利用有限元法分析EMC暗室的NSA.pdf

利用有限元法分析EMC暗室的NSA孟东林,沙 斐(北京交通大学电子与信息工程学院电磁兼容实验室,北京100044)摘 要:EMC暗室是最常用的电磁兼容测试场地,常受限于低频性能。为了在建造EMC暗室之前,对其低频性能作准确的预测分析,利用平面分层等效模型来模拟暗室中的角锥吸波体,研究了暗室的不同墙面铺设不同吸波材料时其性能的变化情况。仿真结果表明,适当增加钝口吸波体的高度能够显著改善暗室性能;在暗室4个墙位置中,处于第一菲涅尔区的侧墙(与电波传播方向平行)位置的吸波材料更加关键。实测数据的验证,表明上述方法分析暗室低频性能时准确可靠。关键词:电波暗室;射线追踪法;归一化场地衰减;吸波体;有限元法;电磁兼容中图分类号:TM935;U285文献标志码:A文章编号:100326520(2007)0920041205基金资助项目:北京交通大学“十五”重大科技专项基金项目资助(DXJ04002)。Project Supported by Key Science and Technology Foundation ofBeijingJiaotongUniversityDuringthe10thFive2yearPlan(DXJ04002).Analysis of NSA of Anechoic Chamber with FEMMENG Dong2lin,SHA Fei(EMC Lab,School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:An accurate method was introduced to simulate and analyze normalized site attenuation(NSA)of anechoicchambers(AC)in the low frequency range(30100 MHz)with the finite element method(FEM).The practicalpyramid absorbers were modeled by way of effective permittivity and planar layers,in order to reduce the mesh sizeof simulation.Since FEM was good at analyzing high loss,frequency2dependent and anisotropic media,the FEMwas adopted to simulate NSA of ACs,because NSA is a very important criterion for measuring the performance of asemi2AC.The principle,details of simulation,as well as programming flow chart was provided.The reflectivity oftwo heights of pyramid absorbers was also provided for convenience.Next the effects of different heights of absorb2ers lined in different side walls of an AC were studied with this method in order to find the right configuration of ab2sorbers before constructing an AC.The simulation results show that NSA of ACs can be improved by lengtheningpyramid absorbers.The absorbers in the first Fresnel zone are key to ACs;thus its performance can be improvedjust by optimize the absorbers in this zone.Finally,the simulation results are verified by practical measurement da2ta.In short,the performance of an AC at low frequency can be simulated with this method in a personal computer.Key words:anechoic chamber;open area test site(OATS);NSA;absorbers;finite element method;electromagneticcompatibility0 引 言电磁兼容(EMC)暗室是最重要的电磁兼容测试场地之一,其重要性体现为:EMC暗室不仅是国际标准和中国国家标准规定的电磁兼容测试的基本场地之一,而且建造EMC暗室的费用比较昂贵123。事实上,EMC暗室集中体现了多种电磁兼容技术。EMC暗室属于修正型半电波暗室,即电磁屏蔽壳体的四周墙壁和天花板均安装吸波材料,地面铺设良导体时,构成半电波暗室,本质上相当于半自由空间;目的是模拟开阔试验场,用于30 MHz18GHz的辐射发射测试;相应的指标为归一化场地衰减(Normalized Site Attenuation2NSA),标 准 有EN55022(1993212)和ANSI C63.421992(最新修订为ANSI C6314220034)等。半电波暗室地面铺设可搬迁吸波材料时,相当于全电波暗室;目的是模拟自由空间,用于辐射(射频)电磁场抗扰性测试;对应的指标为测试面场均匀性(Field Uniformity2FU),标准有IEC610002423和ENV50140等,中国国标为GB/T 176261321998。对于暗室的设计和建造527,已经由早期的先试验再整改的方法逐步过渡到采用射线追踪法在建造暗室之前对其性能作预测分析8。射线追踪法是一种高频近似方法,在低频(100 MHz)时分析暗室的性能误差较大9,因此人们采用各种全波分析方法,如矩量法(Method of Moments2MoM)10,11,有14第33卷 第9期2007年 9月高 电 压 技 术High Voltage EngineeringVol.33 No.9Sep.2007 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.限元法(Finite Element Method2FEM)12,时域有限 差 分 法(Finite2DifferenceTime2Domain2FDTD)13215等。其中文10,11推导出均值法计算公式;文12 仅对铺设铁氧体瓦的情况作了仿真;Ignacio根据模分析提出了一种安装了铁氧体瓦时的快速算法16,但是忽略了铁氧体瓦上层的聚氨酯角锥吸波材料的效果,对于没有铁氧体瓦仅安装角锥的暗室无法仿真。本文介绍了采用有限元法(FEM)来分析半电波暗室的归一化场地衰减(NSA),并用该方法研究暗室不同墙面的吸波体对NSA的影响情况。1 暗室全波分析方法 分层等效模型由于安装了吸波材料以后,暗室的结构异常复杂;吸波材料又是高色散和高损耗媒质,如果直接采用实际的角锥模型来建模,由于角锥形状复杂,采用全波分析方法所需网格数目非常庞大,根本无法在个人计算机中计算。针对这种情况,E.Kuester和C.Holloway根据角锥吸波体在其高度方向渐变、在其垂直方向周期性快变化的特点,推导出角锥吸波材料的平面分层的等效电磁参数近似公式(1)17:v=(1-g)0+gah=0(1+g2(a-0)(1+g)0+(1-g)a)v=(1-g)0+gah=0(1+g2(a-0)(1+g)0+(1-g)a),(1)其中0是真空中的介电常数,而a=ar-jal是吸波材料的介电常数6(ar、al分别为a实部、虚部);0是真空中的磁导率,a=ar-jal是磁性吸波材料的磁导率(ar、al分别为a实部、虚部);g代表吸波材料的占空比,v、h分别表示法向和切向的磁导率,v、h分别表示法向和切向的介电常数。法向为角锥方向,切向为与吸波材料角锥方向相垂直的方向。式(1)中法向公式是精确的,切向公式是近似的,误差为5%。公式(1)的本质是当频率较低时,角锥结构可以采用各向异性的多层平面来近似,即每一平面分层的材质都是各向异性的,且各层材质介电常数都不相同。原因是,沿角锥方向是慢变化,而沿与角锥相切的方向,是周期性的快变化。根据该公式,利用有限元法算得的实际吸波材料和等效分层以后的反射率比较见文18,关于场均匀性的有限元法仿真情况见文19。分层等效模型见图1。显然,上述等效分层模型是高色散、高损耗和各图1 暗室仿真的等效分层方法示意图Fig.1Schematic of effective layers for modelinganechoic chamber图2 电波暗室有限元法仿真流程Fig.2Flowchart of simulating anechoic chamber by FEM向异性的媒质。划分层数较多时比较接近实际吸波材料,但是计算时所需内存也越大。通常需要根据材料高度分成1020层,误差分析见文18。仿真流程见图2。2 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20。然而当吸波材料变长以后(即图3中的L+D值变大),入射角将变大(因为 发射天线Tx和接收天线Rx的间距必须恒定不变),见图3。入射角变大将导致吸波材料的反射率R变差,f为频率,见图4。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=20 cm、底座24Sep.2007HighVoltageEngineeringVol.33 No.9 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.图3 侧墙吸波材料长与入射角的关系Fig.3Relationship between absorbersheight and incident angle图4EMC164和EMC122反射率的比较Fig.4Comparison of reflectivity betweenEMC 164 and EMC122边长A=30 cm、角锥顶部钝口边长a=10 cm,角锥高度L=144 cm;EMC122吸波体尺寸为:D=20cm、A=30 cm、a=10 cm,L=102 cm。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1214 m718 m6 m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4。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。1)暗室地面为理想电导体(PEC),侧墙安装吸波体(分别为EMC164或EMC122),其余3个面均为理想吸波体。此时的NSA偏差D见图5,D为实际的NSA值与理论的NSA值之差。其中1 m、TM指发射天线距离金属地面高度为1 m,水平极化方式;1 m、TE指发射天线距离地面1 m,垂直极化方式。其余类推。对比图5(a)和(b)可见,当吸波体加长以后,暗室中的NSA性能变好,即增加侧墙上吸波体的高度有积极作用。2)当端墙安装吸波体,地面为PEC,侧墙为理想吸波体时的NSA偏差D见图6。图6中的(a)和图5 侧墙吸波材料性能对暗室NSA的影响Fig.5Role of side2w all absorbers on NSA图6 端墙吸波材料性能对暗室NSA的影响Fig.6Effect of end2wall absorbers on NSA(b)的结果再次说明:当吸波体加长以后,暗室的NSA性能会变好,即吸波体高度增加对NSA有积极作用。分别对比图5和图6中的(a)以及(b)可见,在安装同样的吸波体条件下,显然侧墙的吸波体性能更关键,即改善侧墙吸波体的性能,能更加显著的改善半电波暗室的NSA性能。地面为PEC,其余5个面均安装EMC164吸波体以后,得到的NSA偏差,见图7。显然,该性能不达标。本文仿真中相当于把吸波体安装在由理想导体(PEC)构成的屏蔽壳体中,但是实际的吸波体总是342007年9月高 电 压 技 术第33卷第9期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.安装在屏蔽铁壳上的,屏蔽铁壳在低频时对磁场具有一定吸收效果,因此铺设上述吸波体后,半电波暗室的实际效果会比仿真效果稍好一点,当然,为了提高半电波暗室性能,可采用更长的吸波体,或采用复合吸波体。Holloway等采用FDTD方法在时域作了仿真10。本文的结果是针对1214 m718 m6 m尺寸的半电波暗室(显然,该屏蔽壳体比一般3 m法电波暗室的屏蔽壳体大很多),是在32位PC机的限制下完成的,单个线程占用最高内存达到2GB。图8是屏蔽体1 260 cm780 cm600 cm的某电波暗室的实测数据。图8(a)是刚建造完的NSA偏差数据,发现在低频(37 MHz)不达标,后侧墙采用反射率降低23 dB的新吸波材料,其余条件不变所得实测数据,发现NSA性能明显好转(图8(b)。该实测结果也证明,改善侧墙吸波材料的性能,能够显著提高半电波暗室的性能。3 计算方法比较电波暗室通常采用的预测分析方法是射线追踪法,但是在低频时射线追踪法等高频近似法不再有效,导致采用该法分析暗室低频性能的误差很大。针对该问题,开始研究采用全波分析方法来预测暗室的低频性能。然而,对电波暗室直接做全波分析非常困难,因为吸波体是色散、有耗的,而且电波暗室中的吸波体数目庞大结构复杂,无论对计算能力还是内存容量的要求都很高。由于FEM非常适合计算高损耗和高色散媒质,且FEM采用四面体来离散划分网格,使得FEM能够比较准确地处理大型、复杂的结构。因此,本文在采用平面分层等效模型的基础上,采用FEM来计算电波暗室的低频性能。但需注意在低频时采用有限元法来分析电波暗室时,边界条件、模型中的网格划分优良情况等,都会影响计算精度。如果网格划分不合理,将产生12 dB的误差。此外,对于暗室的NSA仿真分析,相比场均匀性(FU)的仿真要困难一些,因此文14216均研究了此问题。本文除了阐释如何采用有限元法来预测分析电波暗室外,还重点研究了暗室的不同墙面上的吸波体的效果,目的是优化暗室吸波体的配置,节省成本。4 结 论a)通常电波暗室的低频性能较差,但是采用射线追踪法等方法预测的误差较大。采用本文介绍的图7 高度164 cm的吸波材料安装后所得NSAFig.7NSA of an anechoic chamber linedwith absorber EMC164图8 某电波暗室的实测NSAFig.8Measured NSA of an anechoic chamber方法能够准确的预测半电波暗室的低频性能。b)在半电波暗室的各个墙面上吸波体的重要程度并不完全相同,侧墙上的吸波体更加重要。c)目前出现了许多新型吸波体,如空心吸波体,甚至空壳状吸波体,而本文主要分析聚氨酯角锥吸波体。如何采用FEM来仿真分析安装了这些新型吸波体的电波暗室的性能,有待进一步研究。参考文献1 Lin G,Alvarado M J.Construction of a 102m semianechoicchamberJ.Compliance Engineering,2001,17(7):62.2 Ray P D,GreenJ.Trials and tribulations of building a modern EMCfacility C.IEEE International Symposium on ElectromagneticCompatibility:1.Washington,DC,USA,2000:2752280.3陈 嵩,沙 斐,王国栋,等.3 m法半电波暗室改造施工案例J.安全与电磁兼容,2005(增刊):34236.CHEN Song,SHA Fei,WANG Guo2dong,et al.Reconstruc2tion of a 3 meter semi2anechoic chamber J.Safety&EMC,2005(S):34236.4 ANSI C63.422003American national standard for methods of44Sep.2007HighVoltageEngineeringVol.33 No.9 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.measurement of radio2noise emissions from low2voltage electricaland electronic equipment in the range of 9 kHz to 40 GHz S,2003.5 Kurihara H,Yanagawa M,Suzuki Y,et al.Realization of 3msemi anechoic chamber by using 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