（电磁场与微波技术专业论文）混响室的研究和测试控制系统.pdf

摘要 近年来，混响室在许多电磁兼容方面的应用中得到了快速的发展 和越来越多的关注。与其他传统测试方法相比，混响室具有突出的优 点：更低的成本、在相同的输出功率下获得到更高的场强、更短的测 试时间。在混响室的腔体内产生的是空间均匀、各向同性、随机极化 的电磁环境产生这种电磁场环境的方案有很多种，但是实际建造的混 响室中运用最多的还是机械搅拌法。 混响室是通过腔体内表面在内部反射所产生的射频电场来工作 的，不断旋转浆叶来改变腔体内边界条件以在一个大工作区内产生空 间均匀、随机极化、各向同性的电场。 本文首先介绍了混响室的发展状况和混晌室的工作原理，并介绍 了i e c 6 1 0 0 0 4 2 1 有关混晌室的校准、加载和测试。然后，作者描述 了混响室的实际配置，自行设计了测试流程和控制软件。最后，作者 还给出了混响室q 值测试方法和r s l 0 3 可选测试程序的混响室测试方 法，对工程应用有一定的参考价值。 关键词：混响室搅拌器校准i e c 6 1 0 0 0 4 2 1 a b s t r a c t r e v e r b e r a t i o nc h a m b e rh a sb e e n d e v e l o p e dv e r yf a s ti nr e c e n ty e a r si nm a n y e m c a p p l i c a t i o n sa n dg o tm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n r e v e r b e r a t i o nc h a m b e ro f f e r st h e o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e so f l o w e rc o s t ，h i g h e rf i e l dt oi n p u tp o w e r r m i o sa n df a s t e rt e s t t h r o u g h p u t t i m e st h a no t h e rt r a d i t i o n a lt e s tm e t h o d s t h ee mf i e l d i nt h e r e v e r b e r a t i o nc h a m b e rm u s tb es t a t i s t i c a l l yu n i f o r ma n ds t a t i s t i c a l l yi s o t r o p i c t h e r e a r ev a r i o u sm e t h o d st og e n e r a t et h i sk i n do fe m f i e l d ，w h i l et h em e c h a n i c a ls t i r r i n g m e t h o di sm o s to f t e nu s e d r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r so p e r a t eb yu s i n gt h e i ri n t e r i o rs u r f a c e st or e f l e c t i n t e r n a l l yg e n e r a t e dr ff i e l d s t h er o t a t i n gp a d d l ei s u s e dt o c h a n g et h ec a v i t y b o u n d a r yc o n d i t i o n sw h i c hc r e a t e sf i e l d s h a v i n g s t a t i s t i c a l i s o t r o p i c i t y , r a n d o m p o l a r i t ya n d f i e l dh o m o g e n e i t yo v e ra l a r g ew o r k i n gv o l u m e t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n ta n dt h ef u n d a m e n t a lw o r k i n g p r i n c i p l eo f r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r n e x t ，t h ec a l i b r a t i o n ，l o a d i n ge f f e c t sa n dt e s t i n g o f r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r a c c o r d i n gt ot h er e w i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 6 1 0 0 0 4 - 2j a r ep r e s e n t e d a n dt h e n ，t h ea u t h o rh a sd e s c r i b e dd e t a i l e d l yt h e c o n f i g u r a t i o no f r e v e r b e r a t i o nc h a m b e ra n dd e s i g n e dt h et e s t i n gp r o c e d u r ea n dt h ec o n t r o ls o f t w a r eo f r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r s i nt h ee n d , t h eq u a l i t yt e s tp r o c e d u r ea n dr s l 0 3a l t e r n a t i v e t e s tp r o c e d u r e so fr e v e r b e r a t i o nc h a m b e ra r eg i v e n k e yw o r d s ：r e v e r b e r a t i o n c h a m b e r ,s t i r r e r ,c a l i b r a t i o n ， i e c 6 1 0 0 0 4 2 1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 高速电子设备及无线通信设备应用不断增加，要求电子和电气设备必须能够 在辐射及抗干扰试验承受更强的电场强度。随着对电场强度的要求越来越高，混 响室己发展成为最高效的技术。该技术频带宽，在电源相同的情况下，混响室产 生的平均电场比传统消声室大得多。 电磁兼容领域的辐射测量主要包括辐射发射、辐射抗扰度、场对电缆的耦合 以及屏蔽效能等。当前国内用于这方面的场地及设施( 以下均简称场地) 主要是 开阔场，半电波暗室以及t e mc e l l 和g t e mc e l l 。在辐射测量中，场地引起测 量不确定度往往可能大于仪表引起的。此外，不同的场地由于附带有不同的缺点 与问题，因而几十年来测量场地一直是人们关注的热点问题。本文仅就近几年来 发展迅速、优点突出，并已为i e c6 1 0 0 0 - 4 2 1 ( 草案) 标准所规范，但尚未引起 国内重视的混响室( r e v e r b e r a t i o nc h a m b e r ) 进行阐述。目的是引起国内同行们 的关注。 在电磁兼容辐射狈4 量场地中，多年来人们都在寻找规范的电磁波传输条件下 的测量。例如，t e mc e l l 、g t e mc e l l 的场是单模的横电磁波( t e m ) ；而开 阔场与半电波暗室则要求尽量避免场地的谐振，从而模仿自由空间，其反射地面 又要求平整光滑，反射特性理想。为满足这些规范的条件，多年来耗费了大量的 人力物力。 但混响室是从完全相反于规范化场地的思路去创造一个电磁辐射测量场地。 1 1 混响室发展情况 早在1 9 6 8 年，d r h a m e n d e s 就提出将空腔谐振用于电磁辐射测量。至2 0 世纪8 0 年代，军工产品、汽车、航空工业产品的辐射抗扰度要求越来越高，希 望对大体积的受试设备( e u t ) 获得高频电磁场。这对于在开阔场地或半电波暗室 中的测量环境，这就要求十分高的功率放大器。此外，在电缆、电缆连接器或屏 蔽材料的屏效能测试方面，也需要开发新的方法。这些需求为2 0 世纪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，美国国家标准局( n a t i o n a l b u r e a u 北京邮电大学硕士研究生学位论文 o f s t a n d a r d s 一n b s ) 的d lm i k e lc r a w f o r d 及其小组为混响室奠定了基础。 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 e ) 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) 即描述了作为辐射总 功率测量的混响室。规定了混响室的结构及性能试验( 搅拌效率及耦合衰减) 。 后来，这些内容基本上未作修改地纳入c i s p r m ( s e e ) 8 3 ( c i s p r1 6 2 无线电 骚扰与抗扰度测量方法的草稿) 列入了在混响室内测量辐射发射的方法，并指 出其优点。主要如：内外电磁环境的隔离，在大体积下获得高电平的场，宽的频 率覆盖，少量的仪器更换即可测辐射发射又可测辐射抗扰度，以及不要求e u t 位置旋转等。但在1 9 9 6 年1 1 月发布的c i s p r1 6 2 正式文本中，这部分内容改 为“正在考虑中”。第一个专门规范混晌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( 混响室) 。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 电磁干扰辐射和敏感度控制 要求接受了混响室这一测量场地。 近年来，i e c t c 7 7 b 与c i s p r a 组成了一个联合工作组( j o i n tt a s kg r o u p ) ， 致力于起草一个关于混响室的标准：i e c6 1 0 0 0 4 2 l 混响室试验法。至2 0 0 0 年1 1 月，己进展至“委员会草案( c d 文件) ”阶段。其编号分别是：i e c t c 7 7 b 3 0 4 d c 和c i s p r ，a 2 8 5 c d 。在学术领域近年来发表的有关混响室的论文 也迅速增长。从i e e e 国际e m c 会议有关混响室的论文统计( 表1 - 1 ) 可见一 斑。 表1 1i e e e 国际e m c 会议关于混响室的论文 。生贫一一佥绝一一l 迨，塞堂l 一缝鲞篓量一； 20002se ss ion 13 美、德、瑞典、荷兰! 。1w orksh0p 新加坡、澳大利亚 19 99 ：l 量es _ sio ! 一i 一美、一新口坡、疆l ! j 旦9 _ 8 _ 。卜 一一一曼l 一羞! 煎兰一l 蔓! 理旦7 _ 一：一l 量盟曼主- ? n 一量一- 一，轰一 一l 旦旦乳。1 一量! 量照! 殳立差一一 从表1 1 可见，近5 年来在学术界对混响室的关注迅速发展。近一、二年发 表混响室论文的国家己从5 年前的一个( 美国) 发展到五、六个国家。 在美国影响比较大的研究单位有海军水面战争中心( n a v e ls u r f a c ew a r e f a r e c e n t t e r ) 以及美国国家标准与技术研究院( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y _ n i s t , 其前身为n b s ) 。工业界中e t s l i n d g r e n 公司较早关注这 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 一产品的开发，并已推出了商品名为s m a r tc h a m b e r s ) 的混响室。从以下列举 的n i s t 所做工作可见当前的混响室的理论研究与实用化均已达到了很高的水 平。 早在8 0 年代中期，n i s t 就正式提出了混响室这一名词，并发表了涉及其设 计和评价的论文。至1 9 9 8 年已有数十篇论文或技术资料发表。n i s t 建造了 一个混响室，体积为4 5 7 m 3 0 5 m 2 7 4 m = 3 8 1 9 1 1 3 图1 - 1n i s t 的混响室 n i s t 与美国海军和美国汽车制造者协会联合研究将混响室技术用于汽车的 电磁发射与抗扰度测试。该小组在混响室与半电波暗室测量被研究的汽车以 比较两者的相关性。n i s t 负责设备的校准、测试过程的咨询以及数据分析。 研究并改善混响室内场激励的统计模型。n i s t 对位于佛吉尼亚h a m p t o n 的 美国国家航空与航天局的l a n g l e y 研究中心( n a s l 靠) 新建的混响室进 行了广泛的研究与评价，并写出了长达2 8 2 页的技术报告( 1 9 9 9 ) 。l a r c 共 建造了三个混响室，最大的一个体积为：1 4 3 3 m 7 0 1 m 2 9 0 m = 2 9 0 8 0 m 3 。 表面积为3 2 4 4 2i n 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 穗性a 二 虿献一nii nl q 曼r 一 l 控制宣 ：，! l 门精 图1 - 2n a s a 建造的混响室的平面图 图1 - 3n a s a 混响室b 的搅拌器 通过此项工作，n i s t 已对混响室技术有较好的了解。已能够确定影响混响 室中场参数的一些误差源。这些误差源包括天线作用、由于低劣的桨叶设计造成 的混合不充分问题以及用于预测场的方程式的误差等。n i s t 在一些不同的混响 室中完成了几十亿次测量之后，已开发出新的测量与分析技术以便显著降低不确 定度an i s t 已了解n t 影响场性能至l d b 量级的种种因素。他们在n a s a l a r c 的混响室做到了在0 2 1 8g h z 频率范围内的重复性0 8 d b ：在o 3 1 8 g h z 频率范围内的场均匀性l d b ( 平均) 及2 d b ( 最大) 。 新加坡国立大学也进行了混响室的研究工作，他们试验用的混响室如图1 4 所示。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图1 4 新加坡国立大学的混响室 1 2 国际标准的接收情况 至今已有不少国际标准或国外先进标准接受了混响室。例如：i e c 方面： c i s p r1 6 - 1 ：1 9 9 3 ，i e c6 1 0 0 0 4 3 的新增附录，i e c6 1 0 0 0 4 2 l ( 草案) ：汽车 方面：g m9 1 2 0 p 一1 9 9 3 ，s a ej 1 1 3 2 7 ：航空方面：r t c a d o 1 6 0 d ：欧洲标准 方面：e u r oc a ee d 9 0 ；美国军标方面：m i l s t d4 6 l e 等。现择其重要的 简介如下： 1 c i s p r1 6 1 ：1 9 9 3 无线电干扰与抗扰度测量设备规范 该标准( 等效转化为我国国家标准g b t6 1 1 3 1 1 9 9 5 ) 是将混响室作为总 辐射功率测量的场地提出的。规定了混响室的构成。给出了典型搅拌器的形状与 尺寸，提出了旋转速度。该标准还给出了混响室性能试验方法，规定了插入损耗 的波动应小于2 d b 。但该标准的此段文字起草于1 9 8 7 年，是对混响室早期研究 的结果，对指导今天的混响室试验差距较大。 2 i e c6 1 0 0 0 4 2 1 ( 草案) 电磁兼容试验与测量技术混响室试验法 该版本是2 0 0 0 年1 1 月的。因而其内容反映了近年来的研究成果，包括了发 射、辐射抗扰度、屏蔽效能以及天线效率测量；给出了两种方法：m o d e t u n e d 法 用于混响室校准、发射以及抗扰度测量，而m o d es t i r r e d 法用于屏蔽效能测试。 给出了进行不同目的测量的详细方法以及大量的试验睦线。 当i e c6 1 0 0 0 4 2 1 正式发布之后，为i e c6 1 0 0 0 - 4 - 3 起草的关于混响室的新 北京邮电大学硬士研究生学位论文 附录将被取消。欧洲标准化委员会已表示， 洲标准也将接受该文本。 3 美国通用汽车公司标准g m9 1 2 0 扰度( 混响法) 当i e c6 1 0 0 0 4 2 1 正式发布之后，欧 电磁兼容部件试验辐射电磁场抗 该标准规定的频率范围：o 5 2 g h z ( 将扩展至0 2 1 0 g h z ) ：浆叶旋转速 度3 6 转份；在低于1 g h z 频率下，当放大器功率5 0 w 时，可获得高于l o o v m 的场强：给出晟小的混响室尺寸：4 8 8 m x 3 6 6 3 0 5 m 。 场均匀性要求如下：当用响应时间为0 1 s 的场探头测室内的任意两点位置 的场强时，其允许的变化量应满足：8d b ( 0 2g h z ) ，5d b ( 0 5g h z ) ， 4d b ( 1 0g h z ) 2d b ( 2 0g h z ) 。 美国汽车制造者协会标准s a e 儿1 1 3 2 7 的内容基本与g m9 1 7 0 p 相似。当 前正在修订中。 4 p r c a d 0 1 6 0 d 空中设备试验程序与环境条件( 修订舨、建议) 其预期工作频率：o 1 1 8 0 h z ：建议最低工作频率为混响室最低模频率的3 4 倍；允许使用m o d et u n e d 法；建议在9 个位置上用e 场探头测量场均匀性； 场均匀性以标准差给出。 5 e u r o c a e e d 9 0 该标准与r t c ad o 一1 6 0 相似之处为：在9 个位置上用e 场探头测量场均 匀性；均匀性以标准差给出；用总场( r s s ) 去限定场电平。 与r t c ad o 1 6 0 不同之处：允许置于墙上的探头为参考；当加载时，应 进行场均匀性较核 当时用m o d e - - t u n e d 技术时，要求测试窗效应：允许使用 m o d e - - s t i r r e d 技术，必须溺试直至e u t 工作失常或时e u t 暴露于峰值电平下 至少1 s 。 6 美国军用标准m i l s t d 一4 6 1 e 电磁干扰发射与敏感度控制要求 该标准只接收m o d e - - t u n e d 技术；调谐器的性能基于相关系数；要求在最 低工作频率应至少又1 0 0 个模；允许用r t c ad o 一1 6 0 的方法确定最低可用频 率。 2 0 0 3 年1 1 月，国际电工委员会( i e 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：测试和测量技术混响室测试方法”。 6 北京邮电大学顶士研究生学位论文 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i e cs c7 7 b 的专家 组成的联合工作组起草的，是 e c6 1 0 0 0 系列标准的一部分。 1 3 混响室电磁兼容检测的国际标准 f i e l ds t r e n g t hv a r i e sf r o m1 v mt o6 0 0 0 v m i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ( 民用工业) g m 9 1 2 0 p s a ej 11 1 3 2 7 e u r o c a ee d 9 0 i e c6 1 0 0 0 4 2 1 m i l i t a r ya p p l i c a t i o n ( 军事工业) s a e 儿1 1 3 2 7 g m 一9 1 2 0 p 用于汽车产品emc 检测( f o ra u t o m o t i v ee m c t e s t i n g ) 4 0 0 m 1 l g h z m o d es t i r r e d r e c o m m e n d e dm i n i m l l ms i z er o o m5 m x 4 m x 3 m e u r o c a ee d 9 0 ( v a r i o u se l e c t r o n i ce q u i p m e n ti m m u n i t yt e s t s ) 1 0 0 m h zt o1 8 g h z 。u s e r9l o c a t i o n st om a pt h ec h a m b e r u n i f o r m i t y u s et o t a lf i e l dt od e t e r m i n ef i e l dl e v e l s r t c a d o1 6 0 d 用于航空产品e m c 检测 。1 0 0 m h z 一1 8 g h z ( m o d e - s t i r r e d o rm o d et u n e m f o ra v i o n i c si m m u n i t yt e s t s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 1 混响室特点 第二章混响室的原理 混响室作为一种新的电磁兼容辐射测量场地，近年来发展迅速，它广泛应用 于辐射抗扰度测试( e m i ) 、辐射发射测试( e m s ) 、屏蔽效能测试( s e ) 、天线效率测 试( n a ) 。它与传统的测试场地相比在造价、测量时间、有效模拟复合场等许多 方面优点突出： 1 用相对较小的功率，可以在大的测量空间获得高的场强。这是由于利 用了高q 的空腔谐振的原因。同时混响室能够很好地模拟复合场。在 图2 一l 中比较了在开阔场、全电波暗室与混响室中测量大型e u t 的 抗扰度时的天线配置情况。从该图很容易理解混响室在这方面的优越 一眭。 斤阿场 全电波暗室混响室 图2 一l三种场地抗扰度测量的比较 2 ，在相对较小的功率下，可以获得高的动态范围。这对于高屏蔽效能的 测量是十分重要的。从图2 2 中的比较可见，混响室的动态范围完 全可以达到电波暗室的水平，但实际上所需激励功率较小，并且与场 的极化无关。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 鹾f - i 釜蚴。i 一甜崔嚏直引木，性悒p 坶蚺每缸峭螭 b ，。 太：书搿& 7 ，： 图2 2 混响室与电波暗室的动态范围 3 除低频受限外，工作频率范围宽。因为其中无吸波材料，所以不存在 由于材料性能对混响室特性的影响。但其最低工作频率应至少是空腔 最低模频率的3 倍。因而对应较低的工作频率，需要较大的体积。但 1 0i l l 8i l l 6m 的混晌室最低工作频率是可能小于i 0 0m h z 的。 4 用途广泛a 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。 5 大的测试体积，用途广泛，应用于e m i 、e m s ，s e ，q a 测试。 6 节约测量时间。因不需要天线扫描，不需要e u t 旋转，不需要改变极 化，因而大大节约了测量时间。 7 节省经费。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， 在形成相同场强下，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。 8 e u t 失去了其方向特性( 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( 不论是发射还是抗扰度) ，但在混响室 的测量结果不能提供这方面的信息。 9 某些电磁波吸收体可能给混响室加载。混响室是在高q 下工作的，如 在室内存在吸收电磁波的材料( 例如：木制的支架、桌子：或塑料的 q 船 * 柚 。 粤 北京郏电丈学硕士研究生学位论文 e u t 外壳等) 都会使混响室的q 值下降，称为加载。这是我们不希望的。 加藏私响宣8 探头塥蠼桥准燕 言l 爵 书2 鲁 i o 卜x d 州d b 1 y “nd h 一z s r d “d b irs幽，(nni r 一囊、 二 、o 乞- 厂j 一 式、一r t ， 一 t 】i q e i ：鼎，删叩 j 小，o 呷，口n8 0 l q 瞩mi 州 频率y l l k 图2 3 加载混响室的标准差 缺点： 1 由于受腔体的尺寸、搅拌效率和腔体品质因数的限制，最低可用频率 ( l u f ) 受到限制，低频受限。 2 在测试中使用短脉冲时会由于腔体的高品质因数而带来一些问题。 3 不能提供受试设备的极化和方向特性的数据。 2 2 混响室的原理 一般而言，混响室是在高品质因素( q ) 的屏蔽壳体内配有机械的搅拌器 ( m o d es t i r r e r ) ，用以连续地改变内部的电磁场结构。混响室内任意位置的能量密 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。在混响室内的测 量可以视为一个随机过程。受试设备( e u t ) 对场的平均响应，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：室内能量密度各处一致； 各向同性：在所有方向的能量是相同的。 随机极化：所有的波之间相位角以及他们的计划是随机的。 混响室就其本质来讲是在屏蔽腔体内产生空间均匀，各项同性，随机极化的 电磁环境用于受试设备的测量。产生这种电磁环境的方案有很多，例如可以在腔 体内壁布置规则的矩形突起通过对波漫反射得到这种电磁环境；或者设计一个 没有任何两个壁面平行的屏蔽室，并在室内安装固定的曲面漫射器也可以得到 1 0 北京邮t 包大学硕士研究生学位论文 所要求的电磁环境。但是实际建造的混晌室中运用最多的还是机械搅拌法 机械搅拌法是在高品质因素( q ) 的屏蔽腔体内配备机械的搅拌器，用以连续 改变内部的电磁场结构，如图2 4 所示，混响室内任意位置的能量密度的相位、 橱度、极化均按某一固定的统计分布规律随机变化，利用机械搅拌法构成的混响 室已被很多标准所接受。 怒搿带”l ：譬一“ 图2 ，4 机械搅拌混响室的结构 图2 5 混响室仪表配置 在图2 5 中，信号源与功放提供发射天线所需的射频功率信号，低通滤 波器用来避免信号高次谐波馈送至发射天线。定向耦合器及二个功率计用于 测量发射天线的入射功率与反射功率。测量接收机( 或功率计、频谱分析仪) 用来测量接收天线接收到的信号电平。1 0 d b 衰减器用于改善接收天线至测量 接收机间( 包括电缆) 的匹配。e u t 监测仪表用于性能降级判据。e u t 的绝缘 北京邮电大学硕士研究生学位论文 支架要求既不允许反射电磁波也不允许吸收电磁波。计算机用于数据统计以 及全部设备的控制 混响室的设计方案有很多。浆叶机械模搅拌法，是大多数标准都认可的一种 方法。但是其它的一些方法或改进方法也可以考虑。例如有一种波纹墙法，它的 结构与浆叶搅拌法类似但是，它的墙壁不是平板，而是高度不同的金属发射器 明显改善了室内场的均匀性。 影响混响室性能的一些因素 以最为常见的机械搅拌法为例，影响其性能的因素有： 1 ) 混响室的形状和大小 混响室的形状大体上并不是很重要，不同形状的混响室表现出相同的性能， 混响室的体积大小则是影响性能的关键园素。体积大小在7 5 1 0 0 m 3 的混响室的 典型工作频率是在2 0 0 m h z 以_ k ，工作低于2 0 0 m h z 以下的混响室则要求有更大 的体积。 常见的混响室是长方体形，确定各边长度时要注意，各边长度不要成比例 理论上这时可以容纳最多的模，可以改善混响室特别是在低频时的性能。 混响室体积大小与最低可用频率和第一个谐振频率f l l 0 有如下关系 c h a m b e rv o l u m e m 3n 1 0 n 眦zl u f ，m h z a1 77 l3 0 0 b2 96 93 0 0 c3 85 83 0 0 d8 04 31 5 0 e1 0 73 81 5 0 f1 7 03 11 5 0 g2 9 02 41 0 0 h5 9 42 48 0 j1 3 6 01 53 0 5 0 表2 1混响室体积大小与最低可用频率之间的关系 l u f 为最低可用频率( 1 0 w e s t u s e a b l ef r e q u e n c y ) f l l 0 为第一个谐振频率( t h e f r e q u e n c y o f t h ef i r s tr e s o n a n c e ) 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 ) 搅拌器 最低可用频率( l u f ) 1 5 0 m h z 对应的波长为2 米。一般搅拌器的尺寸要 大于最低可用频率所对应波长的一半，因此搅拌器尺寸应大于1 米。 搅拌器数目一般是大于等于2 个，由于搅拌器的电机较贵，我们使用2 个 搅拌器。搅拌器放在混响室的角落里为好，此外搅拌器距离混响室的金属壁要大 于o 5 米，搅拌器放置位置如下图2 - 6 所示，红色代表搅拌器轴，浆叶未画出。 搅拌器浆叶形状相对搅拌器的轴是非对称的。搅拌器要具有步进和连续旋转的能 力，分别对应调谐模式和搅拌模式。 图2 6搅拌器放置位置 搅拌器的旋转速度： 进行测试前要确定搅拌器的旋转速度。场改变的速率确定了搅拌器旋转速 率。对于辐射抗扰度测试，速度取决于e u t 对场的反应时间和检测任何反常事 件所需的时间。对于辐射发射测试，速度取决于设备的周期时间和检测设备的反 应时间。 根据给出场最大允许变化速度的最慢旋转速度，设置搅拌器的旋转速度。 对于低于1 g h z 的频率要在不超过1 0 0 m h z 的频率间隔对搅拌器进行评佶。 对于高于1 g h z 的频率要在不超过1 0 0 0 m h z 的频率间隔对搅拌器进行评估。 搅拌器的个数和大小及旋转步长数都是影响混响室的场均匀性的因素。 搅拌器的个数越多，场均匀性越好。在尺寸为3 8 3 0 4 5m 3 的混响室中 进行的实验证明，两个搅拌器相比一个搅拌器，电场变化范围降低l d b ，而三个 北京邮电大学硕士研究生学位论立 搅拌器与两个搅拌器相比性能只有轻微改善。两个搅拌器的放置是一个水平一个 垂直。 搅拌器浆叶的尺寸越大则场的均匀性越好，但是这要受到腔体尺寸的限制。 习惯上一般选择浆叶对角线尺寸大于波长的一半。浆叶的边长大于谐振腔最小边 界长度的6 0 。 3 ) 探头的位置数 探头的位置数是影响评估场均匀性不确定度的因素，探头位置数越多对评估 场均匀性不确定度越好。在尺寸为3 8 3 0 x 4 5m 3 的混响室中，当探头位置个 数从1 2 5 减少为8 时，场均匀性有l d b 的差别，为使评估场均匀性偏差在o 5 d b 的范围内，所要求探头位置数不少于2 7 个( 该探头位置数是相对于3 8 3 0 x 4 5m 的混响室而言的) 。 2 3 其他混响室方案； 上述的利用浆叶机械模搅拌方法构成的混晌室是典型的混响室，并且己被很 多标准所接受。但近年来，不少学者提出了另外一些混响室方案，虽然对这些方 案的研究工作还有待充实，但颇有创意。 1 、摆动墙( m o v i n gw a l l ) 1 9 9 2 年，d r y h u a n g 等人提出利用摆动墙的方案( 图2 - 7 ) 。由于墙的摆动， 使室内体积不断变化，从而连续改变空腔的谐振条件而达到混响的目的。显而易 见，制作一个这样的实际装置是有困难的，主要由于无法处理摆动的墙壁与其它 固定的墙壁之间的边界。 夕。 图2 7 摆动墙( i - i u a n g 1 9 9 2 ) 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 、相位反射栅( p h a s er e f l e c t i o ng r a t i n g ) 1 9 9 4 年d ea c m a r v i n 等人提出了相位反射栅方案( 图2 8 ) 。利用墙面 上规则矩形突起的不规则布置达到对波的漫反射作用。 图2 - 8 相位反射栅( m a r v i n ，1 9 9 4 ) 3 、s c h r o e d e r 漫射体( s c h r o e d e rd i f f u s o r ) 1 9 9 7 年d r m p e t i r s c h 等人提出将建筑声学中对声波的s c h r o e d e l 漫射体 用于电磁波。从而改善屏蔽室内的谐振。他们设计了如图2 - 9 所示的漫射体，他 们建了一个7 5 ( 1 ) 5 ( w ) 5 ( h ) m 3 的屏蔽室数学模型，并用电磁场的数值分析方 法分别计算了带有或不带有漫射体的屏蔽室内的场分布，结论是：s c h r o e d e r 漫射 体改善了室内场的均匀性。 图2 - 9 漫射体( p e t i r s e h ，1 9 9 7 ) 4 、固有混响室( i n t r i n s i cr e v e r b r a t i o nc h 锄b e 卜一i r c l 1 9 9 8 年，d r f r a n kb j l e f e r i n k 等人提出了一种颇具创新的混响室方案。 0l，o0lo ion0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 他们设计了一个屏蔽室，该室具有下列特征：没有任何两个壁面是平行的；只有 一个垂直于其他壁面：各壁面的尺寸不成倍数关系；在室内安装固定的曲面漫反 射器，其总面积不少于该室的总表面积的2 5 。设计者认为，这一方案可以形成 电磁波的混响。但从发表的论文中未见实验数据。由于依靠室本身的设计而不依 靠其他运动部件，所以设计者们选用了i n t r i n s i c 一词命名。 图2 1 0固有混响室( l e f e r i n k ，1 9 9 8 ) 5 、渡纹墙( c o r r u g a t e dw a l l ) 1 9 9 9 年d e a g o d f r e y 提出了一种波纹墙方案。在一个小的混响室n 8 1 ，8 0 8m 3 ) 中墙面采用了高度不同的二角形金属反射器。其原理如图2 1 1 所示。 混响室中让仍装有机械转动的模搅拌器。实验数据表明与平板型墙面相比，此 种方案明显的改善了室内场的均匀性，尤其在较低频率。在实验所用的小混响室 内，工作频率低至1 5 0 - 6 5 0m h z ，仍有较好的特性。 图2 - 1 1 波纹墙( g o d f r e y ，1 9 9 9 ) 北京邮电大学硕士研究生学位论文 6 、振动型固有混响室( v i b r a t i n gi r c - v i r c ) 2 0 0 0 年，d lf r a n kb j l e f e r i n k 等人提出了一种完全新型的混响方法。振 动型i r c 是一个用柔软导电材料制作六面墙壁的混响室，将其支架在稳固的架 构上，借助于振动一个或多个支架或者一面或多面墙壁去不断改变混晌室内的 模结构( 图2 1 2 ) 。柔软的墙壁与皱折对于改善场的空间均匀性也是有益的。此 结构的混响室的仪表配置见图2 1 3 。此方案与同样体积的典型混响室相比，可以 有效地改善其低频特性。 图2 1 2 振动型固有混响室 图2 1 3 振动型固有混响室的仪器配置 北京邮电大学硕士研究生学位论史 2 , 4 其关键技术、特性和主要参数 i 混响室电场( e 场) 幅度的期望值 可以根据全向场探头的2 4 个最大读数的算术平均值求得。也可以按下式， 基于参考天线的最大读数，以天线位置数去求平均而得到。 耻等j 睾 c 龀山 式中p 。在完整搅拌过程中，对于一个天线位置的最大接收功率( w ) ； 町。参考天线效率； 丑工作波长( m ) 。 上式应该以天线位置数去求平均，即将各个不同的天线位置得到的求 和，再用天线位置数去除。 2 混响室的最低谐振频率： 混响室的最低谐振频率按下式计算： 划。婀丽丽 c 枷 式中：1 ，w ，h 分别为长、宽、高 m ，i l p 分别为0 或整数。 尺寸为：8 x6 5 3 1 ( k x 宽x 高) 的混响室的最低谐振频率为： 州。厨两蚴，蚴， 3 混响室的最低可用频率( l u f ) ： 混响室的最低可用频率应至少是空腔最低频率模的3 - - - 4 倍，因此上面的例子 中的混响室的l u f 至少是8 9 1 1 1 8 8 m h z 。这里我们取最低可用频率为1 5 0 m h z 。 当最低可用频率为1 5 0 m h z 时，可以按照下式估算出混响室内可能存在的模 的数量： t 8 北京邮电太学硕士研究生学位论文 ( ，) ：娶，+ w h u + w + j 1 1 ) + z + 0 5 jf = 8 3 + p i 8 + 6 5 3 1 0 1 2 5 - 1 7 6 + 0 5 + 0 5 = 1 6 0 5 0 8 2 1 0 0 满足了美军标规定的最低工作频率时腔体中至少容纳1 0 0 个模的要求。上式 中l ，w ，h 分别为混响室的长、宽、高，单位为米；f 是工作频率( h z ) ：c 是电磁 波传播速度( 3 x1 0 8 m s ) 。 4 混响室的品质因数( q ) 混响室的品质因数可以用来衡量混晌室储存能量的能力。q 数值越大，混 响室储存能量的能力越强。 q 焉16 嗽；r 2 v 万 v = 。 = 一j 竹t x ，7 r x 。、i n p l i ( 式2 - 3 ) v 混响室的体积( m 3 ) r 精定频率对应的自由空间波长( m ) ( 只。，k 。，) 一个完整的调谐搅拌循环中，平均接收功率与输入功率 之比 玎。和玎。发射天线( t x ) 和接收天线( r x ) 的效率，如果没有天线厂 家的天线效率数据，可以假设对数周期天线的效率是o 7 5 ，喇叭天线的天线效率 是0 9 。 5 混响室的时间常数( f ) 对于脉冲测试，混响室时间常数按下式计算： 0 2 兀， f 式2 - 4 ) 卜品质因数 f 测试频率( h z ) 可见混响室的品质因数越高，其时间常数越大。在利用混响室进行脉冲测 试时，混响室的时间常数不能大于任何测试波形脉冲宽度的o 4 倍。否则必须在 北京邮电大学硕士研究生学位论文 混响室内添加吸波材料或者增大脉冲宽度。如果使用了吸波材料，增加吸波材料 直到时间常数的要求得到满足，也就是尽量用最少的吸波材料来使时间常数达到 要求。添加吸渡材料后必须定义新的c l f 。如果由于吸波材料的加载大于混嚷室 最大加载确认时的，就要重新进行混响室的校准。 6 混响室的品质因数带宽( b w o ) 混响室中的品质因数带宽是混响室中相关模式频带宽度的度量。 8 。疗0 ( 式2 5 ) f _ 一是频率 q 是品质因数。 由腔体理论知：在品质因数带宽内激励出的总模数m 可以按照下式估算： m = 百8 , f v f 3 ( 越) f 一是频率单位是h z v 是腔体的体积，单位是m 3 m 的数值与腔体的形状无关。 2 5 混响室的应用 混响室可用于多种涉及辐射场的测量。主要举例如下： 1 ) 辐射抗扰度测量 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。 尤其对于大型的e u t 。混响室电场( e 场) 幅度的期望值，可以根据全向场探头的 2 4 个最大读数的算术平均值。也可按式( 式2 7 ) ，基于参考天线的最大读数，以 天线位置数去求平均而得到。 耻等s 等 c 船， 式中：只。天线在完整的搅拌过程中的最大接收功率，w ： 2 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 吁