CN105808800B - 一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，通过近感探头测量电子设备机柜外壳表面附近的测量面的辐射场，建立电子设备机柜辐射的等效辐射源和测量场之间的积分方程模型，求解方程得到电子设备机柜等效辐射源，进而求取电子设备机柜外部空间中的任意一点处的电磁场的相对值。测量电子设备机柜外壳表面较近处的标校面的实际功率，标校后得到电子设备机柜外部任一点的电磁场的绝对值。由于是采用全波建模的方法，与电子设备机柜内部的电路形式、走线和接头的具体形式、设备的工作频率、功耗和电流分布无关，与电子设备机柜表面上的孔缝位置、孔缝尺寸也无关，且预测辐射场精度高。

Description

一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法

技术领域

本发明属于电磁兼容环境场预测方法，尤其涉及一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法。

背景技术

电子系统机柜不可避免地存在孔缝，这成为机柜泄露电磁波的主要耦合途经，因此也是电磁兼容研究的一个重要课题。预测电子机柜的辐射场，通常有两种方法：一种是根据巴俾涅原理所导出经验公式。第二种方法是矩量法和广义网络理论相结合来分析此类问题。基于传输线模型，根据等效原理和广义网络理论，将孔缝两侧的场以等效磁流散射积分的形式表示，然后在孔缝界面上施加切向场的连续性条件，得到了一对共轭积分方程。使用矩量法，结合等效磁流的方法解决孔缝电磁耦合的问题。

孔缝耦合理论求解机柜辐射方法需要的输入是机柜内部的场和孔缝的形状和位置，实际情况是我们很难建立机柜内部复杂的电路板、连线和接头等的辐射模型。更严重的问题是我们通常不知道机柜内的电路板、走线和接头的具体形式，设备的工作频率、功耗和电流分布，也就无法建立电磁辐射模型，电子机柜所在孔缝也是由于设备不同而位置和形状各样。即使对于某些机柜知道了内部所有电子器件和电路板，逐个建立辐射模型，再通过孔缝耦合理论得到机箱辐射，也是很繁琐，不通用的。

文献《电子机柜辐射特性的混合建模分析》中国舰船研究，No.4,2006,建立了设备的电磁兼容性标准考核数据与偶极子辐射的近似解析法相结合的混合模型，在机柜尺寸远小于波长时才时，也就是频率比较低时，偶极子等效才成立，具有一定的精度。不具有通用性。

专利《电子机柜电磁场辐射建模方法》，授权号：ZL 201110001010.3。采用三维对称振子模型代替电子机柜的电磁辐射源。也是在频率比较低时(波长远大于机柜尺寸)，偶极子等效才成立，才具有一定的精度，不具有通用性，精度也不高。

发明内容

本发明针对现有电子设备机柜辐射场预测技术中预测方法不具通用性，测量精度不高的问题，提供一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，该方法对于不同尺寸、内部结构的电子设备机柜具有较强的通用性，同时有较高的预测精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，该方法包括以下步骤，1)采用近感探头测量与电子设备机柜的孔缝端面的距离为0.02～0.6m处的测量面上的每个测点的坐标位置、频谱值、频率；2)在电子设备机柜的孔缝端面处建立重建面，重建面上划分为若干个等效电流源单元，建立等效电流源单元和测量面的实际测量场之间的积分方程，求解重建面上的等效电流源单元的等效面电流；3)获取电子设备机柜外部任一点的电磁场的相对值；4)测量距离电子设备机柜的孔缝端面0.7～1.3m处的标校面的实际功率，标校后得到电子设备机柜外部任一点的电磁场的绝对值。

按上述技术方案，所述步骤4)中，使用双锥天线测量标校面的电场强度。

按上述技术方案，测量面上的测点的数目多于重建面上所划分的等效电流源单元的个数，每个等效电流源单元对应一个基函数。

按上述技术方案，基函数的个数为测量面上的测点数目的50％－90％。

按上述技术方案，所述步骤1)中，所述近感探头通过同轴电缆连接到频谱仪，根据电子设备机柜辐射频谱峰值对应的频率设置频谱仪的扫描频点。

按上述技术方案，所述测量面的大小为，测量面的边缘处场强值衰减为最大值的1/10。

按上述技术方案，所述步骤2)中所述建立等效电流源单元和测量面的实际测量场之间的积分方程，具体包括，重建面、测量面为相互平行的平面且其中心点连线与重建面垂直；重建面的中心点为坐标原点，所述中心点连线为z轴，且z轴方向从重建面指向测量面，重建面为xy平面，测量面上的测量点数多于重建面上等效电流源划分的单元个数，设定重建面为理想磁面S′∞，由等效原理，其上存在等效面电流

其中是重建面上的磁场强度，是重建面的切向分量，指向z>0方向，采用镜像原理，可得在z>0的半空间，等效面电流为：

即

电子设备机柜外部，在z>0空间任一点的磁场等效为xy平面上的等效面电流产生，得到积分方程

其中(x,y,z)为电子设备机柜外部，在z>0空间任一点的位置坐标，(x′,y′,z′)为重建面上的源点的坐标，(x₀,y₀,z₀)为测量面上测点的坐标，ε表示介电常数。

按上述技术方案，所述步骤2)中所述求解重建面上的等效电流源单元的等效面电流具体包括，在笛卡尔坐标系中展开公式(1)得到，其中J_x表示重建面上x方向上的电流强度，J_y表示重建面上y方向上的电流强度，J_z表示重建面上z方向上的电流强度，

在xy平面内，有J_z＝0，(2a)、(2b)、(2c)可化简为

采用脉冲基函数，

其中C_x,m表示x方向电流展开系数，C_y,m表示y方向电流展开系数，f_m(x′,y′)满足

把(4a)、(4b)代入(3a)、(3b)、(3c)，得到以下公式，其中表示重建面上点m到测量面上点n的距离，M表示重建面上基函数所在的点编号，

令则得到如下矩阵方程

H_x＝-G^zC_y (6a)

H_y＝G^zC_x (6b)

令

则得到

H_z＝G^xC_y-G^yC_x (8)

通过近场探头测量得到测量面上频率，进而得到x、y方向的磁场强度的H_x,H_y，近感探头沿垂直方向布设获取H_y，近感探头沿水平方向布设获取H_x，求解超定方程组(6a)、(6b)的最小二乘解，得到C_x,C_y，即得到重建面上的等效面电流分布。

按上述技术方案，所述求解超定方程组(6a)、(6b)的最小二乘解，具体使用奇异值分解方法，首先将系数矩阵G^z进行奇异值分解，然后得到G^z的广义逆矩阵，利用G^z的广义逆矩阵求出H_x＝-G^zC_y和H_y＝G^zC_x的最小二乘解。

按上述技术方案，所述步骤3)获取电子设备机柜外部任一点的电磁场的相对值，具体为根据公式(8)和(1)获取电子设备机柜外部，在z>0空间任一点处的电磁场，

本发明产生的有益效果是：本发明通过近感探头测量电子设备机柜外壳表面附近的辐射场，建立电子设备机柜辐射的等效辐射源和测量场之间的积分方程模型，求解方程得到电子设备机柜等效辐射源，进而求取电子设备机柜外部空间中的任意一点处的电磁辐射。由于是采用全波建模的方法，适合于电大和电小尺寸电子设备机柜辐射场预测，与电子设备机柜内部的电路形式、走线和接头的具体形式、设备的工作频率、功耗和电流分布无关，与电子设备机柜表面上的孔缝位置、孔缝尺寸也无关，且预测辐射场精度高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例测量面上测点工作示意图；

图2是本发明实施例中电子设备机柜与测量面的侧面示意图；

图3是图2中电子设备机柜与测量面的正面示意图；

图4是本发明实施例中电子设备机柜与重建面、测量面的位置关系示意图；

图5是图4中重建面的示意图；

图6是本发明预测辐射场的验证实施例结构设置图；

图7是图6实施例中z＝0.6m处测量场的辐射图；

图8是图6实施例中重建面在z＝0.6m处预测场的辐射图；

图9是图6实施例中z＝0.6m处测量场与预测场的差值示意图；

图10是图6实施例中z＝3m处测量场的辐射图；

图11是图6实施例中重建面在z＝3m处预测场的辐射图；

图12是图6实施例中z＝3m处测量场与预测场的差值示意图；

图13是图6实施例中z＝10m处测量场的辐射图；

图14是图6实施例中重建面在z＝10m处预测场的辐射图；

图15是图6实施例中z＝10m处测量场与预测场的差值示意图；

图16是图6实施例中预测场与测量场的预测误差统计图；

图17是图6实施例中沿测线1的测量场与预测场的曲线比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，该方法包括以下步骤，如图1-图3所示，1)采用近感探头测量与电子设备机柜的孔缝端面的距离为0.02～0.6m处的测量面上的每个测点的坐标位置、频谱值、频率；2)在电子设备机柜的孔缝端面处建立重建面，重建面上划分为若干个等效电流源单元，建立等效电流源单元和测量面的实际测量场之间的积分方程，求解重建面上的等效电流源单元的等效面电流；3)获取电子设备机柜外部任一点的电磁场的相对值；4)测量距离电子设备机柜的孔缝端面0.7～1.3m处的标校面的实际功率，标校后得到电子设备机柜外部任一点的电磁场的绝对值。

其中，所述步骤4)中，使用双锥天线测量标校面的电场强度。

进一步地，测量面上的测点的数目多于重建面上所划分的等效电流源单元的个数，每个等效电流源单元对应一个基函数。

进一步地，基函数的个数为测量面上的测点数目的50％－90％。

其中，所述步骤1)中，所述近感探头通过同轴电缆连接到频谱仪，根据电子设备机柜辐射频谱峰值对应的频率设置频谱仪的扫描频点。

进一步地，(在满足电磁兼容预测精度需求的条件下)所述测量面的大小为，测量面的边缘处场强值衰减为最大值的1/10。

其中，所述步骤2)中所述建立等效电流源单元和测量面的实际测量场之间的积分方程，具体包括，重建面、测量面为相互平行的平面且其中心点连线与重建面垂直；重建面的中心点为坐标原点，所述中心点连线为z轴，且z轴方向从重建面指向测量面，重建面为xy平面，测量面上的测量点数多于重建面上等效电流源划分的单元个数(重建面上基函数个数)，设定重建面为理想磁面由等效原理，其上存在等效面电流

其中是重建面(等效面)上的磁场强度，是重建面的切向分量，指向z>0方向，采用镜像原理，可得在z>0的半空间，等效面电流为：

即

电子设备机柜外部，在z>0空间任一点的磁场等效为xy平面上的等效面电流产生，得到积分方程

其中(x,y,z)为电子设备机柜外部，在z>0空间任一点的位置坐标，(x′,y′,z′)为重建面上的源点的坐标，(x₀,y₀,z₀)为测量面上测点的坐标，ε表示介电常数。

进一步地，所述步骤2)中所述求解重建面上的等效电流源单元的等效面电流具体包括，在笛卡尔坐标系中展开公式(1)得到，其中J_x表示重建面上x方向上的电流强度，J_y表示重建面上y方向上的电流强度，J_z表示重建面上z方向上的电流强度，

在xy平面内，有J_z＝0，(2a)、(2b)、(2c)可化简为

采用脉冲基函数，

其中C_x,m表示x方向电流展开系数，C_y,m表示y方向电流展开系数，f_m(x′,y′)满足

把(4a)、(4b)代入(3a)、(3b)、(3c)，得到以下公式，其中表示重建面上点m到测量面上点n的距离，M表示重建面上基函数所在的点编号，

令则得到如下矩阵方程

H_x＝-G^zC_y (6a)

H_y＝G^zC_x (6b)

令

则得到

H_z＝G^xC_y-G^yC_x (8)

通过近场探头测量得到测量面上频率，进而得到x、y方向的磁场强度的H_x,H_y，近感探头沿垂直方向布设获取H_y，近感探头沿水平方向布设获取H_x，求解超定方程组(6a)、(6b)的最小二乘解，得到C_x,C_y，即得到重建面上的等效面电流分布。

其中，所述求解超定方程组(6a)、(6b)的最小二乘解，具体使用奇异值分解方法，在实际的近场测量中，由于近场探头在测量面上的测点的个数要大于等效电流源划分的单元个数，所以得到的系数矩阵G^z的行数大于列数，即得到的矩阵方程H_x＝-G^zC_y和H_y＝G^zC_x是个超定方程组，首先将系数矩阵G^z进行奇异值分解，然后得到G^z的广义逆矩阵，利用G^z的广义逆矩阵求出H_x＝-G^zC_y和H_y＝G^zC_x的最小二乘解。

进一步地，所述步骤3)获取电子设备机柜外部任一点的电磁场的相对值，具体为根据公式(8)和(1)获取电子设备机柜外部，在z>0空间任一点处的电磁场，

本发明的工作原理为：

(A)采用测算融合的方法求解电子设备辐射场，预测电子机柜辐射场时，不考虑电子机柜内部细节和外壳孔缝结构，采用近感探头测量近场，建立机柜辐射等效辐射源的辐射场和测量面的实际测量场之间的积分方程，求解得到等效面电流后可以推导空间中任一点的电磁场的相对值。再用双锥天线测量设备前方处的电场强度，标校后得到空间中任一点的电磁场的绝对值。

(B)采用近感探头测量机柜辐射近场，在普通环境或者外场环境下进行电磁兼容辐射发射测试时，一般选择测试距离为3米，对于GB 9254标准B级，要求的最严格的辐射骚扰极限值为准峰值40dBμV(频率范围30MHz－230MHz)，A级的极限值为准峰值50dBμV。由于在市内区域的无线电台以及其他通信系统辐射电平，会超出EMC极限值30至40dB，因此电磁兼容辐射发射测量通常是在暗室中进行。但是在有些条件下，由于受限于暗室的体积，许多大型设备无法进入暗室测试，对于这些设备来说，电磁兼容测试又是一个必须而且非常重要的测试项目。因此，如果想在普通环境下测量被测设备(EUT)的辐射发射，就必须设法“消除”背景噪声的影响。由于近感探头的感应效率低，感应到的背景噪声电平通常低于接收仪器的底噪(窄带扫描，分辨率带宽低于10Hz，底噪可达－140dBm)，但是当探头靠近辐射设备时，探头感应得到的信号电平可以高于接收仪器底噪的20dB以上，这样既可以测到微弱的近场辐射，又避开了背景噪声和环境中手机信号、电台辐射等辐射设备的干扰，可以在设备所在环境直接测量。

(C)测量面和重建面皆为平面，采用磁场积分方程求解等效辐射源，测量面大小选取的原则是在满足电磁兼容预测精度需求的条件下，边缘处场强值衰减为最大值的1/10，由于是近场扫描，孔缝尺寸又远小于波长，场强值随着离开孔缝的距离增加急剧衰减，仿真和实测数据表明，测量面只需稍大于机柜孔缝所在的投影面。测量面上的测量网格点的选择可以不受空间采样定律的限制，测量面的测量点数需要多于重建面上基函数个数。测量面选择在机柜表面离机柜0.02～0.6m处。重建面大小选择方法和测量面相同，重建面可以选择在机柜孔缝所在的端面，也可以选择在机柜孔缝所在的端面的前方附近，如图4、图5所示，重建面可以比测量面稍小，重建面和测量面位置选择在机柜的孔缝端面的正中心处，即重建面、测量面、机柜的孔缝端面的中心点的连线与重建面垂直，重建面、测量面、机柜的孔缝端面均为平面，基函数的个数通常为测量点数的50％－90％。

本发明的较佳实施例中，采用如下方法：

1)把电子设备机柜放置于暗室中央，电子设备机柜处于发射1MHz连续波工况，在机柜正前方1m处沿垂直方向放置近感探头，用同轴电缆连接到频谱仪，根据电子机柜辐射频谱峰值对应的频率设置频谱仪的扫描频点；

2)将近场探头布置于测量面的测点处，电场探头连接频谱仪，工控机通过网口控制频谱仪。近感探头沿垂直方向布设，逐点测试，记录每个测点的坐标位置、频谱值和频率；

3)近感探头沿水平方向布设，按步骤2)的方法测得坐标位置、频谱值和频率；

4)在发射机柜正前方1m处用双锥天线连接到频谱仪，记录频谱仪接收到功率，再查表转换为该点的磁场强度；

5)由于上述步骤中近感探头测量得到的场强值是相对的，重建辐射源后求得的电场值也是相对的，所以通过双锥天线测得发射机柜正前方1m处的辐射场强绝对值来校准，即可得到任意一点处的场强值；

6)在机箱正前方3m处，大小为2m*2m的正方形上布设测点，称为测量面2，按步骤2)和3)的方式把近感探头换成双锥天线测得水平极化和垂直极化的电场强度；

7)比较测量面2上的测量值和辐射源重建后在测量面2上的仿真预测值，检验在自由空间中预测值的精度。

改变发射电台(电子设备机柜)的工作频率，重复以上的测试过程，记录数据。电子设备机柜工作频率取值分别为3MHz和10MHz，重复上述实验。

进一步地，根据上述的方法，采用仿真给出一个典型算例：

电子机柜的长宽高分别为800mm、600mm和1600mm，在机柜正中间有一电偶极子，以模拟机柜电子设备的辐射。在机柜正前方0.6m处，选择1.2m*3.2m的平面，每隔0.1m*0.1m栅格测量一个点，总共测量点数为21*32＝693。

如图6所示，选择机柜表面所在平面(大小为0.6m*1.2m)作为重建面，重建面上的点数为8*16＝128点，在机箱正前方0.6米处，大小为2m*3.2m，每隔0.1m*0.1m栅格测量一个点，总共测量点数为21*32＝693。

其中测量面z＝0.6用于辐射源重构，z＝3测量面、z＝10测量面和测线1用于比较测量场和重构场之间的差异，验证方法的准确性。

为了衡量算法的精度，定义最大相对误差

平均相对误差

其中为第i个测量值，为第i个预测值。如图7-图15所示，是预测场(重构辐射源再算辐射场)和测量场(已知源直接仿真场)比较，可以看出，随着偏离机柜距离的加大，电场幅值迅速衰减，在z＝0.6米处，z＝3米处和z＝10米处，电场强度的最大值分别为112v/m、0.161v/m和0.0028v/m。预测场和测量场变化趋势一致，随着离开机柜距离的加大，预测误差逐渐加大，最大误差小于34.1％，即小于1.3dB，可见该预测方法具有较高的精度。图16是统计得到的最大相对误差和平均相对误差，在z＝10m处，误差最大，相对值为34.1％，转化为dB值为10*log(1.34)＝1.3dB。图17是在机柜正前方远离机柜每隔0.1m测量一个点的数据，可以看出，测量场和预测场吻和较好，随着距离的加大误差逐渐加大，在20米处，误差有2.4dB。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，1)采用近感探头测量与电子设备机柜的孔缝端面的距离为0.02～0.6m处的测量面上的每个测点的坐标位置、频谱值、频率；2)在电子设备机柜的孔缝端面处建立重建面，重建面上划分为若干个等效电流源单元，建立等效电流源单元和测量面的实际测量场之间的积分方程，求解重建面上的等效电流源单元的等效面电流；建立等效电流源单元和测量面的实际测量场之间的积分方程，具体包括，重建面、测量面为相互平行的平面且其中心点连线与重建面垂直；重建面的中心点为坐标原点，所述中心点连线为z轴，且z轴方向从重建面指向测量面，重建面为xy平面，测量面上的测量点数多于重建面上等效电流源划分的单元个数，设定重建面为理想磁面S′_∞，由等效原理，其上存在等效面电流

其中是重建面上的磁场强度，是重建面的切向分量，指向z>0方向，采用镜像原理，可得在z>0的半空间，等效面电流为：

即

电子设备机柜外部，在z>0空间任一点的磁场等效为xy平面上的等效面电流产生，得到积分方程

其中(x,y,z)为电子设备机柜外部，在z>0空间任一点的位置坐标，(x′,y′,z′)为重建面上的源点的坐标，(x₀,y₀,z₀)为测量面上测点的坐标，ε表示介电常数；3)获取电子设备机柜外部任一点的电磁场的相对值；4)测量距离电子设备机柜的孔缝端面0.7～1.3m处的标校面的实际功率，标校后得到电子设备机柜外部任一点的电磁场的绝对值。

2.根据权利要求1所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，所述步骤4)中，使用双锥天线测量标校面的电场强度。

3.根据权利要求1或2所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，测量面上的测点的数目多于重建面上所划分的等效电流源单元的个数，每个等效电流源单元对应一个基函数。

4.根据权利要求3所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，基函数的个数为测量面上的测点数目的50％－90％。

5.根据权利要求1或2所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述近感探头通过同轴电缆连接到频谱仪，根据电子设备机柜辐射频谱峰值对应的频率设置频谱仪的扫描频点。

6.根据权利要求1或2所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，所述测量面的大小为，测量面的边缘处场强值衰减为最大值的1/10。

7.根据权利要求1或2所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，所述步骤2)中所述求解重建面上的等效电流源单元的等效面电流具体包括，在笛卡尔坐标系中展开公式(1)得到，其中J_x表示重建面上x方向上的电流强度，J_y表示重建面上y方向上的电流强度，J_z表示重建面上z方向上的电流强度，

在xy平面内，有J_z＝0，(2a)、(2b)、(2c)可化简为

采用脉冲基函数，

其中C_x,m表示x方向电流展开系数，C_y,m表示y方向电流展开系数，f_m(x′,y′)满足

把(4a)、(4b)代入(3a)、(3b)、(3c)，得到以下公式，其中表示重建面上点m到测量面上点n的距离，M表示重建面上基函数所在的点编号，

令则得到如下矩阵方程

H_x＝-G^zC_y (6a)

H_y＝G^zC_x (6b)

令

则得到

H_z＝G^xC_y-G^yC_x (8)

通过近场探头测量得到测量面上频率，进而得到x、y方向的磁场强度的H_x,H_y，近感探头沿垂直方向布设获取H_y，近感探头沿水平方向布设获取H_x，求解超定方程组(6a)、(6b)的最小二乘解，得到C_x,C_y，即得到重建面上的等效面电流分布。

8.根据权利要求7所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，所述求解超定方程组(6a)、(6b)的最小二乘解，具体使用奇异值分解方法，首先将系数矩阵G^z进行奇异值分解，然后得到G^z的广义逆矩阵，利用G^z的广义逆矩阵求出H_x＝-G^zC_y和H_y＝G^zC_x的最小二乘解。

9.根据权利要求8所述的电子设备机柜泄露辐射仿真预测方法，其特征在于，所述步骤3)获取电子设备机柜外部任一点的电磁场的相对值，具体为根据公式(8)和(1)获取电子设备机柜外部，在z>0空间任一点处的电磁场，