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

微波暗室,亦稱電波暗室。當電磁波入射到墻面、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。在暗室內做天線、雷達等無線通訊產品和電子產品測試可以免受雜波干擾,提高被測設備的測試精度和效率。

隨著電子技術的日益發(fā)展,微波暗室被更多的人了解和應用。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)電磁波在介質中從低磁導向高磁導方向傳播的規(guī)律,利用高磁導率吸波材料引導電磁波,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:

● 鏡像區(qū)的反射足以影響DUT測試區(qū)的品質,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確入射角。

● 在低頻時難以精確地預判或預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不精確。

最有效的常用的對射線跟蹤法的改進是口徑積分法,即從側墻反射進入測試區(qū)的反射場是用整個口徑的基爾霍夫(Kirchhoff)積分計算(包括側墻、頂棚或地面),測試區(qū)內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多重反射都是無法計算,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估可能導致暗室的設計不是最佳。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?shù)陌凳倚阅?暗室場強探測應在盡可能的整個頻帶內進行,在測試區(qū)內整個頻帶上的場強鋸齒形起伏變化應加以標注,多次匹配調整收發(fā)極化時在整個頻帶內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,是物質所表現(xiàn)的電性和磁性的統(tǒng)稱。如電磁感應、電磁波等等。電磁是法拉第發(fā)現(xiàn)的。電磁現(xiàn)象產生的原因在于電荷運動產生波動。形成磁場,因此所有的電磁現(xiàn)象都離不開磁場。電磁學是研究電磁和電磁的相互作用現(xiàn)象,及其規(guī)律和應用的物理學分支學科。麥克斯韋關于變化電場產生磁場的假設,奠定了電磁學的整個理論體系,發(fā)展了對現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術,深刻地影響著人們認識物質世界的思想。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。采用三維時域技術計算仿真的低頻暗室性能典型的仿真結果如下所述。

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

  ● 吸波材料的布局與品質。

  ● 源天線/DUT的間距。

  ● 工作頻率。

  ● 源天線波束寬度。

  ● DUT轉臺情況。

  ● DUT支撐結構形狀和材料情況。

通過這些分析就能提供出關于源天線與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準數(shù)據(jù)庫,如角錐材料、楔型材料、復合材料(如角錐背面復合鐵氧體瓦)、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。把材料的負載特性輸入并儲存在數(shù)據(jù)庫內,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 暗室設計的等距線觀察圖 b 吸波材料在地板上的布局

圖1中給出一個典型暗室設計案例,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,在地面遠端可用低檔次角錐和楔狀材料。轉臺系統(tǒng)是用玻璃鋼纖維塔支撐DUT,走道材料也表示在布局中,當然對它們都要進行模擬。

四 吸波材料的布局和等級品質的最佳選擇

此處討論了吸波材料的布局和等級品質對測試區(qū)性能的效應,假設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行的。即接收端墻(暗室主墻)和"龜背突起"部分分別布設0.9米或1.2米高角錐吸波材料,測試區(qū)的場強以等值線形式在測試區(qū)中心切面表示的,仔細觀察明顯看出場強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。也可以看出側墻的反射(相應H面入射)比地面或頂棚反射(相應E面入射)要大,故產生在測試區(qū)的場分布形成橢圓型。

a 用0.9米角錐吸波材料

圖2 以測試區(qū)中心點歸算的測試區(qū)的場軌跡.

五 源天線與DUT距離對測試區(qū)性能的效應

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)場強等值線。

圖3 以源天線與DUT間距為參數(shù)測試區(qū)場軌跡圖

3米間距對側墻、地板和天花板的入射角近似27度。

6米間距對側墻、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構表現(xiàn)不穩(wěn)定,這可導致頻率速變,結果就是在測試區(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

在設計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本來就不太大的反射。然而如果太大減少波束寬度會導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,因為這需要增加源天線的尺寸,這對暗室是不實際的。源天線的最佳選擇比暗室結構更重要,因而說電磁仿真是一很重要的工具。

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)周期天線陣產生比較均勻的場,顯示出場接近圓對稱的軌跡線。

a 單隊數(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 轉臺等設備對測試區(qū)性能的效應

圖6 計入轉臺、走道和玻璃鋼纖維塔后的測試區(qū)場強圖

在任何暗室內轉臺和走道吸波材料對操作人員接近DUT都是必須的,結果就是由于它們相當近接近測試區(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)內的效應通常難以或無法估算。電磁三維計算仿真就是能夠事先計入和估算它們對測試區(qū)影響的工具。圖6就表示出轉臺和支撐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。當然在轉臺系統(tǒng)上裝上吸波材料可以減小這些效應。

八 結論

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)點就是能獲得相當準確的測試區(qū)的特性。就能做出比較好的性價比和設計高性能的暗室?？梢员辉u價的性能因素有:

  ● 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設備系統(tǒng)所產生的效應以及吸波地板對測試區(qū)的影響。

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