微波暗室性能的低頻三維電磁分析

眾所周知，微波暗室與室外場相比在進(jìn)行天線測量時(shí)具有安全、無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(nèi)表面覆蓋有吸波材料的屏蔽體，源天線及被測體（DUT）和可通過旋轉(zhuǎn)以獲得被測體（DUT）天線方向圖的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)。屏蔽殼體尺寸大小主要是取決于最低工作頻率，當(dāng)暗室工作在VHF和UHF 頻段時(shí)其所需尺寸顯著增大，因而增加了暗室結(jié)構(gòu)和所需吸波材料的費(fèi)用，暗室的最低工作頻率到VHF和UHF頻段時(shí)同室外場相比其優(yōu)點(diǎn)就喪失了。在這種情況下人們關(guān)注的是暗室結(jié)構(gòu)實(shí)際上真正的需求，而選擇了通過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，為了保證天線測量精度的最小水平，DUT測試區(qū)中照射波質(zhì)量和暗室內(nèi)各處反射都需達(dá)標(biāo)，這就特別需要暗室供應(yīng)商能夠精確分析暗室性能，使設(shè)計(jì)的暗室性價(jià)比最高。長期以來暗室的工程分析一直是采用射線跟蹤法，但在最低工作頻率時(shí)暗室尺寸僅幾個(gè)波長，因而精度很差，造成精度差的因素有以下幾點(diǎn)：

● 鏡像區(qū)的反射足以影響DUT測試區(qū)的品質(zhì)，而鏡像區(qū)的特性尺寸有幾個(gè)波長，其表面覆蓋的吸波材料在VHF和UHF頻段時(shí)它的尺寸甚至超過暗室側(cè)墻、頂棚和地面的特性尺寸。
● 有效鏡區(qū)面積較大，在使用射線跟蹤法時(shí)難以確定鏡像的準(zhǔn)確入射角。
● 在低頻時(shí)難以精確地預(yù)判或預(yù)測墻面吸波材料在偏離垂直投射時(shí)的反射系數(shù)。
● 難以精確測量吸波材料的反射系數(shù)的相位。因而僅能計(jì)算DUT測試區(qū)場的有效值（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(shù)的遞減曲線來近似的，這種外推法對(duì)許多暗室就相當(dāng)不精確。

最有效的常用的對(duì)射線跟蹤法的改進(jìn)是口徑積分法，即從側(cè)墻反射進(jìn)入測試區(qū)的反射場是用整個(gè)口徑的基爾霍夫（Kirchhoff）積分計(jì)算（包括側(cè)墻、頂棚或地面），測試區(qū)內(nèi)場是反射場與源天線輻射場的疊加。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(shù)的信息(兩個(gè)交叉極化的幅度和相位)的限制。如前所述，對(duì)UHF和VHF頻段就更成問題了。此外，無論口徑積分法還是射線跟蹤法對(duì)此頻段的暗室內(nèi)多重反射都是無法計(jì)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(duì)暗室性能的精度預(yù)估可能導(dǎo)致暗室的設(shè)計(jì)不是最佳。然而是不是最佳性能也不總是能判斷出來的，例如在測試區(qū)內(nèi)場探測也可能表示不出場變化和起伏的全貌，那是由于在低頻時(shí)室內(nèi)表面反射和直射造成的干涉圖的波動(dòng)周期較長的緣故。為了保證適當(dāng)?shù)陌凳倚阅?，暗室場?qiáng)探測應(yīng)在盡可能的整個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行，在測試區(qū)內(nèi)整個(gè)頻帶上的場強(qiáng)鋸齒形起伏變化應(yīng)加以標(biāo)注，多次匹配調(diào)整收發(fā)極化時(shí)在整個(gè)頻帶內(nèi)記錄下來的信號(hào)起伏小就說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(duì)低頻來說是有限制性，顯然需要嚴(yán)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。

不久前尚無用于解決此類問題的暗室三維定量分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，但近來隨著PC計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)算仿真的低頻暗室性能典型的仿真結(jié)果如下所述。

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

● 吸波材料的布局與品質(zhì)。
● 源天線／DUT的間距。
● 工作頻率。
● 源天線波束寬度。
● DUT轉(zhuǎn)臺(tái)情況。
● DUT支撐結(jié)構(gòu)形狀和材料情況。

通過這些分析就能提供出關(guān)于源天線與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(dá)到所需性能的暗室最小尺寸。

三 暗室的模型法

對(duì)于暗室模擬最有效的方法就是建立各種不同類型吸波材料的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，如角錐材料、楔型材料、復(fù)合材料（如角錐背面復(fù)合鐵氧體瓦）、吸波地板材料等。每種類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(duì)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(fù)載特性輸入并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，這是基于整個(gè)頻段材料特性ε′（f）、ε″（f）、μ′（f）、μ″（f）的測量而來的。材料的精確特性是用于模擬的最重要的參數(shù)之一。

圖1 a 暗室設(shè)計(jì)的等距線觀察圖

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(shè)計(jì)案例，吸波材料的布局包括不同類型不同級(jí)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(duì)角線上“鏡像區(qū)”的龜背突起，在地面遠(yuǎn)端可用低檔次角錐和楔狀材料。轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)是用玻璃鋼纖維塔支撐DUT，走道材料也表示在布局中，當(dāng)然對(duì)它們都要進(jìn)行模擬。

四 吸波材料的布局和等級(jí)品質(zhì)的最佳選擇

此處討論了吸波材料的布局和等級(jí)品質(zhì)對(duì)測試區(qū)性能的效應(yīng)，假設(shè)暗室布局與前述類似，測試區(qū)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(shè)0.9米或1.2米高角錐吸波材料，測試區(qū)的場強(qiáng)以等值線形式在測試區(qū)中心切面表示的，仔細(xì)觀察明顯看出場強(qiáng)b狀況比a狀況更均勻，也就是說用1.2米高角錐更優(yōu)越。也可以看出側(cè)墻的反射（相應(yīng)H面入射）比地面或頂棚反射（相應(yīng)E面入射）要大，故產(chǎn)生在測試區(qū)的場分布形成橢圓型。

圖2 以測試區(qū)中心點(diǎn)歸算的測試區(qū)的場軌跡.

a 用0.9米角錐吸波材料
b 用1.2米角錐吸波材料

五 源天線與DUT距離對(duì)測試區(qū)性能的效應(yīng)

對(duì)VHF和UHF頻段來說，源天線和DUT之間的間距是一個(gè)重要的參數(shù)，它能強(qiáng)烈影響測試區(qū)的性能。眾所周知，對(duì)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(dāng)好。但對(duì)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)天線不同間距時(shí)的暗室測試區(qū)場強(qiáng)等值線。

a 間距3米

b 間距6米

圖3 以源天線與DUT間距為參數(shù)測試區(qū)場軌跡圖

3米間距對(duì)側(cè)墻、地板和天花板的入射角近似27度。
6米間距對(duì)側(cè)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(dǎo)致不期望不要求的測試區(qū)橫截面的場擾動(dòng)，在測試區(qū)中心很小的地方電波場結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不穩(wěn)定，這可導(dǎo)致頻率速變，結(jié)果就是在測試區(qū)難以控制場的均勻性。

六 源天線波束寬度對(duì)測試區(qū)性能的效應(yīng)

在設(shè)計(jì)暗室時(shí)另一個(gè)重要參數(shù)就是源天線的波束寬度。如前所述，暗室內(nèi)H面的反射本征上就比E面大，能夠減少源天線波束寬度來改進(jìn)本來就不太大的反射。然而如果太大減少波束寬度會(huì)導(dǎo)致幅度錐削變大和減小測試區(qū)尺寸，對(duì)VHF和UHF頻段來說減少波束寬度也不太容易，因?yàn)檫@需要增加源天線的尺寸，這對(duì)暗室是不實(shí)際的。源天線的最佳選擇比暗室結(jié)構(gòu)更重要，因而說電磁仿真是一很重要的工具。

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

圖4中表明了仿真實(shí)例，單對(duì)數(shù)周期振子天線和間距為半波長、雙對(duì)數(shù)周期振子天線源天線所形成的測試區(qū)場等值線圖和它們的差別。觀察圖5的等值線圖可以看出雙對(duì)數(shù)周期天線陣產(chǎn)生比較均勻的場，顯示出場接近圓對(duì)稱的軌跡線。

a 單隊(duì)數(shù)周期振子天線，3dB BW=106°

b 雙對(duì)數(shù)周期振子天線，3dB BW=73°

圖5 用不同源天線獲得的測試區(qū)的場軌跡圖

七 轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備對(duì)測試區(qū)性能的效應(yīng)

圖6 計(jì)入轉(zhuǎn)臺(tái)、走道和玻璃鋼纖維塔后的測試區(qū)場強(qiáng)圖

在任何暗室內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)和走道吸波材料對(duì)操作人員接近DUT都是必須的，結(jié)果就是由于它們相當(dāng)近接近測試區(qū)，就會(huì)引起不需要的和不可控制的測試區(qū)場擾動(dòng)，尤其是在低頻段它們?cè)跍y試區(qū)內(nèi)的效應(yīng)通常難以或無法估算。電磁三維計(jì)算仿真就是能夠事先計(jì)入和估算它們對(duì)測試區(qū)影響的工具。圖6就表示出轉(zhuǎn)臺(tái)和支撐DUT的玻璃鋼纖維塔是如何影響測試區(qū)性能的。明顯的是場可能喪失最重要的對(duì)稱性和造成場的峰值（或測試區(qū)的中心）向上移動(dòng)甚至于到DUT位置之上。當(dāng)然在轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)上裝上吸波材料可以減小這些效應(yīng)。

八 結(jié)論

對(duì)于低頻段VHF和UHF的三維電磁分析系統(tǒng)是用時(shí)域軟件完成的，引入以前所用過分析方法的足夠多的優(yōu)點(diǎn)就是能獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的測試區(qū)的特性。就能做出比較好的性價(jià)比和設(shè)計(jì)高性能的暗室?？梢员辉u(píng)價(jià)的性能因素有：

● 在布置上各種特性各種級(jí)別的吸波材料后對(duì)測試區(qū)性能能夠全波段進(jìn)行分析。
● 限定最佳的源天線與DUT的間距，它們是頻率的函數(shù)。
● 源天線的最佳選擇。
● 分析DUT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的效應(yīng)以及吸波地板對(duì)測試區(qū)的影響。