微波腔内波混沌散射的初步研究

　　随着电子技术的发展,电磁干扰问题也越来越严重。强电磁脉冲能量可通过小孔、缝隙等耦合到复杂腔体内,使内部电路功能混乱,甚至损坏敏感电子设备。电磁场辐射通过后门耦合进入腔体一直是高功率微波(HPM)效应和电兼容研究人员和工程技术人员感兴趣的。近年来,国内不少学者针对计算机机箱或主板开展了一些电磁辐射和耦合方面的研究[1-2]。但是,传统研究方法只是针对固定系统,实验结果不能应用于相似的结构或给其提供预测。即使利用高效的电磁场分析计算,获得问题的详细特性仍然是一个挑战,主要有两个原因:一是对于一些研究系统,其特征尺寸与波长的比值较大,使用网格划分的计算方法,实施起来非常困难;二是腔体的内部场结构对于外部输入频率、腔体形状及内部元件位置的微小改变极其敏感,因此需要采用大量内部场形状的平均。为了得到内部场结构有意义的评估,在时间和计算上花费巨大。本文引入随机耦合模型来统计描述复杂封装系统。

　　1　随机耦合模型

　　随机耦合模型[4-8](RCM)是一个统计模型,它使用随机平面波假说和随机矩阵理论(RMT),用公式表示具有时间反演不变性系统和不具有时间反演不变性系统的阻抗、导纳和散射统计模型。这一模型最重要的贡献是辐射阻抗归一化过程。使用这一模型,仅需要知道系统的少量参数,就可以预测腔体内关键目标点感应电流的统计特性或者计算产生效应结果的最佳设备参数。此模型为HPM效应机理和后门耦合研究提供了一种新的方法和思路,并对其实验研究、理论和数值模拟方法进行了补充,且对通过后门耦合进入系统产生的感应电流具有一定的预测能力,有望在HPM效应机理和电磁兼容、抗核加固等方面取得新的突破。

　　激励孔和波混沌腔体之间的非理想耦合通过RCM引入的辐射阻抗归一化来消除,然而,这一理论的有效性必须建立在微波腔体具有混沌射线动力学基础之上。本文着重讨论腔体中存在的波混沌散射,并对RMT的预测能力进行初步分析。

　　2　物理模型的建立

　　为验证腔体中是否存在波混沌散射,特建立如图1(a)所示的腔体模型,物理尺寸为380 mm×300 mm×100 mm,腔体开两个孔,激励孔1和目标孔2。腔体四壁为薄导体板(厚度不计),而且做工精细光滑,屏蔽良好。腔体内壁上放置一块80 mm×80 mm的铜板(厚度不计),上面引入了几个小圆柱和长方体,孔1同轴线内芯伸入腔体离壁9 mm,孔2同轴线内芯伸入腔体离壁8 mm,孔半径r=5 mm。

　　3　数值计算

　　3.1　大量散射矩阵的数值计算

　　为了应用RCM模型,必须引入大量内部场形状的平均。因此,首先应该模拟产生的大量2×2的散射矩阵S,为了得到大的系综,在腔体内部引入两个模式搅拌桨,搅拌桨为50 mm×15 mm、横向相距100 mm、纵向相距70 mm的薄金属板。调整腔体中每个板的不同方位以便产生不同内部场结构,对于每一种形状,在8~18GHz范围内等间距步长测量S,其作为频率的函数,旋转薄金属板在40个不同的位置,可以计算得到大量腔体散射矩阵。