混響室

電波混響室是一個(gè)電大尺寸且具有高導(dǎo)電反射墻面構(gòu)成的屏蔽腔室，腔室中通常安裝一個(gè)或幾個(gè)機(jī)械式攪拌器或調(diào)諧器，通過攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)改變腔室的邊界條件，進(jìn)而在腔室內(nèi)形成統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性和隨機(jī)極化的電磁環(huán)境。

在國內(nèi)，關(guān)于混響室的名稱多種多樣，公開發(fā)表的論文中出現(xiàn)的名稱包括"電波混響室"、"EMC混響室"、"電磁混響室"、"電磁混波室"等。為避免混淆，一方面，考慮到在形式上與另一種傳統(tǒng)意義的電磁兼容測(cè)試平臺(tái)"電波暗室"一致，比較習(xí)慣，也便于區(qū)分和理解;另一方面，在聲學(xué)領(lǐng)域，"混響室"使用更廣泛，而"混波室"使用比較少，而且混響室最初是借鑒聲學(xué)研究中"混響室"的概念，所以有學(xué)者建議在國內(nèi)統(tǒng)一使用"電波混響室"這一名詞。

電波混響室技術(shù)研究的早期，在電磁兼容性測(cè)試技術(shù)中引人混響室測(cè)試平臺(tái)的初衷主要是混響室可以利用較小的功率輸入獲得強(qiáng)輻射場(chǎng)。

由于電波混響室提供的電磁環(huán)境具有以下特性:空間均勻，室內(nèi)能量密度各處一致;各向同性，在所有方向的能量流是相同的;隨機(jī)極化，所有的波之間的相角以及它們的極化是隨機(jī)的。所以混響室可用于多種涉及輻射場(chǎng)的測(cè)量其中包括:

l 輻射抗擾度和輻射發(fā)射測(cè)量。在混響室內(nèi)可形成各向同性、均勻的場(chǎng)，因而特別適合進(jìn)行輻射抗擾度測(cè)量，尤其是對(duì)于大型的EUT

l 屏蔽效能測(cè)量。對(duì)屏蔽襯墊、屏蔽材料的屏蔽效能測(cè)量的特點(diǎn)是在大的混響室內(nèi)設(shè)置另外一個(gè)較小的屏蔽殼體，并在此殼體內(nèi)對(duì)由屏蔽材料泄漏進(jìn)入的場(chǎng)也進(jìn)行模攪拌，并分別接收混響室中及屏蔽殼體內(nèi)電磁場(chǎng)的功率，從而求得屏蔽效能。

l 天線效率測(cè)量。在天線參數(shù)測(cè)量中，天線效率的測(cè)量是比較困難的。這主要是由于測(cè)量一付天線在全部立體角范圍內(nèi)輻射的總功率是十分困難的。因?yàn)槿魏我桓秾?shí)用的天線都不可能是完全全向的，不同立體角的輻射功率密度也是不同的。但這些困難在混響室測(cè)量中不復(fù)存在。

在無線通信領(lǐng)域，利用電波混響室的多反射形成的漫射場(chǎng)模擬無線通信中的多入多出環(huán)境。其研究內(nèi)容較多，比如汽車內(nèi)部的超寬帶通信等。

目前，應(yīng)用最多、標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可、運(yùn)行比較可靠的電波混響室是機(jī)械攪拌式混響室，又稱模式攪拌式混響室(Mode Stirred Reverberation Chamber)，它是在高反射腔體內(nèi)，安裝一個(gè)或多個(gè)機(jī)械式攪拌器，通過攪拌器的連續(xù)或者步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)改變邊界條件，從而在腔室內(nèi)形成統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性、隨機(jī)極化的場(chǎng)。此外，在混響室的研究中，不少學(xué)者提出了其他一些也能實(shí)現(xiàn)電磁混響的設(shè)計(jì)方案，這里做一簡單介紹。

(1)擺動(dòng)墻(Moving Wall)式混響室。

1992年，Huang Yi等提出采用擺動(dòng)墻方案。由于混響室墻體的擺動(dòng)，使室內(nèi)體積不斷變化.從而連續(xù)改變空腔的諧振條件而達(dá)到混響的目的，但這種裝置的實(shí)際實(shí)現(xiàn)有一定困難。2002年，N.K.Kouveliotis等用FDTD方法仿真計(jì)算了擺動(dòng)墻混響室的品質(zhì)因數(shù)Q和場(chǎng)均勻性.并通過建模、仿真其對(duì)EUT進(jìn)行了測(cè)試，考察了擺動(dòng)墻混響室產(chǎn)生混響的性能。

(2)漫射體式混響室。

1997年，M.Petirsch等提出將建筑聲學(xué)中對(duì)聲波反射的Schroeder漫射體用于改善混響室內(nèi)電磁波的諧振，并用數(shù)值方法分別計(jì)算了帶有和不帶有漫射體的混響室內(nèi)電磁場(chǎng)的分布情況，結(jié)果表明漫射體改善了室場(chǎng)內(nèi)的均勻性。

(3)波紋墻式混響室。

1998年，E.A.Godfrey等提出了一種波紋墻的混響室結(jié)構(gòu)方案，并探討了在一個(gè)小型混響室內(nèi)(1.8m×1.2 m×0.8m)采用波紋墻對(duì)場(chǎng)均勻性的影響，考察的頻率范同為150MHz~650MHz，實(shí)驗(yàn)分別在平面鋁墻和鋼波紋墻混響室內(nèi)進(jìn)行，對(duì)比兩種條件下的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，波紋墻有利于改善混響室內(nèi)的場(chǎng)均勻性。

(4)源攪拌混響室。

1992年，Y.Huang和D.J.Edwards提出源攪拌的方法。它通過在測(cè)試中移動(dòng)天線的位置或控制天線陣中不同天線的發(fā)射信號(hào)的方法改變測(cè)試中源的位置，達(dá)到混響的目的。它的基本原理是改變混響室中各本征模的權(quán)重因子。這種方法由于不用機(jī)械攪拌器，使得測(cè)試空間增大，而且還能改善混響室的低頻性能，所以至今仍有人對(duì)之進(jìn)行研究，這些研究用本征函數(shù)疊加的方法推導(dǎo)了混響室有源激勵(lì)的電磁場(chǎng)分布公式，并提出了對(duì)稱模與反對(duì)稱模發(fā)射的方法(即源攪拌方法)，從理淪上證實(shí)了利用源攪拌實(shí)現(xiàn)混響的可行性，一定條件下在低模狀態(tài)下可獲得均勻場(chǎng)，并且模擬的結(jié)果證實(shí)了數(shù)據(jù)推導(dǎo)的正確性，為混響室在低于最低可用頻率的分析提供了可行的方法。

(5)頻率攪拌混響室

1994年，David A.Hill提出頻率攪拌的方法。其二維的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，用中心頻率為4GHz、帶寬為10MHz的線源激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)的均勻性很好，其三維分布情況還有待進(jìn)一步分析。此外，非零帶寬對(duì)敏感度測(cè)試的影響有待進(jìn)一步分析。在輻射發(fā)射測(cè)試中，由于不能控制受試設(shè)備(EUT)的頻譜，是否還能用頻率攪拌的方法進(jìn)行測(cè)試有待研究。

(6)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)(或固有)混響室

1998年，F(xiàn)rank B.J.Leferink等設(shè)計(jì)了一種新型混響室，它沒有任何兩個(gè)墻面是平行的，只有一個(gè)壁面垂直于其他墻面，混響室的長、寬、高尺寸不成比例，且在室內(nèi)某些位置安裝了漫射體。研究結(jié)果表明，其在沒有使用機(jī)械攪拌器的情況下產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)均勻的電磁場(chǎng)，使得測(cè)試時(shí)間相對(duì)于機(jī)械攪拌混響室而言大幅度減少。S.Y.Chung等還考察了"Schroeder diffuser"和"Randomly Made Diffuser"兩種不同漫射體在固有混響室中的應(yīng)用，并討論了漫射體安裝的位置和面積對(duì)混響室性能的影響。

由于機(jī)械攪拌式混響室是目前應(yīng)用最多、標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可、運(yùn)行比較可靠的電波混響室，所以在此以它來說明電波混響室的構(gòu)造。

如圖所示的是典型的混響室結(jié)構(gòu)與設(shè)備配置，它是由屏蔽腔體、攪拌器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射天線、接收天線(或場(chǎng)強(qiáng)計(jì))及控制設(shè)備等組成。

屏蔽腔體是由鍍鋅鋼板等高反射率金屬材料圍成的矩形空間，腔體容積越大，則內(nèi)部本征模數(shù)越多、最低可用頻率越低。

電磁場(chǎng)發(fā)射和接收設(shè)備包括射頻或微波信號(hào)源、功率放大器、頻譜分析儀、光纖場(chǎng)強(qiáng)汁、控制計(jì)算機(jī)及測(cè)控軟件等。

機(jī)械攪拌式混響室(也稱模調(diào)諧式混響室或模攪拌式混響室)都安裝有攪拌器.它由貫通混響室的單根或多根轉(zhuǎn)軸及其附帶的金屬反射板構(gòu)成，通過外部電機(jī)以步進(jìn)或連續(xù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。攪拌器是混響室的一個(gè)重要特征和標(biāo)志，攪拌器選擇得是否合理將直接影響到混響室的效果。

機(jī)械攪拌式混響室就是靠攪拌器的旋轉(zhuǎn)不斷改變金屬腔體邊界條件，從而得到隨機(jī)極化、統(tǒng)計(jì)均勻的電磁場(chǎng)。從電磁散射的角度來講，攪拌器和混響室墻面都會(huì)對(duì)發(fā)射天線饋入混響室內(nèi)的電磁波進(jìn)行多次反射和散射，由于攪拌器和混響室墻壁均為金屬導(dǎo)體，吸收損耗較小，經(jīng)過多次反射和散射后的信號(hào)相互疊加，使混響室內(nèi)空間部分位置的功率密度增大.形成較強(qiáng)的空問場(chǎng)強(qiáng)，而有些位置則有可能因反相位疊加使場(chǎng)強(qiáng)削弱。通過攪拌器的運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)改變攪拌器的反射特性和散射特性.從而隨機(jī)改變空間最大場(chǎng)強(qiáng)值的位置，使測(cè)試區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)均能達(dá)到所期望的最高場(chǎng)強(qiáng)。另外，由于攪拌器和混響室墻面的隨機(jī)散射，電磁波的極化方向也變得混亂和隨機(jī)，從而形成統(tǒng)計(jì)意義上的均勻和各向同性。

到達(dá)混響室測(cè)試點(diǎn)的電磁波包括直射波和反射波:前者是未經(jīng)過攪拌器攪拌(反射)而到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的電磁波;后者是經(jīng)過攪拌器攪拌(反射)后到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的，這類電磁波是隨機(jī)的，它們?cè)诨祉懯抑挟a(chǎn)生隨機(jī)均勻的電磁場(chǎng)。為得到統(tǒng)計(jì)均勻場(chǎng)，應(yīng)盡量減少混響室內(nèi)部未經(jīng)過攪拌器攪拌的直射電磁波，從這個(gè)角度來說，攪拌器面積越大越好。特別是在下限工作頻率附近，混響室機(jī)械攪拌調(diào)諧器的尺寸不能過小，否則，電磁波在槳葉附近發(fā)生繞射，不能實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)的有效攪拌，因此，攪拌器的形狀和幾何尺寸是影響機(jī)械攪拌混響室性能的重要因素，應(yīng)根據(jù)混響室的使用頻率范圍及屏蔽殼體內(nèi)部空間大小沒計(jì)。

通常認(rèn)為:攪拌器的尺寸應(yīng)不小于工作波長的兩倍。IEC 61000-4-2l標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定攪拌器尺寸至少為最低可用頻率波長的1/4.每個(gè)攪拌器相對(duì)于混響室的總尺寸來說應(yīng)陔盡可能大，在這個(gè)方向的尺寸至少為混響室最小尺寸的3/4。另外,在攪拌器旋轉(zhuǎn)一周的過程中，混響室內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)重復(fù)的場(chǎng)分布。

攪拌器的攪拌效果用攪拌器效率(或稱攪拌比)來表示，攪拌器效率是指混響室輸入功率不變的情況下，攪拌器旋轉(zhuǎn)一周時(shí)混響室內(nèi)任意一點(diǎn)在任意方向上的場(chǎng)強(qiáng)最大值與最小值之比?；祉懯覕嚢杵餍实母叩停饕憩F(xiàn)為攪拌器攪拌時(shí)對(duì)混響室本征模頻率產(chǎn)生多大的漂移，模頻率漂移得越多，說明攪拌器的效率越高。為了保證混響室攪拌均勻，攪拌器對(duì)電磁場(chǎng)散射的隨機(jī)性越大越好。在攪拌器沒計(jì)安裝好后，應(yīng)對(duì)攪拌器和攪拌步數(shù)進(jìn)行相關(guān)性測(cè)試。

攪拌器根據(jù)反射板結(jié)構(gòu)分為直葉、折葉及齒葉等類型，如下圖所示。其中，直葉攪拌器成本較低，但是折葉和齒葉攪拌器需要更加強(qiáng)大的動(dòng)力控制系統(tǒng)來支持。從綜合性價(jià)比考慮，目前折葉攪拌器應(yīng)用較多，齒葉攪拌器往往是與直葉攪拌器或者折葉攪拌器配合使用的，其主要目的是提高攪拌效率，尤其是在低頻段。

攪拌器雖然有各種形狀，但其設(shè)計(jì)通常應(yīng)遵循以下原則:

A、最大尺寸應(yīng)不小于混響室最大尺寸的75%。

B、攪拌器旋轉(zhuǎn)直徑應(yīng)不小于最低使用頻率波長的l/4。

C、攪拌器優(yōu)選非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，保證混響室在任意角度下不出現(xiàn)相同邊界條件。

D、為增加測(cè)試空間，攪拌器通常安裝在角落位置。

E、應(yīng)選擇高反射率材料。

攪拌器材料選擇綜合考慮反射率、成本、重量等因素，銅的反射率足1.0，鋁的反射率是0.6，鋅的反射率是0.3，鋼的反射率是0.1。顯然，銅的反射率最高，但銅攪拌器重量大、成本高。因此，鋁是機(jī)械攪拌器最常用的材料，考慮到鋁性質(zhì)活潑，應(yīng)做表面抗氧化處理。

混響室中攪拌器的攪拌速度直接影響到混響室在低頻段的攪拌效果和場(chǎng)均勻性。通常攪拌分為定速和變速兩種模式，從理論上講，攪拌器的速度越高則場(chǎng)均勻性越好，但高速度必須有大功率、高轉(zhuǎn)速電機(jī)帶動(dòng)，導(dǎo)致建造成本增加。另外，考慮到接收機(jī)也存在響應(yīng)時(shí)問，過高的攪拌速度使測(cè)試儀器來不及響應(yīng)，也不利于測(cè)試空間建立穩(wěn)定的電磁場(chǎng)。目前，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的混響室攪拌器轉(zhuǎn)速通常在10r/min~30r/min之間。

攪拌器根據(jù)安裝數(shù)量可劃分為單攪拌器、雙攪拌器和多攪拌器等類型。攪拌器的數(shù)量會(huì)影響下列指標(biāo):

l 混響室內(nèi)電磁場(chǎng)分布的均勻性;

l 是混響室內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度;

l 建立均勻場(chǎng)的時(shí)間;

l 混響室內(nèi)有效測(cè)試空間的大小。

通常情況下，單攪拌器由于攪拌維數(shù)低，造成響應(yīng)時(shí)間、均勻度、實(shí)際可用空間尺寸等都受影響，并且需要大馬力電機(jī)驅(qū)動(dòng)。三維攪拌器的響應(yīng)時(shí)間較快，但本身體積大，減少了有效測(cè)試空間，因此從成本、效果等因素綜合考慮。

混響室一詞在聲學(xué)領(lǐng)域和電磁學(xué)領(lǐng)域都有應(yīng)用，其實(shí)，電磁學(xué)領(lǐng)域混響室一詞是源于聲學(xué)領(lǐng)域的，但是現(xiàn)在這兩個(gè)領(lǐng)域的很多人都直接用混響室一詞而不加區(qū)分。在這里，為了區(qū)分二者，將聲學(xué)領(lǐng)域的混響室稱為聲學(xué)混響室，將電磁學(xué)領(lǐng)域的混響室稱為電波混響室。

混響室法 將試件暴露在一無規(guī)入射的擴(kuò)散聲場(chǎng)中，在聲源突然停止后，測(cè)量其混響時(shí)間，如已知空室(即未安裝試件時(shí))的混響時(shí)間，即可算出試件的吸聲系數(shù)□□。

混響室的體積由下式?jīng)Q定: □□4□□式中□ 為混響室的體積(米□);□為測(cè)量的最低頻率所對(duì)應(yīng)的波長(米)。通常□ ≈200米□。混響室的長、寬、高之比應(yīng)成調(diào)和級(jí)數(shù),而□□□1.9□□。其混響時(shí)間應(yīng)滿足下表的要求:

125~500赫 1000赫 2000赫 4000赫

>5秒 >4.5秒 >3.5秒 >2.0秒

為了獲得較好的擴(kuò)散聲場(chǎng)，應(yīng)在混響室內(nèi)布置擴(kuò)散體、擴(kuò)散板或足夠大的轉(zhuǎn)帆。實(shí)驗(yàn)證明，擴(kuò)散板總面積如等于地面面積50%以上，即能滿足使用要求。轉(zhuǎn)帆面積一般為10平方米左右，每分鐘旋轉(zhuǎn)2~10轉(zhuǎn)。

測(cè)量混響時(shí)間所用的信號(hào)源是多種多樣的，有囀聲、白噪聲、粉紅噪聲。在劇場(chǎng)測(cè)量混響時(shí)間時(shí)，有時(shí)用發(fā)令槍、鞭炮或者交響樂隊(duì)。通常以粉紅噪聲加1/3倍頻帶或倍頻帶濾波器做聲源。在信號(hào)源和濾波器之間加一開關(guān)，作為切斷信號(hào)之用。如功率放大器質(zhì)量不高，揚(yáng)聲器會(huì)在切斷信號(hào)后仍發(fā)出交流聲，影響測(cè)量。因此，最好在功率放大器和揚(yáng)聲器之間加接開關(guān)，用短路揚(yáng)聲器的方法切斷聲源;但在這種情況下應(yīng)加一假負(fù)載，以防止燒毀功率放大器。

接收器應(yīng)使用頻響較好的電容傳聲器，經(jīng)頻譜儀選頻放大后的信號(hào)輸給級(jí)記錄儀，用10或30毫米每秒的記錄紙速將混響衰變曲線記錄下來。測(cè)試規(guī)范要求每個(gè)頻帶要有三個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)要記錄三條以上合格的衰變曲線:曲線衰變量要在30分貝以上，曲線不能是折線或弧線。在測(cè)量時(shí)，要選擇合適的紙速，使衰變曲線與底線的夾角在45°左右。將每個(gè)頻帶的合格衰變曲線用計(jì)算圓盤量出其混響時(shí)間，取其平均值，即為該頻率的混響時(shí)間?，F(xiàn)在有測(cè)量混響的專用設(shè)備，可直接測(cè)出混響時(shí)間。

在混響室中測(cè)量時(shí)，聲源應(yīng)放在墻角處，其聲功率應(yīng)足夠大;傳聲器位置應(yīng)符合測(cè)試規(guī)范要求。通常，將試件放在地面上，長寬應(yīng)符合一定比例,即1:0.7。試件面積約10米□。如果試件為空間吸聲體時(shí),則應(yīng)將其懸掛在天花板上。測(cè)量時(shí)，應(yīng)同時(shí)測(cè)量空室(未放試件)和滿室(已放試件)的混響時(shí)間。對(duì)于空氣吸收的影響可以忽略，或者進(jìn)行修正(在高頻)。

混響室法測(cè)量的吸聲系數(shù)按下式計(jì)算:

□

□式中Δ□為材料或結(jié)構(gòu)的總吸聲量;□為空氣中的聲速;□為混響室體積;□□和□□為滿室和空室的混響時(shí)間;□□和□□為滿室和空室的空氣吸收系數(shù);□□為材料或結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù);□為試件總面積。如滿室和空室同時(shí)測(cè)定,則□□=□□，式中4(□□-□□)一項(xiàng)可以忽略。