ts y s t c mf 缸f e v e r b e m t i o nc h 锄h 盯 l i b m t i w a sd c v e l o p e d 。t h e 如n c t i o 璐o ft h i sa u t o 】m a 疵t 鹤ts y s t e ma r e 硒f o l l o w s ： 1 r e a l i z e dt h c 聃i v c r s a ld c s i 印c o n c c p ti i lt h e f 啊a 托，p r o v i d e das t 锄d a r d 柚d u n i v c 巧a li n s 劬m 酮t 翻v 盯f o rm c 嬲u r c m 锄tm o d u i ew i t hd d b ，w h i c hc a nb ea d a p t e d t od i 虢r e mt y p e s 卸dm 卸u f a c t u r c 陪o fi n s t m m e n t s ，m a d et h e 卸t o m a t j ct 髂ts y s t c m e 鹋y t o 硼i p u l 鲥z e 柚d 鸺e 2 p 枷e t e rl i 岫鼯w e r cd c s i 印c di nt l l i s n w a r c u s e r s 啪m a t et h e i ro 帅 i n s t f t l m e n fl i b r a r y ，n s o ri j b r a f ya n ds t a i l d a r dl i b i ：a r yb yt h 锄s e 王v 骼蛐d e rt i l el i b r a r y n t m im o d u l e t h cu r sj u s tn e e dt oc h o o c o r r e s p o n d i n gp a m m c t e 墙d i 咒d l yi 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科研能力的培养到最后论文的选题、研究和成文，他都以渊博的专业知识和开阔 的思维方式对我做了关键性的指引。朱老师在学习、科研方面给予我的教导、帮 助和表率将使我受益终身。 同时在我攻读硕士学位期问，电磁兼容室的每一位老师都给了很多的关心和 帮助。我对电磁兼容领域知识的理解、领会和应用都离不开各位老师的引导和培 养。衷心感谢实验室的沙斐老师、闻映红老师、王国栋老师、王凤兰老师、周克 生老师，他们平易近人、学识丰富、治学严谨，给我留下了深刻的印象，也将继 续影响着我日后的工作和生活。 在我学习和做论文期间，孟东林师兄、陈嵩师兄、王卓、李莹莹、李焕然、 肖猛、杨飞、沙长涛、尹晗芳、宋维嘉等同学都给予我很多帮助，在此，我向他 们表示衷心的感谢 特别要感谢清华大学电机系何金良老师及袁志勇博士，论文的最后完成离不 开他们的热心帮助和建议，是在他们的共同努力下完成了混响室校准自动测试系 统的实地测试工作。另外也要感谢中国电子科学研究院的高斌博士，在论文的研 究期间给了我很多帮助。 一直以来父母亲人是我不断进步的动力和后盾，在此衷心的感谢父母亲人对 我的关心和支持! 绪论 1 1选题的背景及意义 1 绪论 随着科学技术的不断发展，各种电气、电子设备已经广泛应用于国民经济的 各个部门以及人们的日常生活中，仪器设备间的电磁兼容问题越来越成为人们关 注的热点。在同一电磁环境下工作的设备之间是否会因为彼此的电磁干扰，影响 其它设备或各自的正常工作，从而无法达到相互“兼容”的状态【i j ，是人们经常考 虑的问题。在电磁兼容领域中电气电子设备的辐射发射和辐射抗扰度性能是两个 重要的方面，对仪器设备进行电磁辐射发射和抗扰度两方面性能的测试已成为评 估设备电磁兼容( e m c ) 水平的手段之一。 对电气电子设备进行辐射发射和抗扰度的测试场地有很多。多年来，人们都 在寻求规范的电磁波传输条件下的测试，为了满足这些规范的条件，耗费7 大量 的人力物力。人们使用过的测试场地包括开阔场、全电波暗室、半电波暗室以及 1 e mc c u 和g t e mc c l l ，但这些测试场地在使用中都或多或少的都存在着缺点和 不足，不能满足电子设备的测试要求。尤其近几十年，由于电子设备的数量和使 用密度与日俱增，因而电磁环境的拥挤程度也日益提高，因此在对电气电子设备 进行辐射抗扰度测试时就要在场强很高的电磁环境中进行，这都是以往的测试场 地不容易达到的。而近些年在国外迅速发展起来的混响室，从完全相反于规范化 场地的思路去创造一个电磁兼容测试场地坦，它具有其它测试场地没有的优点， 更重要的是它解决了当今电子设备测试中的难题，由于混响室具有很高的品质因 素( q ) ，只需很小的输入功率就能产生高达几百伏米的场强，逐渐引起了人们的关 注。 为了保证在测试场地内进行的测试准确、有效，任何一种测试场地都要在符 合标准要求的情况后才能投入使用。由于混响室工作区内的场均匀与否直接关系 到后续测试的准确性，因此场均匀性是决定混响室性能的关键指标，也是研究的 重点之一。配备机械搅拌器的混响室通常有两种工作模式，分别为模调谐 ( m o d e i n i n c d ) 方式及模搅拌( m o d c s t i r r c d ) 方式l ”，也就是我们所理解的搅拌器 以离散步迸方式工作或以连续激励方式工作。由于连续激励方式下搅拌器的转速 非常快，因而无论是校准还是测试对仪器设备的响应时间要求都很高，所以在实 际混响室校准及测试中通常采用离散步进方式。但在离散步进方式下混响室校准 的过程中，测试频点多、搅拌器旋转的步数多，且搅拌步数间隔还要足够长，从 北京交通大学硕七学位论文 而能够保证腔室内的场稳定、均匀以及仪器设备有足够多的响应时间等因素，使 得进行混响室的校准成为一项非常耗时的工作，因而开发通用的、使用便捷的混 响室自动测试系统就显得尤为重要。 1 2 常见e m c 测试场地介绍 1 2 1 开阔试验场 开阔试验场 o a r s ：o p e na r e at e s ts i t c ) 是电磁兼容测试中非常重要的试验场 地，通常作为标准测试场地。在电磁辐射发射和辐射抗扰度测试中，场地对测试 结果的影响非常明显。主要原因是场地的差异，即空间直射波与地面反射波的反 射影响和接收点不同，造成相互叠加的场强不一致。为此国际和国内电磁兼容相 关标准中均明确规定，不同测试场地造成的试验测试结果差异，应以开阔试验场 的测试结果为准。 开阔试验场的基本结构应是周围空旷，无反射物体，地面为平坦而导电率均 匀的金属接地表面。场地按椭圆形设计，如图1 1 所示，场地长度不小于椭圆焦点 之间距离的2 倍，宽度不小于椭圆焦点之间距离的1 7 3 倍，具体尺寸的大小一般 视测试频率下限的波长而定。实际电磁辐射发射测试时，被测设备( e u 耶和接收天 线分别置于椭圆场地的两个焦点位置。考虑到开阔试验场及屏蔽暗室的建造成本 和环境的限制，国内外电磁兼容标准将e u t 到接收天线的距离定为3 m ，1 0 m ，俗 称3 m 法、l o m 法。 r 图1 1 开阔试验场基本结构示意图 开阔试验场主要用于e u t 在3 m 1 0 0 0 m h z 频率范围的电磁辐射发射测试和辐 射抗扰度测试。理想的开阔试验场可作为最终判定测量结果的标准测试场地，在 计量测试领域，开阔试验场也占有重要地位。 但开阔试验场地的要求也给其使用带来了很大的局限性，比如随着广播、电 2 绪论 视、无线通信技术的高速发展，空间电磁环境日趋复杂，在目前一般城市已经很 难找到合适的场地，选择远离城市的郊外地区，虽可减少和避开电磁干扰，但因 交通不变，测试设备和试品常在运输途中遭受损坏，另外日常维护和试验以及生 活管理也有诸多不便；此外，当用开阔试验场进行辐射抗扰度试验时，由于需要 建立人为的电磁场，也有可能会干扰周围其他设备的正常工作；而且开阔试验场 位于室外，会经常受到气候条件的限值，这些因素都大大影响了开阔试验场地的 广泛使用【4 】。 1 2 2 电渡暗室 电波暗室相对开阔场而言，不受气候条件的限制和背景噪声的影响，作为电 磁干扰的替换铡试场地得到了广泛应用。电波暗室又分为全电波暗室和半电波暗 室全电波暗室建筑物房间的四壁、天花板和地板上都装有电波吸收材料，可以 模拟电磁波在自由空闻的传播情况，主要用于微波、仿真及天线测量等领域；半 电波暗室与全电波暗室不同，地面为金属反射面，其它五面( 暗室四壁及天花板) 贴有吸波材料，主要用于模拟电磁波在开阔场中的传播，当地面加装吸波材料后， 又可用于射频电磁场的辐射抗扰度试验。 电波暗室中的吸波材料一般采用介质损耗型吸收材料，早期常用聚胺酯类发 泡塑辩在碳胶溶液中浸溃面成，这种材料具有较好的阻燃特性。吸收体多制成棱 锥状，并紧密地安装在电波暗室的所有壁面，但吸收体的高度与试验的最低频率 有关。试验最低频率愈低，要求吸收体的长度越长，般应大于或等于最低试验 频率波长的1 “至1 2 才能有效。因此，电波暗室的使用频率不能太低，否则由于 吸收体长度太高，会使暗室的有效空间大大减少，建造费用太高。目前通常采用 带有铁氧体的组合吸收体，可使工作频率大大下降。另外建造电波暗室的成本非 常高，也在一 图1 2 全电波暗室工作示意图 北京交通大学硕士学位论文 1 2 3 横电磁波室( ，r e mc e l l ) 横电磁波传输室( r r e m1 h n s n l i 龉i 咖c c l l ) 是近几十年内发展起来的一种测试设 备，t e m 传输室的本质是扩展的同轴传输线，在其内部可以传输均匀的横电磁波。 1 e mc c i i 可以测试e i j t 的辐射抗扰度和辐射发射性能。 图1 3 所示的是横电磁波室的侧视图和俯视图。从图中可见，横电磁波室由矩 形外导体和平板中心导体( 芯板) 所构成，两端通过四棱锥过渡和精密5 0 欧姆的n 型同轴连接器连接，芯板用绝缘支架固定，将横电磁波室分成两部分。e u t 的供 电系统通过电源滤波器进入。 蛐鸯 l 械l h 畦眭竟的倒麓褂 b ) 精电砷陵童孵矗酗 图1 3 横电磁波室示意图 由于t e m 传输室相当于可移动的屏蔽室，因而非常便于操作使用，横电磁波 传输装置试验误差很小，电磁场封闭在腔体内，不向外辐射干扰，所需测试设备 少，使用简便、效率高，容易获得较高的场强。但是横电磁传输室也有其不足之 处，即横电磁波室的有效工作频率较低，一般最高仅能达到数百兆赫兹，无法完 成e u t 在高频段上的测试。 1 2 4g i e m 横电磁波传输小室 g t e mc c l l ( g i g a h e n zt r a n s v e r s ee l c c t r 哪a 印e t i cc e l l ) 吉赫兹横电磁波传输小 室是近年来国际电磁兼容领域发展起来的一项新技术，它是对t e mc d l 工作频段 的拓展。其工作频率范围可从直流至数g h z 以上，内部可用场区大。它既可以用 于电磁辐射抗扰度的测试，也可以进行电磁骚扰辐射发射测试。采用g ，r e m 小室 产生的电场强度要远大于天线产生的场强，使整个测试系统的价格大大降低；另 外由于g t e m 小室做射频辐射电磁场抗扰度试验不需要用天线，可以方便的用于 自动测试，大大减少了测试时间。 但由于e u t 在g t e m 小室中摆放的位置不同，会造成芯板与底板之间相对距 离不同，也将导致测试结果不同，而且改变试验时的极化方向也需要人为的改变 4 绪论 试品相对芯板和底板的摆放方向来实现，给使用过程带来了一些不便。 1 3混晌室的现状与发展趋势 由于开阔场、电波暗室、半电波暗室以及1 e mc c l l 和g t e mc e l l 存在着某些 缺点和不足，无法满足现在电子设备的测试要求。近年来，国外迅速发展起来的 混响室，从完全相反于规范化场地的思路去创造一个电磁兼容测试场地，具有其 它测试场地没有的优点，更重要的是解决了当今电子设备测试中的一些难题，因 此逐渐引起7 入们的关注。 1 3 1 混响室的产生 早在1 9 6 8 年，d l h a m e n d e s 就提出将空腔谐振用于电磁辐射测量中。到踟 年代，电气电子设备的数量和使用的密集程度与日俱增，导致电磁环境变得日益 拥挤，但是人类可以利用的时间、空间和频率资源却是很有限的。为了解决这个 问题，就要求使用场强很高的电磁环境测试电子设备电磁辐射抗扰度特性，即要 求电磁环境的品质因素( q ) 很高。而以往的测试场地很难或者无法满足这一要求， 于是就迫切需要使用一种更加行之有效的测试场地进行电磁兼容测试。另外，军 事产品、汽车、航空工业等部门的辐射抗扰度要求越来越高，同时要求测试的频 率在几个g k 以上，所以他们希望大体积的被测设备能获得高频高场强的电磁环 境。这对于开阔场地或电波暗室的测试环境，就要求十分高的功率放大器，需花 费较大的代价甚至无法实现。8 0 年代的这些需求为6 0 年代提出的新思想开拓了工 程上实现的契机。 1 9 8 6 年，来自美国国家标准局( n a t i 叫a lb u r c 枷0 fs t 趾d a r d sn b s l 的d r m i k e l c r a w f o r d 和他的研究小组提出了应用腔谐振器( c a v i t yr e s o n a t o r ) 来解决这一难题。 他们应用这种腔谐振器产生很高的场强，但却要求很低的功率放大器，因而满足 了工程上测试的要求。这种腔谐振器就是早期的混响室，它为混响室的发展奠定 了基础。 1 3 2 混响室的应用及其发展趋势 8 0 年代末，混响室开始被标准所接受。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 d4 6 1 e 电磁干扰发 5 北京交通大学硕士学位论文 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6 月国际电工委员 会( i e c ) 颁布新标准l e c6 1 0 0 0 - 4 2 1 电磁兼容( e m c ) 第4 2 1 部分：测试和 测量技术混响室测试方法。该标准的目的是使用混响室对处在无线电频率电磁场 中的电气和电子设备性能进行测量，并为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。该标准概述了混晌室的原理，详细地描述了不同混响室工作 模式下的校准步骤，还包括了辐射发射、辐射抗扰度测量以及屏蔽效能和天线效 率测量等方面的应用。 混响室产生后，在电磁兼容测试中得到了广泛的应用。九十年代以来，混响 室被广泛地应用在军事、航天、汽车等方面，测试电气电子设备对外界电磁场的 抗扰度。大量事实证明混响室与其它测试方法相比较是非常有效的，原因是这种 方法不像其它测试方法需要很复杂而又昂贵的测试设备，而且它最大的优点就是 能够从较低的射频功率中提供较高的场强，这样用户不必配置很高的射频功率放 大器就可以获得e m c 抗扰度试验所必须的高场强，节省了一大笔资金，所以混响 室被越来越多的国家采用，尤其是美国、意大利和英国。例如，美国的计算电磁 实验室( 1 1 l ec o m p u t a t i 彻a le l e c t r 0 m a 印e t i cl a b o r a t o r y ) 己经成功地应用混响室进行 了大量的电磁辐射发射和抗扰度试验。在试验中，他们发现对于同样的输入功率， 混晌室与电波暗室相比，能够产生更高的场强，而且测试场可以重复产生。在混 响室室内可以进行辐射抗扰度，辐射发射，电缆、屏蔽衬垫、屏蔽壳体等屏蔽效 能测试及天线效率测试等多种测试1 6 j 。 近年来，我国国内的许多部门及院校也陆续开始了对混响室的研究工作。如 中国电子科学院、清华大学、东南大学等都已经拥有了自己的混响室，并针对混 响室的理论、特点、混响室校准及在混响室内的测试等，开展了很多理论与实际 的研究工作。另外混响室在声学及建筑声学方面也有非常广泛的应用。 混响室之所以在国内外得到如此广泛的应用，是因为它和其它测试方法相比 有很多优越性： 1 、用相对较小的功率，可以在大的测量空间获得高场强； 2 、除低频受限外，工作频率范围宽； 3 、用途广泛，在设备( 仪表) 配置变动不大的条件下就可以进行辐射发射、 辐射抗扰度、天线效率以及各种屏蔽效能的测量； 4 、在某些程度上节约测量时间，测试过程中不需要天线扫描，不需要旋转e u t ， 不需要改变天线的极化方向； 5 、节省建造经费，由于不需天线扫描，因而降低了屏蔽外壳的高度；无吸波 材料，除了节省吸波材料费用外还减少了整体重量及结构承重【飞 今后混响室的发展趋势主要有以下几个方面： 6 绪论 1 、目前混响室的应用主要集中在测试设备的辐射抗扰度方面，对设备的电磁 辐射发射测试不多，此外关于在混响室内进行测试与其它测试场地内进行测试的 比较不多，这将是推广混响室应用过程的需要研究的问题； 2 、如何降低被测设备的吸波材料对q 值的影响，也是今后研究的重点之一； 3 、由于混响室仪器设备的限制使其校准及测试时间较长，如何提高混响室校 准、测试时间也是值得讨论的课题。 1 4 本文的主要工作 针对此课题，作者主要做了以下几方面工作： l 、研究混响室相关标准，主要针对口巳c6 1 0 0 m 4 2 1 标准中对混响室校准、测 试方面的要求进行研究分析。 2 、应用v c + + 语言进行程序设计，完成混响室校准自动测试系统的通用软件 设计。 3 、在软件中使用仪器库等库管理功能实现软件的通用性，即实现仪器无关性 设计。 4 、应用所编写的软件对清华大学混响室进行实际测试，验证软件的可用性， 并对测试数据进行分析，进一步验证标准中的规定。 7 混响室简介 2 混晌室简介 2 1混响室的基本结构及其特点 2 1 1 混晌室基本结构 一般地说，普通的混响室就是通常所说的模搅拌室( m o d e s t i 圩c fc h 柚b c r ) 或者 模调谐室( m o d e t u n 盯c h 锄b e r ) ，它是一个由金属墙壁构成的矩形腔室，腔室的品 质因素( q ) 很高，室内距墙壁一定距离处或者接近天花板处配备有一个或多个机械 金属搅拌器( s t i 仃e r ) ，由于搅拌器的不断地运动着，连续地改变混响室内部的电磁 场结构，从而在腔室内的某个区域形成一个高场强的统计均匀场。 混响室主要由以下三部分构成： 1 、屏蔽腔体 屏蔽腔体的腔壁材料一般选用反射性能比较好的材料，如镀锌钢板，以满足 混响室高q 值的要求。混响室的形状一般为矩形，混响室的大小通常要求在最低 可用频率能够产生多模的电磁环境。通常混响室腔室体积越大，容纳本征模数越 多，最低可用频率越低。 2 、搅拌器 搅拌器是混响室非常重要的部分，从电磁散射的角度来讲，搅拌器同混响室 的各个壁面一同对发射天线馈入混响室内的电磁波能量进行多次的反射和散射， 由于搅拌器和混响室的壁面均为良导体，损耗小，经过多次反射和散射后的信号 相互叠加，使混响室内空间部分位置的功率密度增大，形成较强的空间场强，而 有些位置则有可能因反相叠加而得到很小的场强。通过搅拌器的运动，随机改变 搅拌器的反射和散射特性，从而随机改变空间最大场强值的位置，使区域内每一 点均能达到所期望的高场强。另外由于搅拌器和混响室壁面的随机散射和反射， 电磁波的极化特性也变得混乱和随机，从而形成统计意义上的统计均匀和各向同 性嗍。 l e c6 1 0 0 0 4 2 1 对混响室的机械搅拌器的尺寸作了如下要求：搅拌器的一个尺 寸至少为最低可用频率波长的1 ，4 ，每一个搅拌器相对于混响室的总尺寸来说还应 该尽可能大，在这个方向的尺寸至少为混响室最小尺寸的3 4 ；另外在搅拌器旋转 一周的过程中，混响室内不会出现重复的场分布。 3 、接收天线及发射天线 9 北京交通大学硕士学位论文 线。 一般要求天线的有效性在7 5 以上，多采用对数周期天线或其它线性极化天 图2 1 为在混响室内进行测试时的典型布置图： 电越扬产生设备建接线撼披器 图2 1 混响室内进行测试的典型布置图 2 1 2 混响室主要功能 1 ，辐射抗扰度和辐射发射测量。在混响室内可形成各向同性、均匀的场，因 而特别适合进行辐射抗扰度测量，尤其是对于大型的e u t 。 2 、屏蔽效能测量。对屏蔽衬垫、屏蔽材料的屏蔽效能测量的特点是在大的混 响室内设置另外一个较小的屏蔽壳体，并在此壳体内对由屏蔽材料泄漏进入的场 也进行模搅拌，并分别接收混响室中及屏蔽壳体内电磁场的功率，从而求得屏蔽 效能， 3 、天线效率测量。在天线参数测量中，天线效率的测量是比较困难的。这主 要是由于测量一付天线在全部立体角范围内辐射的总功率是十分困难的。因为任 何一付实用的天线都不可能是完全全向的，不同立体角的辐射功率密度也是不同 的，但这些困难在混响室测量中不复存在。 2 1 3 混晌室主要特点 混响室除了可以像电波暗室或t e mc c l l 那样有效地隔离内外电磁环境以外， l o 混晌室简介 与现有通用的测试场地相比，还有如下特点： 1 、由于混响室高q 值的特点，用相对较小的功率，可以在大的测量空间获得 高的场强，同时混响室能够很好的模拟复合场； 2 、除低频受限外，工作频率范围宽，由于腔室内无吸波材料的存在，所以不 存在材料性能对混响室特性的影响，但由于混响室的最低可用频率至少应为空腔 室最低谐振频率的3 倍，因此想要获得较低的工作频率，需要较大的腔室体积； 3 、用途广泛，在设备( 仪表) 配置变动不大的条件下就可以进行辐射发射、 辐射抗扰度、天线效率以及各种屏蔽效能的测量； 4 、在某些程度上节约测量时间，不需要天线扫描，不需要旋转，不需要改变 天线的极化方向： 5 、节省建造经费，由于不需天线扫描，因而降低了屏蔽外壳的高度：无吸波 材料，除了节省吸波材料费用外还减少了整体重量及结构承重，此外在形成相应 场强下，要求的激励功率减少，从而大大节省了功率放大器的投资，尤其是高于 吉赫的频率。 混响室在测量频率为若干g i k 的设备的各种特性方面是一个很有用的工具， 但是它也存在些缺点和不足。不足之处主要包括： 1 、e u t 失去了其方向特性及极化特性( 实际上其方向性增益呈现为1 ) ，某些 情况下，可能需要了解e u t 的方向特性，但混响室的测量结果不能提供这方面的 信息； 2 、由于混响室的场均匀性与机械搅拌浆的转动有关，除搅拌器转动速度影响 外，还需等待搅拌器完全停止振动，场达到均匀、稳定，因此数据采集过程比较 费时，完成宽频带的测试往往需要数个甚至十几个小时。 3 、混响室是品质因素q 很高的屏蔽室，但q 值很大程度上会受到被测设备的 吸波材料的影响。比如，被测设备上有塑料等介质材料，混响室内部的q 值就会 大大降低，而混响室在使用过程中q 也会有变化，不是一成不变的，如随着使用 时间的增长，q 也会逐渐减小等。 4 、在测试中使用窄脉冲时会由于腔室的高品质因数带来一些问趔们。 2 2混晌室工作原理及主要性能参数 在混响室内无搅拌器及收发天线的情况下，可以把混晌室看成一个矩形腔体， 可以应用谐振腔理论对其进行分析。因此在介绍混响室工作原理之前，我们有必 要回顾一下谐振腔理论，因为混响室理论同其有很多相似之处。 1 1 北京交通大学硕士学位论文 2 2 1 混响室的理论分析 理想的矩形谐振腔是个由各向同性均匀介质填充，并被电导率无限大的金属 壳体所包围的矩形空腔。谐振腔内的电磁模式及模频率在很多文献上都有推导、 论证【6 l 。 l 、谐振腔内电磁模式和模频率 由m a x w e l i 方程： 卜一正一警 v 。百。了+ 警 ( 2 1 ) i 耐 。 i v d p lv b = 以 和本构关系： 刍。氅 ( 2 2 ) l 口= p 日 、7 可得： v 2 “s 。警一巧+ 心詈+ v ( 詈) 在混晌室内，上式右边第一、第三项为零，即： v 2 罾一心气筝一鳓詈 相应的时谐形式为： v 2 面+ 矿，勺吾一，7( 2 3 ) 其相应的齐次方程的通解为： c o s 坚s i n 里s i n 丝 1 l月 e ，“n 竿c o s 罟s i n 譬 ( 2 4 ) lwh 、。 e s i 坚s i n 堡c o s 丝 上缈日 其中，m ，n ，p 为菲负整数，l 、w 、h 为混响室的长、宽、高。 并且满足关系式： 混响室简介 矿三 s ， 正。：矩形空腔的模频率，为工作频率，单位 眨， l ，矿，日：分别为腔室的长、宽和高，单位肌 f ，肼，胛：代表模数，分别为0 或整数 2 、谐振腔内的品质因数 在谐振腔中通常用谐振腔的品质因数即q 值，来表征谐振腔存储能量的能力， q 值的定义如下： q 。d 黧鉴 ( 2 6 ) 蟛叫孬两预页丽疆 瞄砂 对于一个相距为l 的二维平行平面腔来说，若其损失用口表示，运行时间为 l c ，则q 值可以表示为【1 0 】： q 丝 觑 ( 2 7 ) 3 、谐振腔的模宽度 由于在谐振腔室内存在各种各样的损耗，因此一个给定的模就有一定的寿命。 通常将模的寿命定义为：模振幅的平方衰减到它初始值的1 扣时所需要的时间f ， 就称为该模的寿命，即 厶聊 设运行一次能量损耗为口，运行时间为叫c ，可以得到 专。，一口。e x r ( 一毒) e x p ( 一丢詈) 一t 一丢詈 故： 工 ，。磊 结合式2 7 可得混响室的品质因数可以表示为 q h x l ， 由于每个模都有其有限的寿命，因此每个模就必然有一个宽度设为a 珊，那么 按测不准关系有 珊f ，一1 于是得到品质因数宽度为： 1 3 北京交通大学硕士学位论文 占一一等一去吃 ( 2 8 ) 对于理想无损耗矩形谐振腔，腔内电磁场可能存在的模及模频率可由2 ，4 式和 2 5 式给出，数学上称之为本征函数和本征值，将2 5 式变换成 ( 吻h 匆) 2 + ( 匆卜 这是关于z 朋m 的椭球体方程，其体积为：u 。妻石墨墨! ! 婴二，满足关系式2 9 的f j ，l j l 应在椭球体内，由于z j ，l m 为非负整数，每一组z j ，l j l 对应办f j e m 两种模 式1 ，当，很大时腔内电磁场的可能存在的模数可以近似为；断工珊，可见 随着频率的升高，腔室内的模数也逐渐升高，图2 2 即模数随着频率不断增加的例 子，图2 2 中腔室的体积为5 5 3 5 3 2 8 ( m 3 ) 。 善 筇 图2 2 体积为5 j 3 5 3 2 8 ( m 3 ) 的腔室内模数随频率变化曲线 在品质因数带宽8 内激励的模数应为： m - 一断船等琴一眦船磊。彬毛 似 可见随着频率的增加，腔体内模的数量也逐渐增加，品质因数带宽口内所容 纳的模数就越多。 1 4 混响室简介 2 2 2 混响室工作原理 混响室的工作原理就是射频能量通过一个发射天线进入混响室，室内的四个 墙壁、顶板、地板及搅拌器对射频能量进行反射，混响室内部的电磁场就是所有 反射波的叠加。由于各种反射波到达混响室内某一点的幅度不同、相位不同，而 旋转搅拌器可以改变反射波传播路径的长度和反射波到达某一点的数目，从而改 变混响室内部电磁场的边晃条件，结果就使混响室内部的场变为空间均匀、各向 同性、任意极化方向的场。当搅拌器旋转时，被测设备就暴露在混响室中的一个 按统计分布的不断变化的测试场之中，进行辐射抗扰度性能测量。混响室内任意 位置能量密度的相位、幅度、极化均按某一固定的统计分布规律随机变化。 另外从谐振腔理论的角度看，混响室做为一个高q 值的谐振腔，当其工作频 率低于最低谐振频率时，不能产生谐振，也不能在空间形成驻波，射频能量在腔 体上形成电流耗散掉了或反射回信号源，因此无法在腔体空间形成高场强。当工 作频率高于最低谐振频率而低于混响室的最低可用频率( 见2 2 3 中的定义) 时， 混响室内可以产生谐振，并在空间形成驻波，但由于所能激励的模数量有限，混 响室内的场分布均匀性较差。当工作频率高于混响室的最低可用频率时，由于所 能激励的模的数日较多，混响室内的空间均匀性与各向一致性也比较好，在加上 腔室内搅拌器的转动，随时改变腔室内的边界条件，多个不相关的边界条件就产 生了多个独立的场分布结构，从统计意义上讲，就形成了均匀，各向一致的场分 布吼。 因此在混响室内的测试可以视为一个随机过程。被测设备对场的响应，是在 搅拌器至少旋转一周的时间内响应的积分。 混响室提供的电磁环境是： 空间均匀一室内能量密度各处一致； 各向同性一在所有方向的能量流是相同的； 随机极化一所有的波之问的相角以及它们的极化是随机的。 2 2 3 混响室的主要性能参数 1 、最低可用频率( l u f ) 最低可用频率u j f ：是混响室在满足一定要求下的最低频率，可由腔室的最低 谐振频率计算得到。一般来说，混响室的最低可用频率要在能产生至少6 0 个模以 上的频率，这个频率通常为混响室腔室最低谐振频率的3 倍以上。由于混响室的最 低谐振频率是与混响室的尺寸有关的，因此混响室的体积大小也就决定了混响室 北京交通大学硕士学位论文 的最低可用频率，混响室越大，其最低可用频率也就越低。另外混响室的搅拌效 率、品质因数都会影响到混响室的最低可用频率。 2 、品质因素( q u a l i t yf a d o r ) 品质因数q ：q 值是混响室一个非常重要的参数，它是衡量混响室内存储能量 的度量。从前面的分析中也可以看出，对于一个给定的腔室，其品质因数q 是频 率的函数。 在混响室中，腔室的品质因数可通过测试数据按公式2 1 1 来计算： 加器( ( 2 1 1 ) y ：腔室体积，单位小 a ：波长，单位朋 ，p、 f 三鲤s t ) ：空腔室校准时一个完整搅拌周期内接收功率与平均输入功率之比， 、p， 表示对所有测试位置取平均 露。和叩。：分别为发射天线、接收天线的效率，对数周期天线的天线效率通常 为o ，7 5 ，喇叭天线为o 9 由于混响室在使用过程中。总会有些变化，如腔室壁面导电率可能会下降等 因素，因此混响室的q 值也不是一成不变的，它可能会随着混响室的使用时间出 现变小的趋势。 另外q 值也可以通过理论来估计，混响室空载时的q 值可用公式2 1 2 表示： q - 矗壶 似芍 一3 2 矿 式中s 为壁的总表面面积。y 表示腔室体积，d 。表示趋肤深度，以代表相对 磁导率，在计算q 时，通常假设以一1 ，这对大多数建筑材料在高频时是成立的， 因此公式2 1 2 是仅考虑了由于腔室壁面带来损耗的q 值表达式。但也有文献指出， 由于混响室内搅拌器、电缆、电气装置、壁焊接粗糙度等原因，使公式2 1 2 混响室 q 的理论表达式与实际测试结果还有一定的差距。 3 、品质因数带宽( 曰) 品质因数带宽口- 吃是在混响室相关模式频率带宽的度量，混响室的品质因数带 宽可用下式进行计算： 口一，q ( 2 1 3 ) ，：工作频率 q ：混响室的品质因数 混响室简介 可见混响室的品质因数带宽越宽，其对应的品质因数越小。可以通过降低品质 因数的方法来增加品质因数带宽。 4 、品质因数带宽内被激励的模数( m o d en u m b e r ) 在给定品质因数带宽内的被激励的模数为： j l f ，鱼鬈； ( 2 1 4 ) c q 。 ，：频率，单位胁 y ：腔室体积， q ：品质因数 显然低频情况下由于模密度较低，相同品质因数带宽内包含的模数也较少，当 频率升高，模密度增大时，减少品质因数可以增加品质因数带宽，同时带宽内所 包含的激励模的数目也会越多，因此混响室高频情况下的场均匀性比低频情况下 有很大改善。 5 、混响室的时间常数f 时间常数r 为了判断混响室是否能够快速响应脉冲波形调制下的测试，它决定 了脉冲调制测试中所采用的最小脉冲宽度，必须对每个测试频率的时间常数f 进行 计算。 f 。黑 ( 2 1 5 ) 扫， 、7 q ：e u l 在内混响室的品质因数 ，：工作频率 可见，混响室的品质因数越高，其时间常数就越大。在混响室中利用脉冲调制 方式进行辐射抗扰度测试时，若混响室的时间常数在超过1 0 以上的测试频点上 都大于调制试验波形脉冲宽度的0 4 倍，就需采取措施降低混响室的品质因数，如 在混响室内增加吸波材料。 6 、接收天线校准系数( a c f ) a c f 是判断e u t 是否造成腔室过载时的参考值，空腔室a c f 可以为加载的腔 室提供一个比较的标准，如判断腔室是否已经达到最大加载等。 p 一c f 一三曼2 垃) ( 2 1 6 ) 尼_ 厶。3 对吆 & s 1 0 正饵3 ，z 1 0 ，：小于1 0 对8 个测试位置，大于1 0 正时对3 个测试位 置所得值取平均。 气一：平均接收功率 ：搅拌器旋转一周时问内的平均输入功率 1 7 北京交通大学硕士学位论文 7 、腔室插入损耗( i l ) 插入损耗i l 是通常做为在混响室内进行测试计算时的一个参数， 射测试中计算e u t 的辐射功率等。 尼- ( 斟枷州 如在辐射发 ( 2 1 7 ) 8 s 1 0 正o r3 ，1 0 ，含义与上相同。 8 、腔室校准系数( c c f ) c c f 是e u t 及支撑物在内时搅拌器旋转一周过程中归一化平均接收功率。用 于修正e u t 引起腔室过载时的情况。 p c c ，一( 等监) ( 2 1 8 ) 、。b p 呼，8 m w3 乒l 吼 匕。r e 。：e i j t 在内时搅拌器完成一个完整搅拌周期内，接收天线的平均接收 功率 ，：搅拌器完成一个完整搅拌周期内混响室的平均输入功率 9 、腔室加载系数( c l f ) 当由于e u t 的影响使混响室工作区域内的场均匀性达不到标准要求时，可以 通过增加混响室的输入功率来解决，而c l f 就用于计算需增加的功率应为多少( 具 体的计算方法见3 2 1 中辐射抗扰度测试输入功率的计算) 。该参数即为e u t 在内 时平均输入功率与空腔室时平均输入功率的比值。 凹罢 ( 2 1 9 ) 4 c f 、。 4 c f ：空腔室校准时获得的天线校准系数 c i f ：e u t 在内时的腔室校准系数 1 0 、搅拌效率 在混响室中，搅拌器的转动必须能够有效的改变腔室的边界条件，从而使腔室 内的场按统计规律变化，搅拌器改变腔室边界条件的能力就称之为搅拌效率。搅 拌效率可以通过计算与搅拌间隔( 搅拌器步进角度) 有关的相关系数来衡量的。 相关系数可采用公式2 2 0 计算： ，_ 1 8 ( 2 2 0 ) 混响室简介 n ：搅拌器旋转的步数 鼍：搅拌器