混响室的仿真、分析与优化

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本人签名导师签名日期日期混晌室的仿真、分析与优化摘要作为一种新型的电磁兼容测试场地，混响室近年来发展迅速，得到越来越多的关注。

这是由于相比于传统的测试场地，混响室在工程造价、测量时间、有效模拟复合场等许多方面优点突出。

混响室要求在屏蔽腔体内产生空间均匀、各向同性、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，但是实际建造的混响室中运用最多的还是机械搅拌法。

混响室的结构设计中，搅拌器的设计是一个难点。

合理的设计搅拌器会改善混响室的场均匀性、降低最低可用频率。

本文详细介绍了混响室的工作原理、ＦＥＭ法及电磁场的仿真软件ＨＦＳＳ，用ＨＦＳＳ构建了一个混响室模型，并设计了三组实验，来分析比较不同的搅拌器形状、个数、大小对混响室性能的影响。

实验分析的结果对于实际的混响室设计具有一定的参考意义。

关键词：混响室有限元法场均匀性搅拌器ＳＩＭＵＬＡＴＩｏＮＡＮＤＡＮＡＬＹＺＡＴＩｏＮｏＦＲＥＶＥＲＢＥＲＡＴＩｏＮＣＨＡＭＢＥＲＡＢＳＴＲＡＣＴＡｓａｎｅｗｔｙｐｅｏｆＥＭＣｔｅｓｔｓｉｔｅ，ｒｅｖｅｒｂｅｒａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｖｅｒｙｆａｓｔｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓａｎｄｇｏｔｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｉｔｓｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｖｅｒｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅｓｔｓｉｔｅｓｉｎｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｅｒｍｓ：ｃｏｓｔｓ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｉｍｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘＥＭｆｉｅｌｄ．ＴｈｅＥＭｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｒｅｖｅｒｂｅｒａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｍｕｓｔｂｅｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｙｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｙｉｓｏｔｒｏｐｉｃ．ＴｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｍｅｔｈｏｄｓｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆＥＭｆｉｅｌｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｉｒｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｓｔｏｆｔｅｎｕｓｅｄ．ｃｈａｍｂｅｒｄｅｓｉｇｎ．ＰｒｏｐｅｒｓｔｉｒｄｅｓｉｇｎＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｉｒｓｉｓｔｈｅｍｏｓｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｏｉｎｔｉｎｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆＥＭｆｉｅｌｄａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌｏｗｅｓｔｕｓａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒｅｖｅｒｂｅｒａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒ，ｔｈｅＥＭｆｉｅｌｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ａｎｄｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｆｉｒｓｔｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．ＴｈｅｎａｃｈａｍｂｅｒｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅＨＦＳＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｔｉｒｓ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｈａｐｅ，ｎｕｍｂｅｒａｎｄｓｉｚｅ）ｍａｙａｆｆｅｃｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｖｅｒｂｅｒａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒ，ｗｈｉｃｈｉＳａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｒｅｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｓａｇｏｏｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅａｃｔｕａｌｃｈａｍｂｅｒｄｅｓｉｇｎ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｒｅｖｅｒｂｅｒａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒＦＥＭｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｓｔｉｒ第一章概述传统的电磁兼容测量场地都是在规范的电磁波传输条件下进行测量，如ＧＴＥＭ小室中的场是单模横电磁波，开阔场与半电波暗室则是模仿自由空间的电磁场。

为了满足这些规范化的条件，对这些测量场地中的地板、墙壁、吸波材料等都有严格的要求，使得这些场地造价昂贵。

同时，随着科技的发展，电子类产品的集成度越来越高，系统内电磁环境越来越复杂。

在对一些大型的受试设备进行电磁兼容测试时，常常需要产生高强度的高频电磁场以模拟实际的工作环境，对于开阔场地和半电波暗室来讲，这就需要增益非常高的功率放大器。

作为一种新型的电磁兼容辐射测量场地，混响室突破传统的思路，它使用机械搅拌器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，很好的解决了前面的问题。

混响室近年来发展迅速，受到越来越多的重视就在于，与传统的测量场地相比它在造价、测量时间、有效模拟复合场等许多方面优点突出。

１．１混响室的发展历史最早在１９６８年，Ｄｒ．Ｈ．Ａ．Ｍｅｎｄｅｓ就提出了将空腔谐振用于电磁辐射测量的思想。

１９７１年，美军发布了ＭＩＬ．ＳＴＤ１３７７，接受使用混晌室用于电缆和屏蔽材料屏蔽效能的测试。

但在这之后的十多年罩，这种测量方法并未得到更多的关注。

直到２０世纪８０年代，随着军工产品、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（ＥＵＴ）获得高频电磁场。

对于开阔场地或半电波暗室等传统的测量环境，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，也需要更经济有效的方法。

这些需求使得混晌室重获新生。

１９８６年，美国国家标准局（ＮａｔｉｏｎａｌＢｕｒｅａｕｏｆＳｔａｎｄａｒｄｓ）的Ｄｒ．ＭｉｋｅＬＣｒａｗｆｏｒｄ及其小组为混响室的发展奠定了基础。

到８０年代末，混响室开始为各国际标准所接受。

１９８７年３月，ＣＩＳＰＲ／Ａ／（Ｓｅｃ．）８２（ＣＩＳＰＲ１６一ｌ《无线电骚扰与抗扰度测量设备规范》的草稿）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ＣＩＳＰＲ／Ａ／（Ｓｅｅ．）８３（ＣＩＳＰＲ１６—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ＥＵＴ位置旋转等。

第一个专门规范混响室的标准是美国通用汽车公司１９９３年６月发布的标准ＧＭ９１２０Ｐ《辐射电磁场抗扰度（混响室）》。

１９９９年发布的美国军用标准ＭＩＬ—ＳＴＤ．４６１Ｅ《电磁干扰辐射和敏感度控制要求》也接受了混响室这一测量场地。

近年来，ＩＥＣ／ＴＣ７７Ｂ与ＣＩＳＰＲ／Ａ组成了一个联合工作组，致力于起草关于混响室的标准，并于２００３年８月发布了一个正式版本：ＩＥＣ６１０００．４．２１《混响室试验法》。

１．２混响室的发展现状近年来，混响室的研究工作得到了迅速发展，有关混响室论文逐年增加，论文涉及理论分析、测量方法以及新的设计方案等方面。

混响室的理论研究主要侧重于描述室内场空间分布的统计规律，这方面的理论发展有助于靠近墙壁处和低频时的场均匀性的估计，也有助于混响室设计的发展和校准方法的优化。

而混响室中采用的测量方法也主要是基于场空间分布统计均匀性估计原理，通过边界的测量给出直接场的均匀性估计。

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（ＭｏｄｅＳｔｉｒｒｅｒ），用以连续地改变内部的电磁场结构，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。

这种实现方法我们称为机械搅拌法，它是实际建造的混响室中采用最多的方法，也是为大多数标准所接受的方案。

但是这种方法有一定的缺陷，它的工作频率下限一般不容易做得很低，影响了测量范围。

不少学者也提出了一些颇有新意的设计方案，这些方案有的通过改变屏蔽室的体积，有的通过改善墙体的反射特性来实现混响室要求的电磁环境。

例如有人提出摆动墙（ＭｏｖｉｎｇＷａｌｌ）方案。

利用墙的摆动，使空腔内体积不断变化，从而连续改变空腔的谐振条件而达到混晌的目的。

也有人提出将建筑声学中对声波的Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ漫射体用于电磁波，从而改善屏蔽室内的谐振。

他们建了一个７．５（１）·５（ｗ）＋５（ｈ）ｍ３的屏蔽室数学模型，并用电磁场的数值分析方法分别计算带有或不带有漫射体的屏蔽室内的场分布，证明Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ漫射体有效改善了室内场的均匀性。

还有一些方案像固有混响室、波纹墙混响室等也颇有新意，并且能在一定程度改善低频特性。

１．３本论文的目的和内容在采用机械搅拌法的混响室的结构设计中，搅拌器的设计是一个难点。

合理的放置搅拌器的位置，选择搅拌器的个数，设计搅拌器的形状与大小可以有效改善混响室的场均匀性、降低最低可用频率。

本文用ＨＦＳＳ构建了一个混响室模型，并设计了三组实验，来分析比较不同的搅拌器形状、个数、大小对混响室性能的影响。

实验分析的结果对于实际的混响室设计具有一定的参考意义。

攫抖嚣图２．１混响室结构模型图２．２是一个实际的混响室的内部结构，搅拌器的旋转可以连续的改变腔内电磁场的分布，图２３是放置搅拌器前后的内部场强分布。

图２．２实际的混响室内部结构９图２，３放置搅拌器前后的混响室内部场强分布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（ＥＵＴ）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、各向同性、随机极化。

它要求室内能量密度各处一致，在所有方向的能量相同，所有的波之间相位角以及他们的极化是随机的。

当然这些特性都是统计学意义上的。

想获得混响室的精确数学模型是不太现实的，一些学者建立了各种近似模型，如统计模型、确定性模型、平面波模型和热力学模型等。

使用这些模型可以计算混响室的一些重要参数。

２．２混响室主要特性及参数２．２．１模密度混响室的一个基本特性就是模的数目和它在不同频率上的分布。