电波暗室测试区电磁性能仿真分析
时间：10-02
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摘 要：测试区电磁场分布性能是电波暗室综合性能的体现，是暗室设计的关键。本文利用专业三维电磁仿真软件分析了电波暗室测试区归一化场地衰减、场地电压驻波比、场均匀性等电性能指标，在满足测试区电性能技术指标的前提条件下，合理设计电波暗室各壁吸波材料布局，使电波暗室达到最优的性价比。
1 引言电波暗室可以模拟开阔场环境，能够为电磁仿真试验和电磁兼容试验提供一个无外界干扰、无向外泄漏、无反射回波的电磁波自由传播空间，可实现室内场测试环境，具有保密性、全天候工作等无可比拟的优越性。当前国内许多科研单位投入了大量的财力、物力，建起了不同规模和不同用途的电波暗室，因其建设费用相当昂贵, 一旦建成后很难进行大的改动，所以在建设之前对其进行性能仿真分析是非常重要的。XGTD 是一款可进行全三维场景计算的专业电磁仿真分析软件，能分析电磁波作用于复杂电大尺寸物体（如飞机、车辆、电磁波暗室等）时的传播特性。该产品是基于高频几何绕射和射线追踪方法的电大尺寸高频电磁仿真工具，克服了传统高频渐进方法不能处理多次反射、透射、绕射和表面爬行波的缺陷，适合解决电大尺寸问题。测试区电磁分布性能是电波暗室综合性能的体现，是暗室设计的关键。本文即利用该仿真软件创建了电波暗室模型，合理的设计了暗室各壁的吸波材料布局，使测试区归一化场地衰减、场地电压驻波比、场均匀性等电性能指标满足设计要求[1-5]。2 电波暗室仿真布局利用仿真软件建立暗室模型，设置内部各部分的材料特性，对墙体及地面铺设不同的吸波材料，根据实际测试情况定义收发天线，导入待测物体模型，模拟实际测试场景。根据散射特性及相关材料的反射、透射系数评估电场、磁场，通过将散射场与具体的天线模式相结合，通过二次计算，分析电波暗室测试区的归一化场地衰减、场地电压驻波比、场均匀性等参数。某待建的EMC 电波暗室仿真布局示意图如图1所示，图中圆盘区域代表测试转台位置，图中标注了主要尺寸及标识位置。
3 归一化场地衰减仿真分析归一化场地衰减需要满足CISPR16 等标准的要求，30MHz～1GHz 范围内测试区位置测量值与理论值偏差优于±4dB。根据相关标准，垂直极化仿真高度设置为1m 与1.5m，水平极化仿真高度设置为1m 与2m,均仿真计算五个位置，首先仿真开阔场条件的接收功率分布情况（作为理论值，如图2所示），再仿真暗室铺设吸波材料条件下的接收功率分布情况（作为测量值，如图3 所示），发射天线位于转台区域5 个位置，计算距离3m 处高度为1m～4m 的功率变化，不同发射位置对应不同接收位置，保持3m 距离，发射天线位于距离地面1m转台中心位置时的电磁波传播路径如图4 所示。
发射与接收天线均设置为半波偶极子天线，仿真频率为30MHz，80MHz，1000MHz，仿真中设置的水平极化天线方向布局示意图如下图5 所示，仿真中使用的吸波材料性能如图6 所示：
发射天线垂直极化，分别位于转台如图1 所示的中心（C）、左方（L）、右方（R）、前方（F）、后方（B）离地面1m，分别距离3m 高度为1m～4m 的接收功率（测量值）及开阔场条件下的接收功率（理论值）见图7～图9，由图可知，该条件下，归一化场地衰减测量值与理论值偏差优于±4dB。
按上述仿真办法，对水平极化高度为1m、垂直极化高度为1.5m、水平极化高度为2m 等条件均进行了仿真，归一化场地衰减测量值与理论值偏差均优±4dB。4 场地电压驻波比仿真分析场地电压驻波比需要满足CISPR16 要求，1GHz～18GHz 范围内，驻波比小于6dB。场地电压驻波比仿真条件：测试距离3m，布局如图10 所示，根据相关标准，发射天线与接收天线高度均为1m 时，计算当发射天线位于图10 中C1～C6、L1～L6、R1～R6、F1～F6 的位置时，计算接收功率比值获得电压驻波比，发射天线与接收天线高度均为2m 时，计算发射天线位于图10 中F1～F6 的位置时接收功率比值获得电压驻波比，由于篇幅关系，本文仅介绍垂直极化场地电压驻波比仿真结果，发射天线为偶极子天线，接收天线为全向天线，仿真频率为1GHz、2GHz、3GHz、4GHz、6GHz、8GHz、18GHz，要求场地电压驻波比小于6dB。仿真中五面墙贴敷吸波材料，地面为金属板,转台与接收天线之间铺敷2m 宽5m 长的吸波材料，布局如图11 所示，仿真所使用的吸波材料性能如图12 所示。
场地电压驻波比仿真以1GHz 结果为例分析，见表1，由表中数据可知驻波比小于6dB。同理，分析1GHz～18GHz 范围内的数据，仿真结果如图13 所示，均满足小于6dB 的技术要求。当发射天线与接收天线均位于地面高度2m 时，可同理计算分析。
5 场均匀性仿真分析场均匀性需要满足IEC61000-4-3 等标准的技术要求，80MHz～2GHz 范围内，静区假想垂直平面上75%的场强值偏差在0～6dB 之内。根据相关标准，建立仿真模型如图14 所示，发射天线离地面1.55m，接收天线位置有16 个，位于转台中心C 处44 的阵列，1.5m1.5m 范围内均匀分布，阵列底部离地面0.8m，全部为全向天线。
下图15 给出30MHz 与80MHz 的16 点位置仿真结果。图中标注归一化接收功率是指原始功率分别减去16 个点中最小值，由仿真结果可知，场强均匀性偏差在6dB 内。6 结论本文利用专业仿真软件分析了影响电波暗室电性能最主要的三个参数（归一化场地衰减、场地电压驻波比、场均匀性）的电磁特性，合理设计了吸波材料布局，优化了电波暗室性能，已成功应用于某电波暗室工程设计。作者：马永光 韩玉峰 尚柱冈 高启轩 北京无线电计量测试研究所参考文献[1] 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 17626.3-2006 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验[S]. 北京: 中国标准出版社,2007;[2] 国家质量监督检验检疫总局. GB 9254-2008 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法[S]. 北京: 中国标准出版社,2008;[3] 朱明,冯元清.半电波暗室环境与测试误差的研究[J].EMC 电磁兼容,2010(5):69-72;[4] IEC CISPR 16-1-4 Ed3：2010. Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-Part 1-4: Radiodisturbance and immunity measuring apparatus – Antennas and test sites for radiated disturbance measurements [S];[5] 邓乐玉,陆健,张嘉,石昕阳.电波暗室场地电压驻波比标准测试法介绍和分析[J]. 装备环境工程,2011,8(4):37-40.
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1 引言电波暗室可以模拟开阔场环境，能够为电磁仿真试验和电磁兼容试验提供一个无外界干扰、无向外泄漏、无反射回波的电磁波自由传播空间，可实现室内场测试环境，具有保密性、全天候工作等无可比拟的优越性。当前国内许多科研单位投入了大量的财力、物力，建起了不同规模和不同用途的电波暗室，因其建设费用相当昂贵, 一旦建成后很难进行大的改动，所以在建设之前对其进行性能仿真分析是非常重要的。XGTD 是一款可进行全三维场景计算的专业电磁仿真分析软件，能分析电磁波作用于复杂电大尺寸物体（如飞机、车辆、电磁波暗室等）时的传播特性。该产品是基于高频几何绕射和射线追踪方法的电大尺寸高频电磁仿真工具，克服了传统高频渐进方法不能处理多次反射、透射、绕射和表面爬行波的缺陷，适合解决电大尺寸问题。测试区电磁分布性能是电波暗室综合性能的体现，是暗室设计的关键。本文即利用该仿真软件创建了电波暗室模型，合理的设计了暗室各壁的吸波材料布局，使测试区归一化场地衰减、场地电压驻波比、场均匀性等电性能指标满足设计要求[1-5]。2 电波暗室仿真布局利用仿真软件建立暗室模型，设置内部各部分的材料特性，对墙体及地面铺设不同的吸波材料，根据实际测试情况定义收发天线，导入待测物体模型，模拟实际测试场景。根据散射特性及相关材料的反射、透射系数评估电场、磁场，通过将散射场与具体的天线模式相结合，通过二次计算，分析电波暗室测试区的归一化场地衰减、场地电压驻波比、场均匀性等参数。某待建的EMC 电波暗室仿真布局示意图如图1所示，图中圆盘区域代表测试转台位置，图中标注了主要尺寸及标识位置。3 归一化场地衰减仿真分析归一化场地衰减需要满足CISPR16 等标准的要求，30MHz～1GHz 范围内测试区位置测量值与理论值偏差优于±4dB。根据相关标准，垂直极化仿真高度设置为1m 与1.5m，水平极化仿真高度设置为1m 与2m,均仿真计算五个位置，首先仿真开阔场条件的接收功率分布情况（作为理论值，如图2所示），再仿真暗室铺设吸波材料条件下的接收功率分布情况（作为测量值，如图3 所示），发射天线位于转台区域5 个位置，计算距离3m 处高度为1m～4m 的功率变化，不同发射位置对应不同接收位置，保持3m 距离，发射天线位于距离地面1m转台中心位置时的电磁波传播路径如图4 所示。发射与接收天线均设置为半波偶极子天线，仿真频率为30MHz，80MHz，1000MHz，仿真中设置的水平极化天线方向布局示意图如下图5 所示，仿真中使用的吸波材料性能如图6 所示：发射天线垂直极化，分别位于转台如图1 所示的中心（C）、左方（L）、右方（R）、前方（F）、后方（B）离地面1m，分别距离3m 高度为1m～4m 的接收功率（测量值）及开阔场条件下的接收功率（理论值）见图7～图9，由图可知，该条件下，归一化场地衰减测量值与理论值偏差优于±4dB。按上述仿真办法，对水平极化高度为1m、垂直极化高度为1.5m、水平极化高度为2m 等条件均进行了仿真，归一化场地衰减测量值与理论值偏差均优±4dB。4 场地电压驻波比仿真分析场地电压驻波比需要满足CISPR16 要求，1GHz～18GHz 范围内，驻波比小于6dB。场地电压驻波比仿真条件：测试距离3m，布局如图10 所示，根据相关标准，发射天线与接收天线高度均为1m 时，计算当发射天线位于图10 中C1～C6、L1～L6、R1～R6、F1～F6 的位置时，计算接收功率比值获得电压驻波比，发射天线与接收天线高度均为2m 时，计算发射天线位于图10 中F1～F6 的位置时接收功率比值获得电压驻波比，由于篇幅关系，本文仅介绍垂直极化场地电压驻波比仿真结果，发射天线为偶极子天线，接收天线为全向天线，仿真频率为1GHz、2GHz、3GHz、4GHz、6GHz、8GHz、18GHz，要求场地电压驻波比小于6dB。仿真中五面墙贴敷吸波材料，地面为金属板,转台与接收天线之间铺敷2m 宽5m 长的吸波材料，布局如图11 所示，仿真所使用的吸波材料性能如图12 所示。场地电压驻波比仿真以1GHz 结果为例分析，见表1，由表中数据可知驻波比小于6dB。同理，分析1GHz～18GHz 范围内的数据，仿真结果如图13 所示，均满足小于6dB 的技术要求。当发射天线与接收天线均位于地面高度2m 时，可同理计算分析。5 场均匀性仿真分析场均匀性需要满足IEC61000-4-3 等标准的技术要求，80MHz～2GHz 范围内，静区假想垂直平面上75%的场强值偏差在0～6dB 之内。根据相关标准，建立仿真模型如图14 所示，发射天线离地面1.55m，接收天线位置有16 个，位于转台中心C 处44 的阵列，1.5m1.5m 范围内均匀分布，阵列底部离地面0.8m，全部为全向天线。下图15 给出30MHz 与80MHz 的16 点位置仿真结果。图中标注归一化接收功率是指原始功率分别减去16 个点中最小值，由仿真结果可知，场强均匀性偏差在6dB 内。6 结论本文利用专业仿真软件分析了影响电波暗室电性能最主要的三个参数（归一化场地衰减、场地电压驻波比、场均匀性）的电磁特性，合理设计了吸波材料布局，优化了电波暗室性能，已成功应用于某电波暗室工程设计。作者：马永光 韩玉峰 尚柱冈 高启轩 北京无线电计量测试研究所参考文献[1] 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 17626.3-2006 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验[S]. 北京: 中国标准出版社,2007;[2] 国家质量监督检验检疫总局. GB 9254-2008 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法[S]. 北京: 中国标准出版社,2008;[3] 朱明,冯元清.半电波暗室环境与测试误差的研究[J].EMC 电磁兼容,2010(5):69-72;[4] IEC CISPR 16-1-4 Ed3：2010. Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-Part 1-4: Radiodisturbance and immunity measuring apparatus – Antennas and test sites for radiated disturbance measurements [S];[5] 邓乐玉,陆健,张嘉,石昕阳.电波暗室场地电压驻波比标准测试法介绍和分析[J]. 装备环境工程,2011,8(4):37-40.微信万人群1.各群不要重复加入2.仅限射频相关人员加群主，注明：单位+方向射频百花潭关注中国最大的射频公众号射频百花潭专注于射频微波/高频高速领域技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立，该号已40000人关注，10000人加群，博士2000人以上，包括IEEE Fellow多名。PCB制板、射频微波/高频高速PCB设计与仿真、技术咨询，请联系群主： 15989459034 xxf@chinafastprint.com。