微波暗室性能的低頻三維電磁分析

眾所周知，微波暗室與室外場(chǎng)相比在進(jìn)行天線(xiàn)測量時(shí)具有安全、無(wú)輻射干擾及不受天氣因素影響的優(yōu)點(diǎn)。典型的微波暗室包括內表面覆蓋有吸波材料的屏蔽體，源天線(xiàn)及被測體（DUT）和可通過(guò)旋轉以獲得被測體（DUT）天線(xiàn)方向圖的轉臺系統。屏蔽殼體尺寸大小主要是取決于最低工作頻率，當暗室工作在VHF和UHF 頻段時(shí)其所需尺寸顯著(zhù)增大，因而增加了暗室結構和所需吸波材料的費用，暗室的最低工作頻率到VHF和UHF頻段時(shí)同室外場(chǎng)相比其優(yōu)點(diǎn)就喪失了。在這種情況下人們關(guān)注的是暗室結構實(shí)際上真正的需求，而選擇了通過(guò)減小暗室尺寸降低造價(jià)和增加暗室尺寸以保證最起碼的性能水平的一個(gè)折衷，為了保證天線(xiàn)測量精度的最小水平，DUT測試區中照射波質(zhì)量和暗室內各處反射都需達標，這就特別需要暗室供應商能夠精確分析暗室性能，使設計的暗室性?xún)r(jià)比最高。長(cháng)期以來(lái)暗室的工程分析一直是采用射線(xiàn)跟蹤法，但在最低工作頻率時(shí)暗室尺寸僅幾個(gè)波長(cháng)，因而精度很差，造成精度差的因素有以下幾點(diǎn)：

● 鏡像區的反射足以影響DUT測試區的品質(zhì)，而鏡像區的特性尺寸有幾個(gè)波長(cháng)，其表面覆蓋的吸波材料在VHF和UHF頻段時(shí)它的尺寸甚至超過(guò)暗室側墻、頂棚和地面的特性尺寸。
● 有效鏡區面積較大，在使用射線(xiàn)跟蹤法時(shí)難以確定鏡像的準確入射角。
● 在低頻時(shí)難以精確地預判或預測墻面吸波材料在偏離垂直投射時(shí)的反射系數。
● 難以精確測量吸波材料的反射系數的相位。因而僅能計算DUT測試區場(chǎng)的有效值（RMS）及和的平方根值（RSS），如此只能提供近似值。
● 在VHF和UHF頻段，許多情況都是基于吸波材料在2GHz以上斜入射時(shí)反射系數的遞減曲線(xiàn)來(lái)近似的，這種外推法對許多暗室就相當不精確。

最有效的常用的對射線(xiàn)跟蹤法的改進(jìn)是口徑積分法，即從側墻反射進(jìn)入測試區的反射場(chǎng)是用整個(gè)口徑的基爾霍夫（Kirchhoff）積分計算（包括側墻、頂棚或地面），測試區內場(chǎng)是反射場(chǎng)與源天線(xiàn)輻射場(chǎng)的疊加。雖然這種方法比較好的適用于暗室的分析，但所得到的精度仍受到限制，這是由于所用的吸波材料垂直和斜投射時(shí)反射系數的信息(兩個(gè)交叉極化的幅度和相位)的限制。如前所述，對UHF和VHF頻段就更成問(wèn)題了。此外，無(wú)論口徑積分法還是射線(xiàn)跟蹤法對此頻段的暗室內多重反射都是無(wú)法計算，但這又是很重要的。

一 不精確的暗室分析的后果

由于缺乏對暗室性能的精度預估可能導致暗室的設計不是最佳。然而是不是最佳性能也不總是能判斷出來(lái)的，例如在測試區內場(chǎng)探測也可能表示不出場(chǎng)變化和起伏的全貌，那是由于在低頻時(shí)室內表面反射和直射造成的干涉圖的波動(dòng)周期較長(cháng)的緣故。為了保證適當的暗室性能，暗室場(chǎng)強探測應在盡可能的整個(gè)頻帶內進(jìn)行，在測試區內整個(gè)頻帶上的場(chǎng)強鋸齒形起伏變化應加以標注，多次匹配調整收發(fā)極化時(shí)在整個(gè)頻帶內記錄下來(lái)的信號起伏小就說(shuō)明了暗室的性能比較好。

二 三維電磁仿真

前述的分析技術(shù)對低頻來(lái)說(shuō)是有限制性，顯然需要嚴格地進(jìn)行綜合分析，比較合適的分析就是下述的三維電磁仿真法。

不久前尚無(wú)用于解決此類(lèi)問(wèn)題的暗室三維定量分析的標準軟件包，但近來(lái)隨著(zhù)PC計算機技術(shù)的進(jìn)步，有了用時(shí)域法技術(shù)的三維電磁分析的計算仿真軟件包，使此種分析變成可能。

ORBIT/FR公司用商用變換解算軟件包完美的完成了低頻暗室的性能仿真。采用三維時(shí)域技術(shù)計算仿真的低頻暗室性能典型的仿真結果如下所述。

主要的分析是對室內感興趣地點(diǎn)的場(chǎng)均勻性進(jìn)行分析，譬如DUT測試區及隨后決定的暗室內的幅度錐削及紋波、相位變化和導致的交叉極化電平。這些量都是與如下參數有關(guān)：

● 吸波材料的布局與品質(zhì)。
● 源天線(xiàn)／DUT的間距。
● 工作頻率。
● 源天線(xiàn)波束寬度。
● DUT轉臺情況。
● DUT支撐結構形狀和材料情況。

通過(guò)這些分析就能提供出關(guān)于源天線(xiàn)與DUT的距離和位置、吸波材料的布局情況的信息，以致于能夠做到達到所需性能的暗室最小尺寸。

三 暗室的模型法

對于暗室模擬最有效的方法就是建立各種不同類(lèi)型吸波材料的標準數據庫，如角錐材料、楔型材料、復合材料（如角錐背面復合鐵氧體瓦）、吸波地板材料等。每種類(lèi)型材料都有不同尺寸，如角錐材料有從5厘米高到2.4米的高度，對UHF和VHF頻段有更高的高度，典型的有0.9～2.4米。把材料的負載特性輸入并儲存在數據庫內，這是基于整個(gè)頻段材料特性ε′（f）、ε″（f）、μ′（f）、μ″（f）的測量而來(lái)的。材料的精確特性是用于模擬的最重要的參數之一。

圖1 a 暗室設計的等距線(xiàn)觀(guān)察圖

b 吸波材料在地板上的布局

圖1中給出一個(gè)典型暗室設計案例，吸波材料的布局包括不同類(lèi)型不同級別的材料，暗室尺寸：H=6m、W=6m、L=10m，工作頻率低至150MHz。地面包括安置在對角線(xiàn)上“鏡像區”的龜背突起，在地面遠端可用低檔次角錐和楔狀材料。轉臺系統是用玻璃鋼纖維塔支撐DUT，走道材料也表示在布局中，當然對它們都要進(jìn)行模擬。

四 吸波材料的布局和等級品質(zhì)的最佳選擇

此處討論了吸波材料的布局和等級品質(zhì)對測試區性能的效應，假設暗室布局與前述類(lèi)似，測試區性能和比較是在兩種情況下進(jìn)行的。即接收端墻（暗室主墻）和“龜背突起”部分分別布設0.9米或1.2米高角錐吸波材料，測試區的場(chǎng)強以等值線(xiàn)形式在測試區中心切面表示的，仔細觀(guān)察明顯看出場(chǎng)強b狀況比a狀況更均勻，也就是說(shuō)用1.2米高角錐更優(yōu)越。也可以看出側墻的反射（相應H面入射）比地面或頂棚反射（相應E面入射）要大，故產(chǎn)生在測試區的場(chǎng)分布形成橢圓型。

圖2 以測試區中心點(diǎn)歸算的測試區的場(chǎng)軌跡.

a 用0.9米角錐吸波材料
b 用1.2米角錐吸波材料

五 源天線(xiàn)與DUT距離對測試區性能的效應

對VHF和UHF頻段來(lái)說(shuō)，源天線(xiàn)和DUT之間的間距是一個(gè)重要的參數，它能強烈影響測試區的性能。眾所周知，對微波頻率（＞2GHz）大入射角，譬如 65度，吸波材料的吸波性能也相當好。但對VHF和UHF頻段在較大的入射角時(shí)吸波性能大大惡化。圖3所示是收發(fā)天線(xiàn)不同間距時(shí)的暗室測試區場(chǎng)強等值線(xiàn)。

a 間距3米

b 間距6米

圖3 以源天線(xiàn)與DUT間距為參數測試區場(chǎng)軌跡圖

3米間距對側墻、地板和天花板的入射角近似27度。
6米間距對側墻、地板和天花板的入射角近似45度。

可以明顯看出間距會(huì )導致不期望不要求的測試區橫截面的場(chǎng)擾動(dòng)，在測試區中心很小的地方電波場(chǎng)結構表現不穩定，這可導致頻率速變，結果就是在測試區難以控制場(chǎng)的均勻性。

六 源天線(xiàn)波束寬度對測試區性能的效應

在設計暗室時(shí)另一個(gè)重要參數就是源天線(xiàn)的波束寬度。如前所述，暗室內H面的反射本征上就比E面大，能夠減少源天線(xiàn)波束寬度來(lái)改進(jìn)本來(lái)就不太大的反射。然而如果太大減少波束寬度會(huì )導致幅度錐削變大和減小測試區尺寸，對VHF和UHF頻段來(lái)說(shuō)減少波束寬度也不太容易，因為這需要增加源天線(xiàn)的尺寸，這對暗室是不實(shí)際的。源天線(xiàn)的最佳選擇比暗室結構更重要，因而說(shuō)電磁仿真是一很重要的工具。

圖4 對數周期振子源天線(xiàn)H面方向圖
a 單對數周期陣子天線(xiàn) 3dB BW=106°
b 雙對數周期振子天線(xiàn) 3dB BW=73°

圖4中表明了仿真實(shí)例，單對數周期振子天線(xiàn)和間距為半波長(cháng)、雙對數周期振子天線(xiàn)源天線(xiàn)所形成的測試區場(chǎng)等值線(xiàn)圖和它們的差別。觀(guān)察圖5的等值線(xiàn)圖可以看出雙對數周期天線(xiàn)陣產(chǎn)生比較均勻的場(chǎng)，顯示出場(chǎng)接近圓對稱(chēng)的軌跡線(xiàn)。

a 單隊數周期振子天線(xiàn)，3dB BW=106°

b 雙對數周期振子天線(xiàn)，3dB BW=73°

圖5 用不同源天線(xiàn)獲得的測試區的場(chǎng)軌跡圖

七 轉臺等設備對測試區性能的效應

圖6 計入轉臺、走道和玻璃鋼纖維塔后的測試區場(chǎng)強圖

在任何暗室內轉臺和走道吸波材料對操作人員接近DUT都是必須的，結果就是由于它們相當近接近測試區，就會(huì )引起不需要的和不可控制的測試區場(chǎng)擾動(dòng)，尤其是在低頻段它們在測試區內的效應通常難以或無(wú)法估算。電磁三維計算仿真就是能夠事先計入和估算它們對測試區影響的工具。圖6就表示出轉臺和支撐DUT的玻璃鋼纖維塔是如何影響測試區性能的。明顯的是場(chǎng)可能喪失最重要的對稱(chēng)性和造成場(chǎng)的峰值（或測試區的中心）向上移動(dòng)甚至于到DUT位置之上。當然在轉臺系統上裝上吸波材料可以減小這些效應。

八 結論

對于低頻段VHF和UHF的三維電磁分析系統是用時(shí)域軟件完成的，引入以前所用過(guò)分析方法的足夠多的優(yōu)點(diǎn)就是能獲得相當準確的測試區的特性。就能做出比較好的性?xún)r(jià)比和設計高性能的暗室?？梢员辉u價(jià)的性能因素有：

● 在布置上各種特性各種級別的吸波材料后對測試區性能能夠全波段進(jìn)行分析。
● 限定最佳的源天線(xiàn)與DUT的間距，它們是頻率的函數。
● 源天線(xiàn)的最佳選擇。
● 分析DUT設備系統所產(chǎn)生的效應以及吸波地板對測試區的影響。