微波暗室低頻三維電磁特性分析

2017-03-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

微波暗室,亦稱電波暗室。當(dāng)電磁波入射到墻面、天棚、地面時,絕大部分電磁波被吸收,而透射、反射極少。當(dāng)電磁波入射到墻面、天棚、地面時,絕大部分電磁波被吸收,而透射、反射極少。微波也有光的某些特性,借助光學(xué)暗室的含義,故取名為微波暗室。微波暗室是采用吸波材料SA作和金屬屏蔽體組建的特殊房間,它提供人為空曠的"自由空間"條件。在暗室內(nèi)做天線、雷達(dá)等無線通訊產(chǎn)品和電子產(chǎn)品測試可以免受雜波干擾,提高被測設(shè)備的測試精度和效率。

隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展,微波暗室被更多的人了解和應(yīng)用。微波暗室就是用吸波材料來制造一個封閉空間,這樣就可在暗室內(nèi)制造出一個純凈的電磁環(huán)境,以方便排除外界電磁干擾。微波暗室材料可以是一切吸波材料,主要材料是聚氨酯吸波海綿SA(高頻使用),另外測試電子產(chǎn)品電磁兼容性時,由于頻率過低也會采用鐵氧體吸波材料。微波暗室的主要工作原理是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中從低磁導(dǎo)向高磁導(dǎo)方向傳播的規(guī)律,利用高磁導(dǎo)率吸波材料引導(dǎo)電磁波,通過共振,大量吸收電磁波的輻射能量,再通過耦合把電磁波的能量轉(zhuǎn)變成熱能。長期以來暗室的工程分析一直是采用射線跟蹤法,但在最低工作頻率時暗室尺寸僅幾個波長,因而精度很差,造成精度差的因素有以下幾點(diǎn):

● 鏡像區(qū)的反射足以影響DUT測試區(qū)的品質(zhì),而鏡像區(qū)的特性尺寸有幾個波長,其表面覆蓋的吸波材料在VHF和UHF頻段時它的尺寸甚至超過暗室側(cè)墻、頂棚和地面的特性尺寸。

● 有效鏡區(qū)面積較大,在使用射線跟蹤法時難以確定鏡像的準(zhǔn)確入射角。

● 在低頻時難以精確地預(yù)判或預(yù)測墻面吸波材料在偏離垂直投射時的反射系數(shù)。

● 難以精確測量吸波材料的反射系數(shù)的相位。因而僅能計(jì)算DUT測試區(qū)場的有效值(RMS)及和的平方根值(RSS),如此只能提供近似值。

● 在VHF和UHF頻段,許多情況都是基于吸波材料在2GHz以上斜入射時反射系數(shù)的遞減曲線來近似的,這種外推法對許多暗室就相當(dāng)不精確。

最有效的常用的對射線跟蹤法的改進(jìn)是口徑積分法,即從側(cè)墻反射進(jìn)入測試區(qū)的反射場是用整個口徑的基爾霍夫(Kirchhoff)積分計(jì)算(包括側(cè)墻、頂棚或地面),測試區(qū)內(nèi)場是反射場與源天線輻射場的疊加。雖然這種方法比較好的適用于暗室的分析,但所得到的精度仍受到限制,這是由于所用的吸波材料垂直和斜投射時反射系數(shù)的信息(兩個交叉極化的幅度和相位)的限制。如前所述,對UHF和VHF頻段就更成問題了。此外,無論口徑積分法還是射線跟蹤法對此頻段的暗室內(nèi)多重反射都是無法計(jì)算,但這又是很重要的。

一不精確的暗室分析的后果

由于缺乏對暗室性能的精度預(yù)估可能導(dǎo)致暗室的設(shè)計(jì)不是最佳。然而是不是最佳性能也不總是能判斷出來的,例如在測試區(qū)內(nèi)場探測也可能表示不出場變化和起伏的全貌,那是由于在低頻時室內(nèi)表面反射和直射造成的干涉圖的波動周期較長的緣故。為了保證適當(dāng)?shù)陌凳倚阅?暗室場強(qiáng)探測應(yīng)在盡可能的整個頻帶內(nèi)進(jìn)行,在測試區(qū)內(nèi)整個頻帶上的場強(qiáng)鋸齒形起伏變化應(yīng)加以標(biāo)注,多次匹配調(diào)整收發(fā)極化時在整個頻帶內(nèi)記錄下來的信號起伏小就說明了暗室的性能比較好。

二三維電磁仿真

電磁,物理概念之一,是物質(zhì)所表現(xiàn)的電性和磁性的統(tǒng)稱。如電磁感應(yīng)、電磁波等等。電磁是法拉第發(fā)現(xiàn)的。電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于電荷運(yùn)動產(chǎn)生波動。形成磁場,因此所有的電磁現(xiàn)象都離不開磁場。電磁學(xué)是研究電磁和電磁的相互作用現(xiàn)象,及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。麥克斯韋關(guān)于變化電場產(chǎn)生磁場的假設(shè),奠定了電磁學(xué)的整個理論體系,發(fā)展了對現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù),深刻地影響著人們認(rèn)識物質(zhì)世界的思想。另:電磁,系日本動畫《神奇寶貝》的人物之一的中文名。湖濱道館的訓(xùn)練家,湖濱市太陽能塔的制造者。

ORBIT/FR公司用商用變換解算軟件包完美的完成了低頻暗室的性能仿真。采用三維時域技術(shù)計(jì)算仿真的低頻暗室性能典型的仿真結(jié)果如下所述。

主要的分析是對室內(nèi)感興趣地點(diǎn)的場均勻性進(jìn)行分析,譬如DUT測試區(qū)及隨后決定的暗室內(nèi)的幅度錐削及紋波、相位變化和導(dǎo)致的交叉極化電平。這些量都是與如下參數(shù)有關(guān):

● 吸波材料的布局與品質(zhì)。

● 源天線/DUT的間距。

● 工作頻率。

● 源天線波束寬度。

● DUT轉(zhuǎn)臺情況。

● DUT支撐結(jié)構(gòu)形狀和材料情況。

通過這些分析就能提供出關(guān)于源天線與DUT的距離和位置、吸波材料的布局情況的信息,以致于能夠做到達(dá)到所需性能的暗室最小尺寸。

三暗室的模型法

對于暗室模擬最有效的方法就是建立各種不同類型吸波材料的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫,如角錐材料、楔型材料、復(fù)合材料(如角錐背面復(fù)合鐵氧體瓦)、吸波地板材料等。每種類型材料都有不同尺寸,如角錐材料有從5厘米高到2.4米的高度,對UHF和VHF頻段有更高的高度,典型的有0.9~2.4米。把材料的負(fù)載特性輸入并儲存在數(shù)據(jù)庫內(nèi),這是基于整個頻段材料特性ε′(f)、ε″(f)、μ′(f)、μ″(f)的測量而來的。材料的精確特性是用于模擬的最重要的參數(shù)之一。

圖1 a 暗室設(shè)計(jì)的等距線觀察圖 b 吸波材料在地板上的布局

圖1中給出一個典型暗室設(shè)計(jì)案例,吸波材料的布局包括不同類型不同級別的材料,暗室尺寸:H=6m、W=6m、L=10m,工作頻率低至150MHz.地面包括安置在對角線上"鏡像區(qū)"的龜背突起,在地面遠(yuǎn)端可用低檔次角錐和楔狀材料。轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)是用玻璃鋼纖維塔支撐DUT,走道材料也表示在布局中,當(dāng)然對它們都要進(jìn)行模擬。

四吸波材料的布局和等級品質(zhì)的最佳選擇

此處討論了吸波材料的布局和等級品質(zhì)對測試區(qū)性能的效應(yīng),假設(shè)暗室布局與前述類似,測試區(qū)性能和比較是在兩種情況下進(jìn)行的。即接收端墻(暗室主墻)和"龜背突起"部分分別布設(shè)0.9米或1.2米高角錐吸波材料,測試區(qū)的場強(qiáng)以等值線形式在測試區(qū)中心切面表示的,仔細(xì)觀察明顯看出場強(qiáng)b狀況比a狀況更均勻,也就是說用1.2米高角錐更優(yōu)越。也可以看出側(cè)墻的反射(相應(yīng)H面入射)比地面或頂棚反射(相應(yīng)E面入射)要大,故產(chǎn)生在測試區(qū)的場分布形成橢圓型。

a 用0.9米角錐吸波材料

b 用1.2米角錐吸波材料

圖2 以測試區(qū)中心點(diǎn)歸算的測試區(qū)的場軌跡.

五源天線與DUT距離對測試區(qū)性能的效應(yīng)

對VHF和UHF頻段來說,源天線和DUT之間的間距是一個重要的參數(shù),它能強(qiáng)烈影響測試區(qū)的性能。眾所周知,對微波頻率(>2GHz)大入射角,譬如 65度,吸波材料的吸波性能也相當(dāng)好。但對VHF和UHF頻段在較大的入射角時吸波性能大大惡化。圖3所示是收發(fā)天線不同間距時的暗室測試區(qū)場強(qiáng)等值線。

a 間距3米

b 間距6米

圖3 以源天線與DUT間距為參數(shù)測試區(qū)場軌跡圖

3米間距對側(cè)墻、地板和天花板的入射角近似27度。

6米間距對側(cè)墻、地板和天花板的入射角近似45度。

可以明顯看出間距會導(dǎo)致不期望不要求的測試區(qū)橫截面的場擾動,在測試區(qū)中心很小的地方電波場結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不穩(wěn)定,這可導(dǎo)致頻率速變,結(jié)果就是在測試區(qū)難以控制場的均勻性。

六源天線波束寬度對測試區(qū)性能的效應(yīng)

在設(shè)計(jì)暗室時另一個重要參數(shù)就是源天線的波束寬度。如前所述,暗室內(nèi)H面的反射本征上就比E面大,能夠減少源天線波束寬度來改進(jìn)本來就不太大的反射。然而如果太大減少波束寬度會導(dǎo)致幅度錐削變大和減小測試區(qū)尺寸,對VHF和UHF頻段來說減少波束寬度也不太容易,因?yàn)檫@需要增加源天線的尺寸,這對暗室是不實(shí)際的。源天線的最佳選擇比暗室結(jié)構(gòu)更重要,因而說電磁仿真是一很重要的工具。

圖4 對數(shù)周期振子源天線H面方向圖

a 單對數(shù)周期陣子天線 3dB BW=106°

b 雙對數(shù)周期振子天線 3dB BW=73°

圖4中表明了仿真實(shí)例,單對數(shù)周期振子天線和間距為半波長、雙對數(shù)周期振子天線源天線所形成的測試區(qū)場等值線圖和它們的差別。觀察圖5的等值線圖可以看出雙對數(shù)周期天線陣產(chǎn)生比較均勻的場,顯示出場接近圓對稱的軌跡線。

a 單隊(duì)數(shù)周期振子天線,3dB BW=106°

b 雙對數(shù)周期振子天線,3dB BW=73°

圖5 用不同源天線獲得的測試區(qū)的場軌跡圖

七轉(zhuǎn)臺等設(shè)備對測試區(qū)性能的效應(yīng)

圖6 計(jì)入轉(zhuǎn)臺、走道和玻璃鋼纖維塔后的測試區(qū)場強(qiáng)圖

在任何暗室內(nèi)轉(zhuǎn)臺和走道吸波材料對操作人員接近DUT都是必須的,結(jié)果就是由于它們相當(dāng)近接近測試區(qū),就會引起不需要的和不可控制的測試區(qū)場擾動,尤其是在低頻段它們在測試區(qū)內(nèi)的效應(yīng)通常難以或無法估算。電磁三維計(jì)算仿真就是能夠事先計(jì)入和估算它們對測試區(qū)影響的工具。圖6就表示出轉(zhuǎn)臺和支撐DUT的玻璃鋼纖維塔是如何影響測試區(qū)性能的。明顯的是場可能喪失最重要的對稱性和造成場的峰值(或測試區(qū)的中心)向上移動甚至于到DUT位置之上。當(dāng)然在轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)上裝上吸波材料可以減小這些效應(yīng)。

八結(jié)論

對于低頻段VHF和UHF的三維電磁分析系統(tǒng)是用時域軟件完成的,引入以前所用過分析方法的足夠多的優(yōu)點(diǎn)就是能獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的測試區(qū)的特性。就能做出比較好的性價(jià)比和設(shè)計(jì)高性能的暗室?？梢员辉u價(jià)的性能因素有:

● 在布置上各種特性各種級別的吸波材料后對測試區(qū)性能能夠全波段進(jìn)行分析。

● 限定最佳的源天線與DUT的間距,它們是頻率的函數(shù)。

● 源天線的最佳選擇。

● 分析DUT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的效應(yīng)以及吸波地板對測試區(qū)的影響。

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