电磁兼容混响室内电磁场的均匀性能分析及其应用研究

摘要

伴随着电子设备的飞速发展，电磁环境变得越发复杂，从而使电子设备的电磁兼容问题也变得十分突出，混响室作为一种新型的电磁兼容测试设备应运而生。如何提高混响室的测试精度、节约测试耗时、扩宽其应用领域便成为当前研究的热点。基于此，本文针对混响室内电磁场的均匀性及其应用中的具体实际问题，建立了相应的理论模型，采用时域有限差分法(FDTD，Finite Difference TimeDomain)方法开展了深入和全面地研究，并进行了相关验证试验。
　　 本文的主要工作和创新体现在：
　　 1.研究了混响室空腔校准，并以尺寸为7.6m×5.2m×3.3m的混响室为实例，在80MHz～18GHz频率范围对其进行了空腔校准。校准中所选取的采样数为12，即以30°为搅拌器的步进单元，从0°旋转到360°，结果表明，在此条件下空腔混响室内场的均匀性从最低可用频率fLUF=117.7MHz开始均能满足IEC61000-4-21标准所规定的3dB的要求。
　　 2.研究了叠加入射平面波的随机产生。方法是以产生随机平面波的源点(θ，φ)的累积分布函数(CDF)为优化的目标函数，以随机平面电磁波分布的均匀性为优化的目的，将随机波所受约束角度φ=φ/(const×sinθ)表达式分母中的const从1优化到2。在此条件下，所生成了的随机入射平面电磁波分布的均匀性优于文献中的报导结果。
　　 3.在上述基础上，研究了随机叠加入射平面电磁波的数目和频率对混响室中场均匀性的影响，进而优化了欲达到最佳均匀效果时入射波数目N及程序重复次数M的选取(对应于实际测试过程中采样数的选取，即搅拌器的步进数的选取)，结果表明，在同等场均匀性前提下，N和M均明显小于文献报导的数目，从而大大减小了仿真中的计算量、同时计算精度也有较明显提高，从而使理论仿真到实际应用变得更加集约化。
　　 4.研究了不同类型散射体(diffuser)对混响室内场均匀性的影响，其中，特别是对MLD结构尺寸设计的具体步骤是以往文献中没有涉及过的。基于上述结论，还提出了一种混响室中散射体位置设置的新方法，即将其设置在混响室的八个顶角处。相比于以往文献中所提的混响室中散射体的其它设置方法，提高了其内部场的均匀性。
　　 5.研究了将混响室用于小型天线的效率测量的思路和方法，并对几种实际工程中常用的天线进行了效率测量。结果表明，该方法简单，精度较高。基于效率测量，本文自行设计和制做了一个宽边带双极化偶极子天线，测试结果表明其辐射效率高于同类天线。这一点，对于自带电源而必须关注天线辐射效率的电子系统而言，其意义是重要的。同时，将混响室用于高效率天线的设计思路也是一种创新。
　　 6.研究了将混响室用于温度异常人体复温的思路和方法。这一工作对于国内外而言尚属开拓性的。文中首先推导了生物热力学方程(BHE-bio-heat equation)的离散形式，其中利用傅里叶级数(Fourier series)推导了稳定条件，而这一推导也是以往文献中未见报导过的。接着以24℃的异常体温人体为例，采用频率f=120MHz和915MHz的10个叠加入射平面电磁波分别进行分时照射和同时照射的复温方法。对多种不同的分时、同时组合照射方法所得仿真结果的比较表明，要将人体体温恢复到35℃，采用混合的频率电磁波照射可使温升过程中，人体内温度分布的均匀性更好，而分时照射却可使人体复温速度更快。从而可知，开始时分时照射而继后混合照射不失为一种速度较快、温度分布又均匀的复温方法。