天線測量微波暗室設計思路

李培紅，劉 曼，蔡金珠

（1.中國電子科技集團公司第54研究所，石家莊 050081；2.河北省科學技術情報研究院，石家莊 050021）

天線測量微波暗室設計思路

李培紅，劉 曼，蔡金珠

（1.中國電子科技集團公司第54研究所，石家莊 050081；2.河北省科學技術情報研究院，石家莊 050021）

介紹了天線測量微波暗室的作用以及建設微波暗室的必要性。提出了建設微波暗室的設計思路，結合實踐經(jīng)驗給出了微波暗室的結構和性能設計方法，并為微波暗室的設計提供了參考數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式。

微波暗室；靜區(qū)；吸波材料

引言

天線的理想測量場地是自由空間，使均勻平面波照射被測天線。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一個較為理想的天線測量場地是非常困難的。而建設微波暗室是比較理想的選擇，它既能夠防止外來波的干擾，使測量活動不受外界電磁環(huán)境和氣候的影響，又能夠防止測試系統(tǒng)產(chǎn)生的信號向外輻射，污染電磁環(huán)境，對其它電子設備造成干擾，可達到與自由空間比較接近的條件下進行室內(nèi)測量。因此微波暗室的出現(xiàn)為天線研究及天線測量提供了便利條件。下面給出一種適用的設計方法。

1 微波暗室結構設計

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暗室等。本文僅以矩形微波暗室為例進行介紹。

1.1 微波暗室長度設計

通常微波暗室的設計以對天線增益測量誤差小于0.25dB為準則。為了保證測試的準確度，有必要規(guī)定一個最小測試距離R。根據(jù)測試準確度可規(guī)定出接收天線上入射波應滿足的相位條件，據(jù)此來確定最小測試距離，從而確定微波暗室的結構尺寸。

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，其距離最短，EF為收發(fā)天線相對邊緣點，距離最長。

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)天線口徑與距離關系

把（1）式代入（3）式得：

對超低副瓣天線（＜-40dB）第一副瓣測量誤差＜1dB時，

應當指出，上述結論都是根據(jù)特定條件給出的，不同的測量精度，不同特性的天線，不同的測量參數(shù)要求的遠場測量距離是各不相同的，這時應按影響最大誤差源來確定最小測量距離。

微波暗室長度由式（7）計算得出，如圖2所示。

式中：

L——微波暗室長度；

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計

圖2 微波暗室長度示意圖

微波暗室的寬度與待測天線性能、吸波材料性能、測量頻率范圍、微波暗室要求的性能等有著密切的關系。當發(fā)射天線發(fā)出的電磁波到達微波暗室墻壁的入射角θ（見圖2）逐漸增大時，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θ角大于60°時其吸收性能隨著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°為邊界來計算微波暗室的寬度。

由圖2可知，

式中：W為微波暗室寬度（m）。

由式（8）可計算出微波暗室的寬度，一般微波暗室的高度與寬度相當。

2 微波暗室性能設計

2.1 屏蔽性能的確定

天線測量微波暗室屏蔽性能的確定須遵循兩個原則：

1）被測天線在發(fā)射狀態(tài)時，輻射到微波暗室以外電磁波幅值應符合有關標準要求；

2）在測量過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測量結果產(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，暗室的建設單位可根據(jù)自己的測量需要酌情增減。需要指出的是，對于一般天線測試，外界電磁環(huán)境比較干凈時可不加屏蔽。

2.2 靜區(qū)性能設計

根據(jù)被測天線最大尺寸確定一個靜區(qū)，靜區(qū)尺寸應大于被測天線最大尺寸。

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

1）不同入射角時，吸波材料的反射系數(shù) Γn(θ)；

2）在每個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個反射面）。

因此，每個反射面反射到靜區(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，一般測量中通常選用標準喇叭天線作為發(fā)射天線，所以在測量中一旦選定發(fā)射天線后，Dn就是一個定值。

Ln為反射到接收天線上的信號電平ER與直接入射到接收天線上的信號電平Et之比。因信號電平的強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分別為反射信號路程和直接入射信號路程。

由此可見，當暗室結構尺寸確定之后Ln也就確定了。

通過以上分析可知，暗室結構尺寸確定之后最主要的問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。

當入射角大于0度時，吸波材料的反射性能相對于垂直入射時，將有所降低。

設在不同頻率下，吸波材料在不同入射角時，性能變化具有相同的規(guī)律，即認為與工作頻率無關，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就可以計算出暗室各反射點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 暗室配套設施建設

一個好的微波暗室不僅是結構設計、性能設計，其輔助設施如果做得不好將會使整個暗室性能大打折扣。建造一個暗室至少應配置如下設施并保證滿足所建微波暗室的性能要求：

①控制室；

②天線測量轉臺；

③電源線、信號線濾波器；

④信號接口板、波導通風窗；

⑤照明系統(tǒng)；

⑥消防報警裝置；

⑦監(jiān)控系統(tǒng)。

另外在設計暗室時，就應考慮環(huán)保問題，以防止吸波材料長期散發(fā)對人身損害的有毒有害氣體。

4 仿真結果與測試數(shù)據(jù)比較分析

天線測量微波暗室設計牽涉因素很多，某一環(huán)節(jié)達不到要求，都可能導致整個暗室性能不滿足要求，因此暗室的設計必須綜合考量。暗室測試所用天線與測試結果直接相關，有時同一暗室采用高增益天線測試和采用低增益天線測試，其結果差別相當大應找出原因予以改進。下面給出微波暗室仿真數(shù)據(jù)及采用高增益天線測試結果以驗證設計的符合性。

微波暗室尺寸為16m x 10m x10m。

表1 測試天線增益與暗室靜區(qū)仿真結果

表2 高增益天線與靜區(qū)反射電平測試數(shù)據(jù)

表1列出了天線測試增益與靜區(qū)反射電平仿真結果。

表2列出了高增益天線與靜區(qū)反射電平測試結果。

從表1和表2可看出實際測試數(shù)據(jù)與仿真設計結果是吻合的，證明暗室設計基本符合要求。

5 結束語

天線測量微波暗室其性能要求無統(tǒng)一的標準，一般來說頻率范圍、靜區(qū)尺寸、反射電平、靜區(qū)場幅均勻性、多路徑損耗均勻性、交叉極化隔離度等滿足所建單位的測量用途需要即可，由于測量的對象不同、測量目的不同、要求的測量精度不同、微波暗室所建地點的電磁環(huán)境不同，設計微波暗室時應靈活掌握、靈活運用，切莫拘泥于某一種設計方法。

微波暗室除用于天線測量外，還可用于一切需無線開路測量的產(chǎn)品檢驗，由于免除了外界因素的影響，對保障產(chǎn)品測量結果的準確度具有重要的價值。

[1] 林昌祿.天線工程手冊[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，中國電子科技集團公司第54研究所檢測認證中心，國家通信導航與北斗衛(wèi)星應用產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心質量負責人。研究方向：通信導航設備的質量檢驗、無線通信設備測試等。