在這篇部落格文章中，我們將展示如何使用SIMULIA CST Studio Suite對混響室進行建模與模擬
實施摘要
電子設備需通過電磁相容性(EMC)標準認證，以確保其不會對其他設備造成干擾，並能抵禦外部干擾。模擬技術現已廣泛應用於設計階段的EMC性能評估，並透過虛擬測試複製認證流程。此過程需要建立受測設備(DUT)及其周邊環境的虛擬雙生模型，精準呈現實際測試配置。
混響室是測試設備抗電磁場干擾能力的關鍵設備。其金屬牆面與擾動器可反射電磁波並形成統計均勻場，使設備暴露於全方位干擾環境。本文將示範如何在SIMULIA CST Studio Suite中建置混響室模型並進行模擬。
透過模擬混響室，測試工程師可設計最適化的測試室配置，並為DUT找出最佳設定。虛擬測試室更能讓設計人員在開發初期進行抗干擾分析，於原型製作前解決潛在問題。此方法不僅節省開發成本，還能減少實體原型修改與建置費用，加速產品上市時程。
背景知識：何謂EMC模擬？
任何產品上市前，製造商都須證明其符合EMC標準。各國市場的EMC標準規範各異，要滿足所有相關標準往往需要大量測試。模擬技術可透過多種方式降低EMC測試的時間與成本：
• 傳統產品開發階段的實體測試多可由虛擬測試取代。模擬可快速執行且無需建置實體原型
• 模擬能於設計定型前及早發現EMC問題。若發現問題，可用較少修改成本快速解決
• 監管單位日漸接受模擬數據作為認證輔助資料，減少所需實體測試數量
EMC考量要點主要分為幾大類，其中最重要的是「輻射發射」(設備產生的電磁場與電流可能造成干擾)與「抗擾度」(設備抵禦外部干擾的能力)的區分。依干擾傳導路徑又可分為輻射型與傳導型，各類測試均需特定配置。針對輻射抗擾度測試，實驗室通常採用混響室進行。
何謂混響室？
混響室由具備特定頻段電磁波反射能力的屏蔽空間構成，內部配置發射天線產生電磁場。此空間可作為共振腔體，將電磁場均勻分布於整個測試室。室內另設有擾動器——特殊造型金屬結構，用於消除駐波與模態形成，確保場型均勻性並產生符合統計均勻場特性的隨機場型。
作用於受測設備的統計均勻場能模擬真實環境中的干擾情境，包括人為來源（如Wi-Fi或行動網路）與自然現象（如雷擊等環境電磁效應/E3）。
混響室性能受場型均勻度與最低可用頻率(LUF)限制。通常空間越小，LUF越高，實用性越受限。測試室工程師需優化天線與擾動器的配置設計，在維持結構緊湊性（降低建造成本與空間需求）的同時，確保寬頻段內的場型均勻度。
MODSIM技術對混響室設計的優勢
整合式建模與模擬(MODSIM)技術可讓測試室工程師無需實際量測，即可計算室內各點位在不同頻率下的場型分布。於設計階段即可分析場型均勻度與LUF，大幅降低後續問題發生風險。
混響室有多項關鍵設計參數，包括空間尺寸、擾動器幾何形狀，以及擾動器與天線的位置。IEC 41000-6-21等標準規範了多種擾動器位置設定——在200-3000MHz頻段需配置50組指定位置。透過自動化參數掃描與優化，可找出符合設計需求的參數組合，協助設計者最小化擾動器體積（或數量）與整體測試室空間。
混響室建模與模擬工作流程
完整腔體模型建置
前述混響室模型使用SIMULIA CST Studio Suite設計與優化。此業界頂尖電磁模擬軟體內建多項針對EMC模擬需求的工作流程與功能，提供適用不同模擬面向的求解器。其中強大的3D TLM求解器特別適合多種EMC應用，其八叉樹網格技術可大幅降低空域網格密度，在維持幾何細節（如機殼孔洞、PCB細部結構）解析度的同時，減少腔體空域模擬的運算需求。
TLM求解器應用於混響室模擬的侷限在於其時域求解特性——高Q值混響室需較長時間消散能量，導致精確場型計算需要較長模擬時間。此情境下，頻域求解器(F求解器)更為適合。該求解器採用自適應四面體網格，可針對指定頻點計算場型分布，涵蓋所需頻段分析。
完成混響室設計建模後即可投入使用。進行產品虛擬測試時，測試室的精確幾何配置通常已無關緊要——因已驗證混響室能產生統計均勻場。
基於平面波疊加的腔體模型
為加速虛擬測試流程，我們在CST Studio Suite中開發了平面波疊加工具。此工具可產生具隨機相位與極化的平面波激勵組，模擬工作區域內的電磁場分布。
採用蒙地卡羅法迭代隨機波組，確保峰值場型符合IEC標準的均勻度要求。
為展示平面波疊加法優勢，我們使用TLM求解器對無線路由器進行EMC測試模擬。無需模擬整個腔體，僅需針對1立方公尺工作區域進行分析。儘管模擬頻段寬廣（100MHz至7.25GHz），仍能有效評估路由器的EMC表現。模擬結果顯示機殼接縫處的耦合路徑，工程師可據此修改設計降低輻射敏感度，無需製作實體原型測試。
結論
混響室廣泛應用於EMC測試以產生均勻場型，分析設備抗干擾能力。虛擬EMC測試能減少甚至取代實體測試，不僅縮短分析時程與成本，更讓設計者能在開發任一階段進行EMC分析，降低風險。虛擬混響室可採用完整3D模型或平面波疊加法建置，兩種方式皆能透過虛擬雙生模型測試產品EMC性能。
原文轉載來自: Stephen Jorgenson-Murray – Building a Virtual Reverberation Test Chamber with Modeling and Simulation
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