李培紅，劉 曼，蔡金珠

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081；2.河北省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院，石家莊 050021）

天線測(cè)量微波暗室設(shè)計(jì)思路

李培紅，劉 曼，蔡金珠

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081；2.河北省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院，石家莊 050021）

介紹了天線測(cè)量微波暗室的作用以及建設(shè)微波暗室的必要性。提出了建設(shè)微波暗室的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給出了微波暗室的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)方法，并為微波暗室的設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式。

微波暗室；靜區(qū)；吸波材料

引言

天線的理想測(cè)量場(chǎng)地是自由空間，使均勻平面波照射被測(cè)天線。然而在現(xiàn)代城市中電磁環(huán)境日益惡化，要想在高樓林立的現(xiàn)代城市中及其周圍建設(shè)一個(gè)較為理想的天線測(cè)量場(chǎng)地是非常困難的。而建設(shè)微波暗室是比較理想的選擇，它既能夠防止外來(lái)波的干擾，使測(cè)量活動(dòng)不受外界電磁環(huán)境和氣候的影響，又能夠防止測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)向外輻射，污染電磁環(huán)境，對(duì)其它電子設(shè)備造成干擾，可達(dá)到與自由空間比較接近的條件下進(jìn)行室內(nèi)測(cè)量。因此微波暗室的出現(xiàn)為天線研究及天線測(cè)量提供了便利條件。下面給出一種適用的設(shè)計(jì)方法。

1 微波暗室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微波暗室通常有矩形、錐形、半開口矩形、半開口錐形以及緊縮場(chǎng)暗室等。本文僅以矩形微波暗室為例進(jìn)行介紹。

1.1 微波暗室長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

通常微波暗室的設(shè)計(jì)以對(duì)天線增益測(cè)量誤差小于0.25dB為準(zhǔn)則。為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確度，有必要規(guī)定一個(gè)最小測(cè)試距離R。根據(jù)測(cè)試準(zhǔn)確度可規(guī)定出接收天線上入射波應(yīng)滿足的相位條件，據(jù)此來(lái)確定最小測(cè)試距離，從而確定微波暗室的結(jié)構(gòu)尺寸。

在圖1中，D和d分別為收發(fā)天線最大有效尺寸，AB為收發(fā)天線中心點(diǎn)，其距離最短，EF為收發(fā)天線相對(duì)邊緣點(diǎn)，距離最長(zhǎng)。

因其距離不同產(chǎn)生的最大相位差為；

由式（2）可得

圖1 收發(fā)天線口徑與距離關(guān)系

把（1）式代入（3）式得：

對(duì)超低副瓣天線（＜-40dB）第一副瓣測(cè)量誤差＜1dB時(shí)，

應(yīng)當(dāng)指出，上述結(jié)論都是根據(jù)特定條件給出的，不同的測(cè)量精度，不同特性的天線，不同的測(cè)量參數(shù)要求的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量距離是各不相同的，這時(shí)應(yīng)按影響最大誤差源來(lái)確定最小測(cè)量距離。

微波暗室長(zhǎng)度由式（7）計(jì)算得出，如圖2所示。

式中：

L——微波暗室長(zhǎng)度；

R——收發(fā)天線之間的距離；

B1——接收天線距微波暗室墻的距離；

B2——發(fā)射天線距微波暗室墻的距離。

在工程中通常B1取5 m，B2取1m～3m即可。

1.2 微波暗室寬度和高度的設(shè)計(jì)

圖2 微波暗室長(zhǎng)度示意圖

微波暗室的寬度與待測(cè)天線性能、吸波材料性能、測(cè)量頻率范圍、微波暗室要求的性能等有著密切的關(guān)系。當(dāng)發(fā)射天線發(fā)出的電磁波到達(dá)微波暗室墻壁的入射角θ（見圖2）逐漸增大時(shí)，微波暗室墻壁上粘貼的吸波材料吸收電磁波的性能將逐漸變差。當(dāng)θ角大于60°時(shí)其吸收性能隨著θ角的增大變差的速度將加快。在一般工程中θ角通常以60°為邊界來(lái)計(jì)算微波暗室的寬度。

由圖2可知，

式中：W為微波暗室寬度（m）。

由式（8）可計(jì)算出微波暗室的寬度，一般微波暗室的高度與寬度相當(dāng)。

2 微波暗室性能設(shè)計(jì)

2.1 屏蔽性能的確定

天線測(cè)量微波暗室屏蔽性能的確定須遵循兩個(gè)原則：

1）被測(cè)天線在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，輻射到微波暗室以外電磁波幅值應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）在測(cè)量過(guò)程中不能受到外界電磁波的干擾，即外界電磁波或噪聲不能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。

按照1）和2）的要求最低屏蔽參考值如下：

14kHz～100MHz≥40dB

300MHz～18GHz≥80dB

18GHz～40GHz≥70dB

以上頻率范圍、屏蔽效能僅供參考，暗室的建設(shè)單位可根據(jù)自己的測(cè)量需要酌情增減。需要指出的是，對(duì)于一般天線測(cè)試，外界電磁環(huán)境比較干凈時(shí)可不加屏蔽。

2.2 靜區(qū)性能設(shè)計(jì)

根據(jù)被測(cè)天線最大尺寸確定一個(gè)靜區(qū)，靜區(qū)尺寸應(yīng)大于被測(cè)天線最大尺寸。

工程中靜區(qū)性能估算通用的方法：射線跟蹤法，利用此法進(jìn)行暗室具體設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮暗室中的各種反射情況，其中每個(gè)反射面主要需考慮以下三種情況：

1）不同入射角時(shí)，吸波材料的反射系數(shù) Γn(θ)；

2）在每個(gè)反射面上源天線的方向性衰減值Dn；

3）反射路徑損耗值Ln（n值為表示第n個(gè)反射面）。

因此，每個(gè)反射面反射到靜區(qū)內(nèi)總的反射值nA＜ 0如式（9）所示。

式中：

Dn是發(fā)射（輔助）天線的方向性衰減值，一般測(cè)量中通常選用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線作為發(fā)射天線，所以在測(cè)量中一旦選定發(fā)射天線后，Dn就是一個(gè)定值。

Ln為反射到接收天線上的信號(hào)電平ER與直接入射到接收天線上的信號(hào)電平Et之比。因信號(hào)電平的強(qiáng)度與傳播路程成反比，由此可得：

若用dB表示則為：

式中 LR和 Lt分別為反射信號(hào)路程和直接入射信號(hào)路程。

由此可見，當(dāng)暗室結(jié)構(gòu)尺寸確定之后Ln也就確定了。

通過(guò)以上分析可知，暗室結(jié)構(gòu)尺寸確定之后最主要的問(wèn)題就是吸波材料的選取即求出 Γn(θ)的值。

工程中吸波材料反射系數(shù)用下述方法估算：

式中： h—吸波材料尖劈高度；

λ—工作波長(zhǎng)。

當(dāng)入射角大于0度時(shí)，吸波材料的反射性能相對(duì)于垂直入射時(shí)，將有所降低。

設(shè)在不同頻率下，吸波材料在不同入射角時(shí)，性能變化具有相同的規(guī)律，即認(rèn)為與工作頻率無(wú)關(guān)，由此可以得出以下近似公式；

式中： θ角見圖2 。

由（12）式和（13）式可以得出任意角度下的吸波材料的反射率公式：

由式（12）、式（13）和式（14），并且參考圖2就可以計(jì)算出暗室各反射點(diǎn)所需要的吸波材料尖劈高度和不同尖劈高度吸波材料在暗室中的布局。

3 暗室配套設(shè)施建設(shè)

一個(gè)好的微波暗室不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)，其輔助設(shè)施如果做得不好將會(huì)使整個(gè)暗室性能大打折扣。建造一個(gè)暗室至少應(yīng)配置如下設(shè)施并保證滿足所建微波暗室的性能要求：

①控制室；

②天線測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)；

③電源線、信號(hào)線濾波器；

④信號(hào)接口板、波導(dǎo)通風(fēng)窗；

⑤照明系統(tǒng)；

⑥消防報(bào)警裝置；

⑦監(jiān)控系統(tǒng)。

另外在設(shè)計(jì)暗室時(shí)，就應(yīng)考慮環(huán)保問(wèn)題，以防止吸波材料長(zhǎng)期散發(fā)對(duì)人身?yè)p害的有毒有害氣體。

4 仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)比較分析

天線測(cè)量微波暗室設(shè)計(jì)牽涉因素很多，某一環(huán)節(jié)達(dá)不到要求，都可能導(dǎo)致整個(gè)暗室性能不滿足要求，因此暗室的設(shè)計(jì)必須綜合考量。暗室測(cè)試所用天線與測(cè)試結(jié)果直接相關(guān)，有時(shí)同一暗室采用高增益天線測(cè)試和采用低增益天線測(cè)試，其結(jié)果差別相當(dāng)大應(yīng)找出原因予以改進(jìn)。下面給出微波暗室仿真數(shù)據(jù)及采用高增益天線測(cè)試結(jié)果以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的符合性。

微波暗室尺寸為16m x 10m x10m。

表1 測(cè)試天線增益與暗室靜區(qū)仿真結(jié)果

表2 高增益天線與靜區(qū)反射電平測(cè)試數(shù)據(jù)

表1列出了天線測(cè)試增益與靜區(qū)反射電平仿真結(jié)果。

表2列出了高增益天線與靜區(qū)反射電平測(cè)試結(jié)果。

從表1和表2可看出實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果是吻合的，證明暗室設(shè)計(jì)基本符合要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

天線測(cè)量微波暗室其性能要求無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般來(lái)說(shuō)頻率范圍、靜區(qū)尺寸、反射電平、靜區(qū)場(chǎng)幅均勻性、多路徑損耗均勻性、交叉極化隔離度等滿足所建單位的測(cè)量用途需要即可，由于測(cè)量的對(duì)象不同、測(cè)量目的不同、要求的測(cè)量精度不同、微波暗室所建地點(diǎn)的電磁環(huán)境不同，設(shè)計(jì)微波暗室時(shí)應(yīng)靈活掌握、靈活運(yùn)用，切莫拘泥于某一種設(shè)計(jì)方法。

微波暗室除用于天線測(cè)量外，還可用于一切需無(wú)線開路測(cè)量的產(chǎn)品檢驗(yàn)，由于免除了外界因素的影響，對(duì)保障產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度具有重要的價(jià)值。

[1] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2002：1196-1199.

[2] 楊社年.建造電波暗室應(yīng)考慮的因素[J].電磁干擾與兼容, 2009, (05)：16-17.

Design Idea for Antenna Measurement in Microwave Anechoic Chamber

LI Pei-hong, LIU Man, CAI Jin-zhu
（1.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081; 2.Hebei Provincial Institute of Scientific and Technical Information,Shijiazhuang 050021）

This paper introduces the effect of microwave anechoic chamber in antenna measurement and the importance of building it. Combined with practical experience, this paper proposes the design framework, including the structure of the microwave anechoic chamber and the performance design method. In addition, this paper also provides the reference data and experiential equation.

microwave anechoic chamber; dead space; wave-absorbing material

TN820

A

1004-7204（2015）03-0050-04

李培紅(1965-)，女，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所檢測(cè)認(rèn)證中心，國(guó)家通信導(dǎo)航與北斗衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心質(zhì)量負(fù)責(zé)人。研究方向：通信導(dǎo)航設(shè)備的質(zhì)量檢驗(yàn)、無(wú)線通信設(shè)備測(cè)試等。