微波暗箱反射率電平分析與測(cè)量
1 概述
無線電工程師極力尋求一個(gè)無線電引信輻射的電磁波,它可以自由地向四面八方輻射而沒有任何反射干擾,換句話說,就是極力尋求一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室條件下,能夠提供一個(gè)為無線電引信工作的自由空間。
無回波吸收室的出現(xiàn) 滿足了這類工程研究的需要。這類無回波吸收室是指用無線電波吸收材料構(gòu)成內(nèi)壁的房間。利用這種特殊的墻壁使得入射的電磁波被最大限度的吸收,最小限度的反射,并且在室內(nèi)的某一部分空間能構(gòu)成一個(gè)接近自由空間條件的無回波區(qū)域。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/193519.htm無回波吸收室用途是相當(dāng)廣泛的,幾乎所有的無線電參數(shù)的測(cè)試工作都可在無回波吸收室內(nèi)進(jìn)行,比如天線特性測(cè)試、雷達(dá)截面測(cè)試、整機(jī)系統(tǒng)靈敏度測(cè)試等各種各樣的模擬試驗(yàn),各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星上的無線電設(shè)備也都可以在無回波吸收室內(nèi)進(jìn)行綜合試驗(yàn)。
2 吸收材料的性能分析
無回波吸收材料,顧名思義,就是用來吸收電磁波能量的,像黑色顏料吸收光線一樣。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(zhǎng)的厚度。
吸收體的吸收性能可以這樣理解,當(dāng)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(qiáng)度變?nèi)趿?;而沒有穿透過去的那部分電磁波能量就被吸收了。因此要達(dá)到理想吸收電磁波,首先,吸收材料應(yīng)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(dá)到最小。其次,若使電磁波全部進(jìn)入吸收材料內(nèi),要求電磁波入射線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(yīng)能有效地把入射的電磁能量全部吸收。由此可見,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(shù)在僅有平行極化與垂直極化的反射系數(shù)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(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[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(shù)如圖(2)所示,假定吸收材料。
由此可見,垂直極化波的界面反射系數(shù)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(shù)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(shù)情況下,平行極化波的界面反射都遠(yuǎn)較垂直極化波的小。
3 小圓柱形微波暗箱的靜區(qū)分析
一般而言,暗室的電性能主要由靜區(qū)的特性來表證,靜區(qū)的特性又以靜區(qū)的大小、靜區(qū)內(nèi)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(dá)截面參數(shù)來表述。
所謂靜區(qū)是指暗室內(nèi)受各種雜散波干擾最小的區(qū)域。它的大小除了與暗室?guī)缀涡螤?、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(qū)的形狀及暗室的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于小圓柱形暗箱,由于其結(jié)構(gòu)對(duì)稱、內(nèi)壁鋪設(shè)相同的吸收材料,靜區(qū)呈柱狀,軸線與暗箱的軸線一致,它的直徑滿足下式:
式中:λ--波長(zhǎng),R--收發(fā)天線的距離。在靜區(qū)內(nèi)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方向的入射場(chǎng);
ER為由反射、繞射和散射在測(cè)量點(diǎn)合成的等效反射場(chǎng)。
小圓柱形暗箱內(nèi)任意一點(diǎn)反射率電平的大小是隨著工作頻率變化而變化,為了準(zhǔn)確地檢測(cè)出反射率電平,必須先明確以下幾點(diǎn):
(1) 把接收天線縱向移動(dòng)(沿圓柱軸線),如果接收信號(hào)強(qiáng)度隨著1/R 變化[2](R為收發(fā)天線間的距離),表明圓柱形暗箱測(cè)試滿足遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)測(cè)量條件。如果接收信號(hào)以半波長(zhǎng)為周期振蕩變化,表明天線之間耦合較強(qiáng)。如果振蕩周期大于λ/2,表明存在多路經(jīng)反射信號(hào)。
(2) 在待測(cè)點(diǎn)端面處,上下左右移動(dòng),或沿軸線縱向移動(dòng)以探測(cè)場(chǎng)強(qiáng)是否均勻,如果接收電平起伏優(yōu)于0.25dB,且上下基本對(duì)稱,表明滿足入射場(chǎng)錐削幅度要求。
4 利用空間駐波法檢驗(yàn)小圓柱形微波暗箱的反射率電平
從物理上講,沿暗箱軸線橫向或上下移動(dòng)無方向性探頭天線,測(cè)量空間駐波曲線,根據(jù)駐波曲線的極大值和極小值Emax(dB)、Emin(dB),確定反射率電平[3],如圖(3)、圖(4)所示:
但是實(shí)際的天線具有方向性,為此必須對(duì)公式(6)進(jìn)行修正,即天線位于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,駐波曲線極大值與極小值dB數(shù)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(gòu)成的駐波和駐波曲線。顯然該方法的實(shí)際物理意義是:在理想狀態(tài)下,暗箱內(nèi)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(dāng)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(dāng)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(jié),在圓柱形暗箱內(nèi)出現(xiàn)許多波峰、波節(jié)而形成場(chǎng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的空間駐波分布。因此,在靜區(qū)范圍內(nèi)反射率電平要比其它空間內(nèi)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(cè)量接收天線的方向圖,在所需要的方位角φ上標(biāo)出相應(yīng)的方向圖電平A1(dB)。
(2) 將天線最大輻射方向指向φ角,橫向移動(dòng)天線并記錄此時(shí)的空間干涉波曲線,如圖(5)所示:
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