用于低頻段天線測量錐形暗室的設計及實現

楊旭娟 李自強 黃亮 蔣艷軍

（1.航天長屏科技有限公司南京分公司 江蘇省南京市 211000 2.南京南大波平電子信息有限公司 江蘇省南京市 211000）

（3.南京航天波平電子科技有限公司 江蘇省南京市 210043）

1 引言

在天線設計和制造時，通常需測量許多參數，如：天線輻射方向圖、增益、阻抗或極化特性。通常采用遠場測試技術，待測天線安裝在發射天線的遠場范圍內，其它測試技術包括近場和緊縮場等測試，一般按最關注的待測天線參數和性價比來選用何種天線測試場。考慮到外界環境的電磁干擾和天氣影響，主要采用屏蔽暗室進行室內測量。目前對天線參數測量的暗室形狀以矩形為主。暗室的結構尺寸是根據被測物用途、被測區域大小、頻率范圍、測試距離等因素來確定。通常工作頻率在1GHz 以上的暗室采用矩形暗室結構，矩形暗室可以較好的模擬自由空間的電磁波傳輸特性，工作頻段寬，具有較好的靜區性能，使用靈活方便，是較為成熟的產品。但在低頻天線參數測試時（目前雷達天線應用低頻已下探至100MHz），暗室體積較大，使用的吸波材料高度高，造價昂貴。

2 天線遠場測量

設計天線測試暗室需要考慮的因素：測試頻率范圍、測量精度、口徑大小、天線的主瓣與副瓣的差值、可建設暗室的空間尺寸、屏蔽需求及測試方法的選擇。

2.1 遠場測試條件

無論是矩形暗室還是錐形暗室遠場測試設計時都需要滿足遠場測試條件：

式（1）中D 為被測天線口徑最大值；R 為測試距離；λ 為工作波長。

遠場條件的實質就是在被測天線的口面上的相位差不超過π/8，以免影響到測試精度。靜區是指暗室內電磁波干擾最小的區域，一般也是被測物進行測試時所在位置范圍。通常情況下，靜區尺寸與天線口徑相等或稍大（包括天線移動范圍）。根據遠場條件公式在0.1GHz-6GHz 頻率范圍內，若靜區尺寸要求1.5m 時不同頻率下對應的遠場測試距離見表1；若被測天線口徑0.3GHz 時最大尺寸為4.7m，則需要測試距離≥45 米，測試距離45 米時不同頻率下所對應的天線口徑的最大尺寸見表2。

表2：滿足遠場條件下天線的口徑最大尺寸（R=45m）

2.2 吸波材料的選取

由表1、2 可見，無論是低頻（如0.3GHz）還是1G 以上為保證天線大口徑測試需求，測試距離都需要較長。如果測試距離≥45米，所建矩形暗室長度至少要達到55 米以上。在暗室中，關鍵是要減小到達靜區中的反射能量,側墻(地板和天花板)的反射是一種斜入射，吸波材料性能降低明顯。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（即0 度），將有所降低，如圖1所示。

圖1：電磁波入射角為θ 時示意圖

表1：不同頻率下對應的遠場測試距離（D=1.5m）

吸波材料在電磁波不同入射角時，性能變化具有相似的規律，可以用以下近似公式表示；

由此可以得出任意角度下的吸波材料的反射率公式：

h/λ>30、h/λ<0.4 時，上述公式不再適用（h 表示吸波材料高度）。

可見當吸波材料入射角度大于45°以后，吸波性能將急劇下降，超過60°將下降10dB 以上。因此矩形暗室四側墻材料性能非常關鍵，一般要求入射角要小于60°，矩形暗室的寬度最好要與測試距離相當。微波暗室電性能的核心指標是靜區反射電平，其它指標本質上均與靜區反射電平有關，靜區反射電平大小與暗室結構設計、暗室布局、吸收材料性能及源天線的增益有關，但總體來說，最低工作頻率靜區反射電平最難達到要求[1]。如果0.3GHz 時靜區反射電平設計在-35 和-40dB,這意味著后墻吸波材料要求的正常反射率是-40和-45dB。雖然存在發射天線的增益，照射到側墻(地板和天花板)的能量會少一些，但由于低頻天線的增益往往都較低，發射天線和靜區之間存在鏡面反射的側墻區域仍需要大面積高性能和造價高的吸波材料，如圖2所示（對靜區性能影響最大起主導作用的反射區稱為主反射區，也叫菲涅爾區）。

圖2：矩形暗室入射和反射波示意圖

角錐型吸波材料的吸波性能（這里指垂直反射率）取決于參數h/λ，h/λ 越大，吸波性能越好。結合國內外知名品牌吸波材料性能，見表3，2 米以上材料才能滿足低頻的高性能要求。

表3：國內外吸波材料電性能比較

2.3 暗室結構形狀選取

在傳統的天線測試場中，發射和接收天線分別位于對方的遠場處，兩者通常隔得足夠遠，來模擬想要的工作環境，以便在被測物孔徑上產生接近平面的波陣面。在矩形暗室中，是采用墻面吸波材料來吸收空間反射的。當矩形暗室在低頻段性價比不高的情況下，出現了錐形暗室的設計，其在低頻能具有較好的靜區性能，高吸波材料用量很少，同時暗室體積較小，造價較低。在錐形暗室中，在靠近發射天線的部分，設計成一個圓錐體，一方面利用圓錐體的角度，形成掠射角度，將大部分發射能量，直接導向后墻，而不反射入測試靜區；其余的能反射入靜區的能量，通過錐角度和發射天線位置的設計，利用錐體形狀使反射區域更接近饋源，使得此部分的波前與直射波前波程差小于π/8。這樣可以看成是在暗室的發射端形成反射源陣列，類似很均勻的天線陣列對靜區照射。所以錐形暗室是利用了錐角端的反射，而不是減少側墻面的反射，相當于提高了發射天線的增益[5]，反射波成為了照射的一部分，從而側墻不需要使用昂貴的高性能吸波材料。矩形暗室是處于一種真正的模擬自由空間狀態，而錐形暗室是利用反射形成照射能量，由于使用了反射的射線，因此最終形成的是帶波紋的準自由空間，而非真正的自由空間，如圖3所示。

圖3：錐形暗室的反射形成的平面波

3 錐形微波暗室

錐形暗室主要用于解決天線低頻段遠場測試時，天線方向性差、吸波材料性能要求高、矩形暗室造價高、可利用建設空間受限等問題。通過仔細設計和調試，使得最終的靜區幅度波動和相位錐度接近自由空間中的期望值。

3.1 原理設計

錐形暗室一般由圓錐體、方圓過渡、角錐體和矩形四部分組成。

圓錐體部分：發射天線所在位置形成平面波。利用該部分形狀使最大反射區域更接近饋源，即發射點鏡像非常接近。該部分角錐角度與工作頻率有關，頻率越高錐角越小，一般6GHz 內角錐的角度低于36°，當達到18GHz 時應小于30°，同時錐角角度還要考慮便于發射天線在圓錐體內移動調節。

方圓過渡部分：使圓錐體發射區轉變成方形或矩形的角錐體。為了使照射波在靜區有足夠的均勻性，該部分采用多面體逐步過渡到矩形角錐體，防止雜散和高次模的產生。保證鏡像天線組成的陣列元間距在低頻時小于一個波長，以保證靜區的照射波均勻。

矩形部分：測試區域,用于放置轉臺和被測物。該部分尺寸首先應大于被測區域尺寸（靜區尺寸）的3 倍，其次要考慮各面吸波材料的尺寸，人員走動通道及低頻時端墻吸波材料反射性能的改善，采用端墻傾斜結構等。

角錐體部分：從錐形過渡到矩形測試區。該部分的照射波大部分反射到靜區之外，所以只要保證平滑，不產生額外的散射即可。其長度根據測試距離、方圓過渡和矩形兩部分的要求整體考慮。

3.2 吸波材料布局

正常錐形暗室靜區性能應與端墻吸波材料性能相當。即錐形暗室矩形部分端墻選用的是暗室內性能最好的材料（一般也是暗室內高度最高的材料），矩形部分側墻對應于端墻選用性能次優的材料；圓錐體部分根據實際尺寸選用適宜高度的吸波材料；其余部分根據頻率范圍選用楔形材料，并且為了使角錐部分楔形吸波材料與圓錐體間吸波材料有機連接（無縫對接），因此楔形材料采用高度漸變形式，防止不連續處的反射影響波形和靜區性能。

3.3 靜區性能仿真計算

采用FDTD 電磁場模擬軟件包對錐形暗室的靜區反射電平、靜區波紋振幅以及靜區相位均勻性進行全波仿真。該軟件以 FDTD（時域有限差分）算法為主，逐步計算全空間的電磁場，其最大的優點在于能夠真實反映電磁場在介質空間（真空，波導，暗室）中的動態傳播過程。通過FDTD 計算和分析，錐形暗室靜區反射電平仿真結果見表4。

表4：靜區反射電平仿真結果列表（單位：dB)

另外錐形暗室建成后，由于暗室尺寸、錐角形狀、吸波性能工程實施中的誤差，無法與仿真設計達到完全一致，使得暗室實際性能與設計指標存在偏差，需要對錐形暗室靜區性能進行測試分析和不斷的調試來達到測試的要求。此時可采用一種高度自動化的錐形暗室靜區性能測試系統，該系統可實現測試數據的處理分析，以曲線形式顯示結果，為最終暗室性能調試提供快速準確的參考，有效縮短暗室性能調試時間和成本[4]。

4 結論

采用上述方法和措施設計的錐形暗室，在某暗室工程中獲得了成功應用。經有資質的權威測試單位檢測鑒定，暗室靜區反射電平達到了-44.5dB@0.3 ～6GHz （該錐形暗室矩形部分長寬高均為15m，靜區長寬高均為1.35m），實現了預定的設計目標。錐形與矩形暗室各項比較見表5。

表5：錐形與矩形暗室比較表

由此可見當矩形暗室低頻段測試表現不是很好，或者是造價太高時，可以選用錐形暗室設計，對微波暗室的設計建造具有良好的借鑒性和指導性。