微波暗箱反射率電平分析與測量

1 概述

無(wú)線(xiàn)電工程師極力尋求一個(gè)無(wú)線(xiàn)電引信輻射的電磁波，它可以自由地向四面八方輻射而沒(méi)有任何反射干擾，換句話(huà)說(shuō)，就是極力尋求一個(gè)在實(shí)驗室條件下，能夠提供一個(gè)為無(wú)線(xiàn)電引信工作的自由空間。

無(wú)回波吸收室用途是相當廣泛的，幾乎所有的無(wú)線(xiàn)電參數的測試工作都可在無(wú)回波吸收室內進(jìn)行，比如天線(xiàn)特性測試、雷達截面測試、整機系統靈敏度測試等各種各樣的模擬試驗，各種飛機、導彈、人造衛星上的無(wú)線(xiàn)電設備也都可以在無(wú)回波吸收室內進(jìn)行綜合試驗。

2 吸收材料的性能分析

無(wú)回波吸收材料，顧名思義，就是用來(lái)吸收電磁波能量的，像黑色顏料吸收光線(xiàn)一樣。在通常情況下，要產(chǎn)生明顯的吸收作用，吸收體至少需要有1/4波長(cháng)的厚度。

吸收體的吸收性能可以這樣理解，當一個(gè)電磁波碰到某物體表面時(shí)，電磁波的一部分能量要被反射回去，一部分能量要穿過(guò)邊界傳到第二媒介里，這些進(jìn)入物質(zhì)表面的電磁波通過(guò)各種途徑穿透媒介并在物質(zhì)表面的另一邊變成輻射能，電磁波的強度變弱了；而沒(méi)有穿透過(guò)去的那部分電磁波能量就被吸收了。因此要達到理想吸收電磁波，首先，吸收材料應能盡量使入射到材料表面的電磁波透入，即進(jìn)入到吸收材料里邊去，使電磁波反射達到最小。其次，若使電磁波全部進(jìn)入吸收材料內，要求電磁波入射線(xiàn)要垂直吸收材料的表面。再次，透入到吸收材料里的電磁波能量應能有效地把入射的電磁能量全部吸收。由此可見(jiàn)，暗室的性能（如反射率電平的大?。╆P(guān)鍵取決于所使用的吸收材料，通常所使用的吸收材料為角錐狀，其形狀如圖（1）：

如果采用角錐型吸收材料，則電磁波無(wú)論是以何種極化（平行極化或垂直極化）入射到吸收材料上，總是有兩個(gè)面處于平行極化的斜入射狀態(tài)，另外兩個(gè)面則處于垂直極化狀態(tài)。在斜入射狀態(tài)情況下，垂直極化的界面反射一般都比平行極化大。

在兩種極化都存在的情況下，總體的反射系數在僅有平行極化與垂直極化的反射系數之間，并且比較接近于垂直極化。

電磁波在界面上的反射，根據有關(guān)文獻［1］，在斜入射情況下，其特性阻抗為：

其中θi為入射角，θt為波在介質(zhì)中的折射角，η是受射介質(zhì)的特性阻抗，η0是空氣特性阻抗。一般情況下空氣特性阻抗為入射介質(zhì)的特性阻抗。

兩種極化的電磁波在不同入射角的界面反射系數如圖（2）所示，假定吸收材料。

由此可見(jiàn)，垂直極化波的界面反射系數總是隨入射角的增加而增大。而平行極化波的界面反射系數卻是先隨入射角的增加而減小，并且可較垂直入射時(shí)小得多。然后再隨入射角的增大而增大。除了小入射角和接近于 90°入射角的情況外，大多數情況下，平行極化波的界面反射都遠較垂直極化波的小。

3 小圓柱形微波暗箱的靜區分析

一般而言，暗室的電性能主要由靜區的特性來(lái)表證，靜區的特性又以靜區的大小、靜區內的反射率電平、交叉極化度、場(chǎng)均勻性、路經(jīng)損耗、工作頻率范圍及固有雷達截面參數來(lái)表述。

所謂靜區是指暗室內受各種雜散波干擾最小的區域。它的大小除了與暗室幾何形狀、工作頻率、吸收材料的電性能有關(guān)外，還與所要求的反射率電平、靜區的形狀及暗室的結構有關(guān)。對于小圓柱形暗箱，由于其結構對稱(chēng)、內壁鋪設相同的吸收材料，靜區呈柱狀，軸線(xiàn)與暗箱的軸線(xiàn)一致，它的直徑滿(mǎn)足下式：

式中：λ--波長(cháng)，R--收發(fā)天線(xiàn)的距離。在靜區內的反射率電平，可以用下式描述：

其中：ED為小圓柱形暗箱軸線(xiàn)方向的入射場(chǎng)；

ER為由反射、繞射和散射在測量點(diǎn)合成的等效反射場(chǎng)。

小圓柱形暗箱內任意一點(diǎn)反射率電平的大小是隨著(zhù)工作頻率變化而變化，為了準確地檢測出反射率電平，必須先明確以下幾點(diǎn)：

（1） 把接收天線(xiàn)縱向移動(dòng)（沿圓柱軸線(xiàn)），如果接收信號強度隨著(zhù)1/R 變化［2］（R為收發(fā)天線(xiàn)間的距離），表明圓柱形暗箱測試滿(mǎn)足遠場(chǎng)區測量條件。如果接收信號以半波長(cháng)為周期振蕩變化，表明天線(xiàn)之間耦合較強。如果振蕩周期大于λ/2，表明存在多路經(jīng)反射信號。

（2） 在待測點(diǎn)端面處，上下左右移動(dòng)，或沿軸線(xiàn)縱向移動(dòng)以探測場(chǎng)強是否均勻，如果接收電平起伏優(yōu)于0.25dB，且上下基本對稱(chēng)，表明滿(mǎn)足入射場(chǎng)錐削幅度要求。

4 利用空間駐波法檢驗小圓柱形微波暗箱的反射率電平

從物理上講，沿暗箱軸線(xiàn)橫向或上下移動(dòng)無(wú)方向性探頭天線(xiàn)，測量空間駐波曲線(xiàn)，根據駐波曲線(xiàn)的極大值和極小值Emax（dB）、Emin（dB），確定反射率電平［3］，如圖（3）、圖（4）所示：

但是實(shí)際的天線(xiàn)具有方向性，為此必須對公式（6）進(jìn)行修正，即天線(xiàn)位于φ角接收到的入射場(chǎng)比φ=0°時(shí)的入射場(chǎng)低AdB，在φ方向，駐波曲線(xiàn)極大值與極小值dB數之差為：

則在φ方向上的反射率電平為：

圖（3）、圖（4）分別表示了自由空間的入射、反射波構成的駐波和駐波曲線(xiàn)。顯然該方法的實(shí)際物理意義是：在理想狀態(tài)下，暗箱內只存在直射波，而投射到吸收材料上的電磁波能量絕大部分被吸收掉了，但當有一定的雜散波存在（如反射波、繞射波、散射波等），這些相干波束在極化相同的條件下，當兩波間相位相差2nπ（n=1，2，3）時(shí)，就形成波峰，而相位差為2（n+1）π的地方，兩波相抵消或部分相抵消形成波節，在圓柱形暗箱內出現許多波峰、波節而形成場(chǎng)結構相當復雜的空間駐波分布。因此，在靜區范圍內反射率電平要比其它空間內的反射率電平小很多。

5 確定小圓柱形微波暗箱反射率電平的主要方法

（1） 測量接收天線(xiàn)的方向圖，在所需要的方位角φ上標出相應的方向圖電平A1（dB）。

（2） 將天線(xiàn)最大輻射方向指向φ角，橫向移動(dòng)天線(xiàn)并記錄此時(shí)的空間干涉波曲線(xiàn)，如圖（5）所示：

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