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摘要：在科技的发展下，电磁兼容问题已经变为了目前人们关注的重点，本文则在论述半电波暗室相关概念的基础上，对其应用有限元进行分析。
关键词：电磁兼容；半电波暗室；有限元
1 半电波暗室总体方案的选择
电磁兼容半电波暗室主要用于替代无电磁波干扰的开阔试验场进行电磁辐射骚扰测量和电磁辐射敏感度测量。由于半电波暗室的测试环境需要模拟开阔试验场地的电磁波传播条件(即电磁波传播时只有直射波和地面反射波),故暗室尺寸应以开阔试验场的结构要求为依据,一般分为标准的10m法,5m法和3m法等。半电波暗室的种类很多,无论从功能上、结构形式上、材料选择上、安装形式上都有较大的差异。但是采用哪种方案,主要根据使用者需要的测试类型,被测物的空间尺寸、试验级别等。首先我们要明确测试频率范围,是作军标测试还是民标测试,是进行厂家内部预兼容及诊断测试,还是要进行第三方的认证测试;其次要明确被测对象可能占据的最大空间、试验室主要应用标准、自身的资金状况以及将来可能的扩展升级需求等因素,由此选择一个合适可行的试验场地和仪器设备的配置方案.
2 电波暗室
常用电磁兼容性测试所需的场地主要包括开阔场、屏蔽室、电波暗室等。其中开阔场通常是椭圆形测试场地,长轴是焦距的2倍,短轴是焦距的3倍,被测设备与接收天线分别置于椭圆的两个焦点上。在开阔场上,被测设备产生的电磁波只能通过直射路径和地面反射路径进入接收天线,因此测试结果准确。但是在开放环境中,无法避免外界环境电磁噪声的干扰,很难找到理想的开阔测试场地。屏蔽室能克服外界干扰,提供噪声电平低而恒定的电磁环境,但由于被测设备在屏蔽室中产生的电磁波也通过屏蔽室的六个金属面产生无规则漫反射,在屏蔽室内形成驻波而带来较大的测量误差。电波暗室采用将吸波材料贴附在屏蔽室内壁的结构,既避免了外部干扰又降低了电磁波在内部的漫反射,同时吸取了开阔场和屏蔽室的优点,但也造成建造成本高,影响电磁兼容测试性能的因素比较复杂的问题。在工程应用中,根据地面是否铺设吸波材料分为六面均装有吸波材料的全电波暗室和五面装有吸波材料、地面为金属反射面的半电波暗室。半电波暗室由于存在地面反射,一般只做发射测试和传导敏感度测试,而全电波暗室还可以完成辐射敏感度测试和大功率辐射发射测量,可充当标准天线的校准场地。半电波暗室作为开阔场地的替代场地,已被国内外标准认可,成为应用最广泛的电磁兼容测试场所。
3 电磁兼容暗室的FEM分析方法
3.1 采用FEM分析的原因
一方面,暗室用吸波材料是一种高色散有耗媒质。采用均值法近似吸波材料在低频时效果所得到的平面分层媒质又是各向异性的。在频域对于这类媒质的计算物理概念清晰、准确和灵活。另一方面,对于边值问题,可以利用变分原理并在一定的边界条件下推导出泛函,在此基础上即可得到FEM。而泛函中媒质的电磁参数都可以是各向异性的,而且是复数。
式中,ε 和μ 都是频率的函数。ε 的虚部与实部的比值定义为电损耗角正切,值越大表示媒质的损耗越大;μ 的虚部与实部的比值定义为磁损耗角正切,值越大,表示媒质的损耗越大。由此可见,采用FEM来计算高色散、高损耗和各向异性的媒质是非常合适的。
3.2 均值法原理和模型验证
E.Kuester和C.Holloway在Hashin-Shtrikman公式的基础上,针对吸波材料与角锥方向相切的方向(t方向或x、y方向)上周期性快变化和在角锥方向(z方向)上慢变化的特点,建立了称之为均值法(homogenization)的公式。
把实际吸波体的锥形结构用平面分层来等效;每一层的等效电磁参数可用式(3)来计算。
式中,εo、μo为真空中的参数,εa、μa为吸波材料的实际参数,εz、μz为各等效平面分层z方向的参数(即角锥方向),εt、μt为各等效平面分层t方向的参数(即与角锥相切的方向),g=(z/L)2(注:当z=L时,εz= εt= εz,μz= μt= μa)。式(3)中,εz、μz是精确的,εt和μt是近似的,称为Hashin-Shtrikman公式。采用公式(3),依照从文献[ 14]中选用的电磁参数,针对高122cm(底座20cm +尖部高度102cm)、含碳量为26%的聚氨酯角锥(以下称作EMC 1220),利用以FEM为核心算法的HFSS分成不同的层。下面针对实际3米法电磁兼容暗室作仿真分析。暗室内屏蔽体尺寸为12.6m × 7.8m × 6m。计算时,采用半波偶极子作为发射天线(对于“垂直极化”,在低频时长度略微缩短),距离金属地板高度155cm。四周和天花板都采用EMC 1220的聚氨酯 角锥吸波材料,角锥尖部均分为9层当地面铺设EMC 610吸波材料(即高61cm、含碳量为26%的聚氨酯角锥，角锥尖部均分为9层,铺设面积为3m × 3m时得到的场均匀数据、,该情况下的FU比较差,在80MHz时,水平极化的场均匀性甚至在剔除了25%的点以后仍然超过了6dB。 当地面改为铺设CFS610的混合吸波材料(即由6.7mm厚的铁氧体瓦和61cm高、含碳量为7%的聚氨酯角锥组成,中角锥尖部均分为9层,铺设面积为3m × 3m时得到的场均匀数据。模拟了安装在四周墙面的EMC 1220吸波材料,距离地板20cm,即靠近地面的四周墙面金属壳体有20cm裸露在外时的FU变化情况,见图中“FU-有缝隙”(剔除4个最差点以后的场强差值)和“FU-有缝隙(最大)”(全部16个点的场强差值)。为了便于比较,图中还给出了四周墙面没有缝隙时的场强差值,即图中的“FU”(剔除4个最差点以后的场强差值)和“FU(最大)”(全部16个点的场强差值)。由此可见,四周墙面有裸露时,FU明显变差。
3 仿真实例和NSA影响因素研究
半电波暗室内部共有5个面安装吸波体;因此需要对比研究,哪一个墙面上的吸波最重要。众所周知,吸波材料的作用是吸收电磁波使得反射出去的电磁波能量密度尽量小;吸波材料越长,其反射率越低;且正入射反射率优于斜入射反射率。然而当吸波材料变长以后入射角θ将变大(因为发射天线Tx和接收天线Rx的间距必须恒定不变),。入射角θ变大将导致吸波材料的反射率R变差,f为频率。其中PTM为平行极化波,指入射波的电场极化方向平行于入射面(平面波的波矢量方向与分界面法向构成的平面称为入射面),PTE为垂直极化波,指入射波的电场极化方向垂直于入射面。EMC164吸波体尺寸为:底座厚度D=20cm、底座边长A=30cm、角锥顶部钝口边长a=10cm,角锥高度L=144cm;EMC122吸波体尺寸为:D=20cm、A=30cm、a=10cm,L=102cm。增加吸波体高度,一方面其反射率下降,吸波性能变好;另一方面暗室中电磁波的入射角θ将变大,导致吸波体的性能下降。故需研究屏蔽壳体尺寸不变时,增加侧墙上吸波体的高度是否有用。针对屏蔽壳体尺寸为12.4m×7.8m×6m的半电波暗室作仿真,逐一分析影响暗室NSA的因素。半电波暗室NSA的实际测量方法可参阅文。本文仅给出半电波暗室两种情况下长度方向的中轴线位置上的NSA值。
参考文献
[1]王权,苏宗文,李澍,任海萍.半电波暗室归一化场地衰减测试探讨[J].中国医疗设备,2016,31(10):36-39.
论文作者:岳云涛1,初丽丽1,李炳华2
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第14期
论文发表时间:2017/12/19
标签：暗室论文; 电波论文; 测试论文; 材料论文; 媒质论文; 电磁波论文; 方向论文; 《建筑科技》2017年第14期论文;