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)行天線測量時具有安全、無輻射干擾及不受天氣因素影響的優(yōu)點。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用，暗室的最低工作頻率到VHF和UHF頻段時同室外場相比其優(yōu)點就喪失了。在這種情況下人們關(guān)注的是暗室結(jié)構(gòu)實際上真正的需求，而選擇了通過減小暗室尺寸降低造價和增加暗室尺寸以保證最起碼的性能水平的一個折衷，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)計的暗室性價比最高。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暗室尺寸僅幾個波長，因而精度很差，造成精度差的因素有以下幾點：

● 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)的特性尺寸有幾個波長，其表面覆蓋的吸波材料在VHF和UHF頻段時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難以確定鏡像的準(zhǔn)確入射角。
● 在低頻時難以精確地預(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以上斜入射時反射系數(shù)的遞減曲線來近似的，這種外推法對許多暗室就相當(dāng)不精確。

最有效的常用的對射線跟蹤法的改進(jìn)是口徑積分法，即從側(cè)墻反射進(jìn)入測試區(qū)的反射場是用整個口徑的基爾霍夫（Kirchhoff）積分計算（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反射系數(shù)的信息(兩個交叉極化的幅度和相位)的限制。如前所述，對UHF和VHF頻段就更成問題了。此外，無論口徑積分法還是射線跟蹤法對此頻段的暗室內(nèi)多重反射都是無法計算，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(yù)估可能導(dǎo)致暗室的設(shè)計不是最佳。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，那是由于在低頻時室內(nèi)表面反射和直射造成的干涉圖的波動周期較長的緣故。為了保證適當(dāng)?shù)陌凳倚阅?，暗室場強探測應(yīng)在盡可能的整個頻帶內(nèi)進(jìn)行，在測試區(qū)內(nèi)整個頻帶上的場強鋸齒形起伏變化應(yīng)加以標(biāo)注，多次匹配調(diào)整收發(fā)極化時在整個頻帶內(nèi)記錄下來的信號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計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，有了用時域法技術(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。采用三維時域技術(shù)計算仿真的低頻暗室性能典型的仿真結(jié)果如下所述。

主要的分析是對室內(nèi)感興趣地點的場均勻性進(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)載特性輸入并儲存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，這是基于整個頻段材料特性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中給出一個典型暗室設(shè)計案例，吸波材料的布局包括不同類型不同級別的材料，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(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距離對測試區(qū)性能的效應(yīng)

對VHF和UHF頻段來說，源天線和DUT之間的間距是一個重要的參數(shù)，它能強烈影響測試區(qū)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(dāng)好。但對VHF和UHF頻段在較大的入射角時吸波性能大大惡化。圖3所示是收發(fā)天線不同間距時的暗室測試區(qū)場強等值線。

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米間距對側(cè)墻、地板和天花板的入射角近似27度。
6米間距對側(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導(dǎo)致不期望不要求的測試區(qū)橫截面的場擾動，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 源天線波束寬度對測試區(qū)性能的效應(yīng)

在設(shè)計暗室時另一個重要參數(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導(dǎo)致幅度錐削變大和減小測試區(qū)尺寸，對VHF和UHF頻段來說減少波束寬度也不太容易，因為這需要增加源天線的尺寸，這對暗室是不實際的。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 對數(shù)周期振子源天線H面方向圖
a 單對數(shù)周期陣子天線 3dB BW=106°
b 雙對數(shù)周期振子天線 3dB BW=73°

圖4中表明了仿真實例，單對數(shù)周期振子天線和間距為半波長、雙對數(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數(shù)周期天線陣產(chǎn)生比較均勻的場，顯示出場接近圓對稱的軌跡線。

a 單隊數(shù)周期振子天線，3dB BW=106°

b 雙對數(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)臺等設(shè)備對測試區(qū)性能的效應(yīng)

圖6 計入轉(zhuǎn)臺、走道和玻璃鋼纖維塔后的測試區(qū)場強圖

在任何暗室內(nèi)轉(zhuǎn)臺和走道吸波材料對操作人員接近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)，就會引起不需要的和不可控制的測試區(qū)場擾動，尤其是在低頻段它們在測試區(qū)內(nèi)的效應(yīng)通常難以或無法估算。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(qū)影響的工具。圖6就表示出轉(zhuǎn)臺和支撐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稱性和造成場的峰值（或測試區(qū)的中心）向上移動甚至于到DUT位置之上。當(dāng)然在轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)上裝上吸波材料可以減小這些效應(yīng)。

八 結(jié)論

對于低頻段VHF和UHF的三維電磁分析系統(tǒng)是用時域軟件完成的，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比和設(shè)計高性能的暗室?？梢员辉u價的性能因素有：

● 在布置上各種特性各種級別的吸波材料后對測試區(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)以及吸波地板對測試區(qū)的影響。