混响室条件下临界辐射干扰场强计算模型

为解决均匀场与混响室内辐射敏感度测试结果相关性较差的问题,利用统计学理论对混响室内场强直角分量及天线接收功率的统计特性进行分析,理论推导出基于受试设备干扰概率的混响室条件下临界辐射干扰场强计算模型。为验证该模型的正确性,以ETS 3142E型天线为受试设备分别在混响室及均匀场中进行临界辐射干扰场强测试,实验结果表明,利用该计算模型得出的临界辐射干扰场强值与均匀场测试结果吻合良好,平均相对误差可控制在2 dB以内,可将该模型应用于实际辐射敏感度测试。     

频率搅拌嵌套混响室场分布的统计特性

为明确频率搅拌方式下嵌套混响室内的场分布,在混响室电磁统计特性的基础上,对嵌套小室内外的场分布进行了理论研究,重点对小混响室开窗大小对场分布的影响进行了分析。当窗口为电大尺寸时,小混响室内外均服从瑞利分布;为电小尺寸时,参考车-车链路通信的统计特性,小混响室内部应满足双瑞利分布。在某大型混响室内,借助矢量网络分析仪,通过测试收、发天线间的散射参数S21,实现了样本数据的快速采集,并将样本数据与理论分布模型进行了拟合优度检验(KS检验),检验结果证明了假设分布的正确性。     

脉冲激励混响室测试区域电磁场均匀性

研究了电磁脉冲激励混响室内电磁波传播规律,通过仿真建模和实验两方面对脉冲激励混响室测试区域内电磁场均匀性进行了研究。提出了混响室时域均匀性的概念及其计算方法,并利用此方法计算了仿真和实验结果。结果表明:脉冲激励混响室内电磁环境无论在时域上还是频域上,均满足国际标准规定的均匀性要求;在一定空间内,混响室内也可以形成统计平均的脉冲场电磁环境;在混响室内进行电磁脉冲场的电磁敏感度测试是可行的。     

混响室条件下环境场强测量位置选取准则

针对在混响室条件下进行辐射敏感度测试时电磁环境场强难以度量的问题,分析了混响室内电场强度的统计特性,理论推导了有损混响室内场强空间相关系数表达式,并通过仿真分析验证了表达式的正确性。根据表达式得出有损混响室内相对距离大于半波长的两点间场强相互独立的结论,并由此推断出,混响室内环境场强测试位置与受试设备(EUT)距离应大于0.5倍波长,且应以此作为测量位置选取准则。采用仿真计算与实验验证相结合的方法分析了相对误差随测试点与EUT间相对距离的变化规律,对该准则进行了验证,结果表明,当测试点与EUT相对距离大于0.5时,相对误差能够保证在1.5 dB以内,可应用于实际混响室环境场强测试。     

基于柔性屏蔽材料混响室的设计与应用

利用柔性屏蔽材料不平整性使屏蔽腔内场环境易于满足各向同性、均匀分布、随机极化统计特征的特点,研究了三种不同柔性屏蔽材料搭建的模式搅拌混响室的可行性。在Z字形搅拌器的作用下通过测量得到低频场均匀性和高频归一化电场的概率密度函数,根据IEC 61000-4-21-2011标准和理想混响室模型验证了所搭建混响室的有效性。在此基础之上,通过实验测量分析了搅拌器转速、天线高度、天线位置对归一化电场概率密度函数(PDF)的影响,并利用所搭建混响室对加载开孔电大金属腔的电磁屏蔽效能进行了测试。研究结果表明利用柔性屏蔽材料搭建混响室具有较好的可行性。     

混响室的混沌特性及其场统计分布

采用有限元数值方法计算了理想和实际结构混响室的本征频率,将其本征频率间隔分布与量子混沌理论不同系综的理论分布进行对比分析,证明了实际结构混响室的系综为高斯正交系综,混响室为混沌系统。在此基础上,利用随机平面波假设将理想金属混响室内电场矢量本征函数表示为随机平面波的线性叠加,进而将混响室内电场表示为与横电磁波两种可能的极化方式对应的矢量本征函数展开式。根据矢量本征函数的概率分布得到了电场任一笛卡尔坐标分量服从2自由度的Rayleigh分布,总场服从6自由度的Rayleigh分布。用ETS HI-6105光纤电场探头对某混响室进行了电场分量值测量,比较了测量数据与理论模型的累积概率分布。结果表明,试验结果与理论模型符合较好,证明了电场统计分布模型的有效性。     

混响室发射天线位置优化仿真及实验

 为提高混响室测试区域的场均匀性,在分析发射天线影响场均匀性原理基础上,采用基于矩量法的电磁仿真软件FEKO对混响室仿真模型进行数值计算,通过与遗传算法相结合研究了混响室发射天线的位置对测试区域场均匀性的影响,得到了优化后发射天线位置及相应的表征混响室测试区域场均匀性的电场标准偏差值。优化后,测试区域场均匀性较优化前有所改善,并通过实验验证了该优化仿真方法的正确性。     

利用多馈源激励改善混响室的场均匀性

 研究了多馈源激励对混响室内场分布的影响。根据理想封闭矩形腔体内电磁场表达式,分析了混响室内场分布的影响因素;通过对比电场的最大值、分布标准差及各向同性等统计特征,重点研究了多馈源激励对腔体内场分布的影响。研究结果表明:采用多馈源激励可以有效地提高场均匀性,有利于构造均匀的电磁场环境。同时也证明了利用该方法在混响室中研究高功率微波效应的可行性。     

频率搅拌混响室原理及应用

从理论上分析了混响室采用频率搅拌的可行性,仿真计算和试验测量了频率搅拌混响室内部电场的均匀性和统计特性,探索了在屏蔽效能测试中的应用。研究结果表明:频率搅拌方法能够得到空间统计均匀的电场分布,电场直角分量的模值服从瑞利分布,并且频率越高电场的均匀性和统计特性越好。在频率搅拌混响室内部测试得到开缝小尺寸屏蔽体在1~10GHz频段的屏蔽效能约为15dB,与机械搅拌混响室测试结果基本一致。     

混响室的概率统计分析方法及其蒙特卡罗模拟

 提出了一种研究混响室问题的理论分析方法,从理想混响室的离散概率模型出发,采用蒙特卡罗模拟来获得室内电磁场量及其相关物理量的概率统计特性。运用该方法获得了混响室内若干场量（均为归一化值）的概率密度函数、室内一段均匀无耗单导体传输线的负载平均耦合截面及负载电流响应模值的概率分布,所得结果与已有文献给出的结果（包括由解析公式计算或测量所得的结果）吻合良好。由于蒙特卡罗方法的普适性,采用该方法可以获得任意待分析参量的全部概率统计特性（只要样本数足够大）。同时该方法无需针对具体混响室进行,只要在其测试区域能较好地与理想混响室的基本概率模型相吻合,就能给出较精确的计算结果,且其计算量远远小于基于全波分析的蒙特卡罗方法。     

宽带超薄完美吸波体设计及在圆极化倾斜波束天线雷达散射截面缩减中的应用研究

为了缩减天线带内雷达散射截面(radar cross section, RCS), 在双频带完美吸波材料的基础上, 通过缩小两吸波率峰值之间的距离, 设计出了一种频带较宽的超薄完美吸波体.该吸波体由两层金属及其中间的有耗介质组成, 底面金属不刻蚀, 顶面由方形贴片和绕其四周的开口方环组成, 该结构具有低频点LC谐振和高频点偶极子谐振的特征.仿真和实验结果表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角的特征, 其在厚度小于0.01λ的条件下, 具有8.2%的半波功率相对带宽, 最大吸波率的峰值为91.6%和96.5%. 将吸波体用于圆极化的倾斜波束 (tilted beam, TB)天线, 仿真和测试结果表明: 该天线在保持增益不变的条件下, 不仅轴比得到改善, 有效带宽得到拓展, 且在5.5–6.5 GHz范围内TB天线的RCS缩减至少在3 dBsm以上, 在谐振频点处最大缩减幅度分别为11 dBsm和8 dBsm; 在两谐振点处鼻锥方向-36°–+36°范围内, TB天线的RCS缩减均有明显效果. 关键词： 超薄完美吸波体 TB天线 雷达散射截面 圆极化     

基于超材料吸波体的低雷达散射截面波导缝隙阵列天线

提出利用超材料吸波体减缩波导缝隙阵列天线带内雷达散射截面的设计方法. 设计具有超薄(厚度仅为0.01λ, λ为吸波体中心频率对应波长)、无表面损耗层和高吸波率的超材料吸波体, 将其加载到波导缝隙天线E面方向辐射缝隙间的金属表面上, 并与辐射缝隙保持一定的间距. 该加载方式没有破坏天线的口径馈电振幅分布, 并利用超材料吸波体对电磁波的强吸收特性降低了天线阵的结构模式项散射. 仿真和实验结果表明, 加载超材料吸波体后天线阵的反射系数、增益、波瓣宽度保持不变, 在x极化和y极化条件下, 波导缝隙阵列天线的带内雷达散射截面减缩量均在6 dB 以上, 且在-25°-+25°范围内天线雷达散射截面均有明显的减缩, 鼻锥方向减缩超过10 dB. 该研究成果对阵列天线雷达散射截面减缩具有重要的借鉴意义和工程应用价值.     

共享孔径人工电磁媒质设计及其在高增益低雷达散射截面天线中的应用

提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.     

Electromagnetic analysis of cylindrical cloaks of an arbitrary cross section

We extend the design of radially symmetric invisibility cloaks through transformation optics as proposed by Pendry et al. [Science 312, 1780 (2006)] to coated cylinders of an arbitrary cross section. The validity of our Fourier-based approach is confirmed by both analytical and numerical results for a cloak displaying a non-convex cross section of varying thickness. In the former case, we evaluate the Green's function of a line source in the transformed coordinates. In the latter case, we implement a full-wave finite-element model for a cylindrical antenna radiating a p-polarized electric field in the presence of a F-shaped lossy object surrounded by the cloak.     

Ceiling baffles and reflectors for controlling lecture-room sound for speech intelligibility

Reinforcing speech levels and controlling noise and reverberation are the ultimate acoustical goals of lecture-room design to achieve high speech intelligibility. The effects of sound absorption on these factors have opposite consequences for speech intelligibility. Here, novel ceiling baffles and reflectors were evaluated as a sound-control measure, using computer and 1/8-scale models of a lecture room with hard surfaces and excessive reverberation. Parallel ceiling baffles running front to back were investigated. They were expected to absorb reverberation incident on the ceiling from many angles, while leaving speech signals, reflecting from the ceiling to the back of the room, unaffected. Various baffle spacings and absorptions, central and side speaker positions, and receiver positions throughout the room, were considered. Reflective baffles controlled reverberation, with a minimum decrease of sound levels. Absorptive baffles reduced reverberation, but reduced speech levels significantly. Ceiling reflectors, in the form of obstacles of semicircular cross section, suspended below the ceiling, were also tested. These were either 7 m long and in parallel, front-to-back lines, or 0.8 m long and randomly distributed, with flat side up or down, and reflective or absorptive top surfaces. The long reflectors with flat side down and no absorption were somewhat effective; the other configurations were not.     

Acoustic characterization of on-stage performers in performing spaces

The influence of on-stage performers on the acoustic characteristics of performing spaces is significant because the musicians are absorptive and close to the sound source. However, the acoustic information of the musicians and their effect on absorption, scattering, and diffusion remain unclear. The acoustic characteristics of musicians were measured in a reverberation chamber and a semi-anechoic chamber while varying the type of clothes, the instruments, and seating density. The clothing worn showed a larger impact on the absorption per person, whereas the addition of cellos resulted in low-frequency absorption per person. The addition of cellos also increased the scattering and diffusion characteristics. Finally, the total absorption by the musicians under various conditions was analyzed in a concert hall using the simple Sabine equation where the influence of the musician’s instruments resulted in reverberation time of more than 0.1 s decrease with about 90 musicians on stage. However, the influences of additional musical instruments resulted in no significant difference in the reverberation time compared to the people alone. In addition, scattering due to the various conditions of orchestra such as the seating density and the addition of musical instrument was not a significant predictor of reverberation time.