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2020年第6期 安全与电磁兼容
引言
随着电磁学的发展，传统的微波暗室测量环境已不能满足研究者的所有测量需求，某些测试中需要观察待测设备在一定电场中的性能表现，这时就需要在混响室的测量环境中进行测量。 投篮训练器
混响室是所有边界都能进行反射、在一个区域内形成统计均匀场的一种测试环境。常见的混响室有声学混响室和电波混响室，电波混响室即统计均匀场为电场。混响室是通过搅拌器的不断旋转，使得金属屏蔽腔内某一区域的场强值在时间域上呈统计均匀，从而产生一个可控的均匀场强区。这种测试环境用于测试电子元器件在特定场强下的辐射响应、辐射敏感度等，由于能耗低、高场强的特性，广泛应用于电子、机械、军事、航空航天等领域。 1 混响室的场强均匀性
1.1 混响室
IEC 61000-4-21[1]团队监控
给出了混响室的原理、设计要求、校准方法和测试方法等。混响室通常由搅拌器、驱动电机、收发天线、电场探针、滤波器、测量设备、控制设备等组成，图1为混响室的结构组成示意图[1]。本文主要从搅拌器设计方面来优化混响室的性能。 1.2 搅拌器的作用与原理
搅拌器是对混响室性能影响最大的器件，分为机械搅拌器和源型搅拌器。机械搅拌器的应用更为普遍，通常由马达、金属轴、金属板构成。金属板在马达的驱动下绕固定轴旋转。常用的金属板材有镀锌钢板和铝板，可根据特定的设计拼接成特殊形状。
待测区域的场强均匀性是混响室的重要指标，是需要满足的测试条件。根据统计电磁场理论，场强均匀
摘要
阐述了混响室性能评价方法、机械搅拌器的作用与工作原理。利用电磁计算仿真软件分析了“Z”型搅拌器的长度和折叠数目对混响室场强均匀性指标的影响。结果表明，在混响室内部空间允许的条件下，搅拌器投影长度越长、折数越多，对应的混响室性能越好。关键词
电磁兼容；混响室；场强均匀性Abstract
The evaluation method of the reverberation chamber performance and the function and principle of the mechanical stirrer are presented. The electromagnetic calculation simulation software is used to analyze the influence of the length and the number of folds of the Z-style stirrer on the uniformity of field strength in the reverberation chamber. It is found that the longer the projection length of the stirrer and the more the number of stirrer folds, the better the performance of the reverberation chamber under the condition that the space allows.
Keywords
EMC; reverberation chamber; uniformity of field strength
混响室“Z”型搅拌器的设计优化
Design Optimization of Z-style Stirrer in Reverberation Chamber
1
浙江大学信息与电子工程学院
2
北方工程设计研究院有限公司河北省电磁环境技术创新中心
李可1 魏兴昌1 宋立军2 张福荣2 王凯斌2
赵占良2 李尔平1
图1 标准中的混响室结构
62SAFETY & EMC No.6 2020
性可用待测区域顶点最大场强的标准差来表示。由于混响室内部结构的非对称性，靠近发射天线一侧的区域场强会大于远离发射天线一侧的区域场强。使用搅拌器合理旋转，可反射和散射电磁波，从而改变待测区域不同位置固定的场强值，使每个位置最大场强值的偏差较小，混响室可以正常工作[2]。1.3 混响室性能评价机床罩壳
按照IEC 61000-4-21中对混响室测试的要求，场强均匀性为混响室性能评价的最重要指标。场强均匀性的计算方法如下：
（1）首先求出搅拌器旋转一周内，长方体待测区域八个顶点的各个分量最大场强值E max i 以及所有分量总体的最大场强值E total ，随后根据式（1）、式（2），求得
标定后的场强值i E 和total E
：
(), , i E i x y z =
（1）t to al E = （2）式（1）、式（2）中:i E
——标定后的x 、y 、z 方向场强值；
E max i ——x 、y 、z 方向在搅拌器旋转一周内最大的场强值；
total E
——标定后的所有方向合成场强值；
E total ——所有方向在搅拌器旋转一周内最大的场 强值；
P Input-empty ——不加负载时的天线输入功率。（2）分别将长方体八个顶点位置得到的场强定义为,i j E
，
根据式（3）~式（6）求出平均值和标准偏差，其中，i =x ，y ，z ；j =1，2，……8。
,88i j i E E ∑=
（3）,2424
i j E E ∑∑=
（4）
i σ=
（5）σ（6）8
i E
——长方体待测区域八个顶点的x 、y 、z 方向场强值平均值；
24
E
——长方体待测区域八个顶点的x 、y 、z 三方向的场强值平均值；
σi —— x 、y 、z 方向长方体待测区域八个顶点的场
强值标准差；
σ——长方体待测区域八个顶点所有方向的总场强值标准偏差。
（3） 将标准偏差σ通过式（7）转化成以dB 为单位的值：
()8or248or24dB 20lg E E σσ
+ =
（7）将σ（dB）与表1中的准许值比较，小于该值即为符合IEC 61000-4-21的场强均匀性要求。
此外，定义f s 为混响室的起始频率，起始频率通常为混响室腔体的本征模频率f l,m,n 最小值的3倍左右。本征模频率f l,m,n 按式（8）计算
：
,,l m n f = （8）
式（8）中:
f l,m,n ——本征模频率；c ——真空中的光速；
L 、W 、H ——计算腔体的长、宽、高；l 、m 、n ——模式系数。
任意模式中，l 、m 、n 最多只能一个数为0。取两个较长边对应的模式系数为1，最短边对应的模式系数为0，即可求得本征模频率f l,m,n 的最小值。
依据前人利用遗传算法优化混响室设计的研究成 果[3]，定义场强均匀性性能σavg 为其所有频率点标准偏差σx 、σy 、σz 、σ的算术平均数，其值越小，说明混响室场强均匀性越好。计算公式如式（9）：
()
avg 4x y z N σσσσσ+++∑=
（9）式（9）中，N 为采样频率个数。
2 搅拌器设计优化仿真探究
2.1 搅拌器长度
常见的“Z”型搅拌器由单块铝板作为基本单元，互成一定角度反复折叠，两端配合固定轴支撑板，共同构成搅拌器。为节省资源，仿真模型忽略了搅拌器旋转轴、焊接板及其他支撑设备。使用CST 微波工作室建立的两种不同长度的“Z”型搅拌器混响室结构模型如图2。图2（a）、图2（b）两种垂直搅拌器沿Z 轴的
表1 IEC 61000-4-21
中的场强均匀性要求
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投影分别约为1.70 m、2.26 m。混响室外形尺寸5 m× 4 m×3 m，腔室外壳为镀锌钢板，搅拌器材料为铝。设置电边界为外壳外表面。发射天线采用对数周期天线，中心工作频率约为200 MHz。由混响室内腔尺寸结合 式（8）计算得到混响室的起始频率f s 约为150 MHz。仿真关注的工作频段为混响室较难达到标准要求的f s ~3f s 低频段。
仿真得到场强数据后，按照混响室场强均匀性计算方法，依照式（1）~式（7）计算图2蓝待测区域八个顶点的σ（dB）值。图3为场强均匀性的仿真结果。将150~450 MHz 仿真结果与表1中的场强均匀性要求（图3中红线）比较，再利用式（9）计算出场强均匀性性能σavg 值，结合σavg 值的大小可以明显判断：长垂直搅拌器的效果优于短垂直搅拌器。混响室“Z”型搅拌器的长度越大，对于混响室相同模式的电磁边界条件的影响越复杂，对整个混响室的搅拌能力越强，越容易达到统计上的场强均匀性。因此，我们认为，在腔体空间
容许的范围内，较长“Z”型搅拌器有利于提高混响室的场强均匀性。
（a）较短垂直搅拌器
（b）较长垂直搅拌器
图2
较长、较短垂直搅拌器的混响室结构模型
（a）较短垂直搅拌器
（b）较长垂直搅拌器
图3 较短、较长垂直搅拌器的混响室场强均匀性仿真结果
2.2 搅拌器折叠数目
在水平“Z”形搅拌器旋转范围总长度、宽度、高
度一定的情况下，分别设计了五折与三折搅拌器，结构模型如图4。材料设置、边界设置和频率范围均与2.1节相同。
使用类似2.1节的计算方法，仿真得到待测区域的场强均匀性结果如图5。可以看出，三折搅拌器混响室在180 MHz 左右存在超标点；五折搅拌器混响室场强均匀性明显更好。对于折数较少的搅拌器，发射天线辐射出的电磁波直射到待测区域的成分较多，发射天线收到的混响室反射、散射较少，较难在混响室的待测区域内得到统计上均匀的场强值。因此，认为搅拌器旋转范围总长度、宽度、高度一定时，“Z”型搅拌器折数越多，
废液处理混响室的场强均匀性越好。
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3 结语
利用建模仿真方法探究搅拌器设计方案，能够极大地提高混响室性能，提高实际建造与校准测试的效率。通过建模仿真定性探究了“Z”型搅拌器长度、折数对于混响室场强均匀性的影响，后续可以研究如何提高仿真效率，缩短仿真时间，结合算法定量地探究“Z”型搅拌器长度与折数的最优值。此外，还可以探究其他模型参数，比如天线的具体位置、朝向，对混响室场强均匀性的影响，不断提高混响室设计水平，更好满足混响室测试需求。
参考文献
[1]
IEC 61000-4-21:Testing and Measurement Techniques
Reverberation Chamber Test Methods[S]. 2003.
[2]
朱赛. 混响室仿真设计关键技术研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2014.
[3] 崔耀中, 魏光辉, 范丽思, 等. 混响室搅拌器位置优化的数值分析[J].电讯技术, 2010, 50(06): 114-117.
切铝锯片
编辑：刘新霞
（a）五折水平搅拌器（a）五折水平搅拌器（b）三折水平搅拌器
（b）三折水平搅拌器
图4 五折、三折水平搅拌器的混响室结构模型
图5 五折、三折水平搅拌器的混响室场强均匀性仿真结果
第5期第29页“5G 终端FR1射频测试规范解析”一文的作者应为“刘志辉，徐凯，陶鹏，陈少建”。远程运维服务
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