微波暗室设计研究

易鸣镝，王 迪

（北京环球信息应用开发中心，北京100094）

0 引 言

微波暗室，又称电波无反射室或者吸波室。微波暗室是通过对来波尽可能多的吸收以提供一个能够抑制内部电磁多路径反射干扰、屏蔽外界电磁干扰的相对寂静的电磁测量环境。近年来，随着通信技术、仿真试验技术、隐身技术以及各种电子战武器装备的发展，微波暗室受到普遍关注与重视，并广泛应用于通信、雷达、微波技术、导弹、航空等领域。微波暗室可以节约人力、物力，缩短产品的试验周期，具有明显的经济价值和社会意义［1，2］。

1 国内外微波暗室设计技术的发展

20世纪50年代初，美国麻省理工学院把微波吸纳材料应用于辐射实验室，从此微波暗室技术开始发展起来。在同一时期，美国海军实验室、德国哥廷根大学、瑞士邮电部等也建立了微波暗室。1958年，日本东京大学建立了日本第一个微波暗室，并发展迅速。

在国外，一般的微波暗室静区反射率电平为－30 dB～－40 dB，可以满足一般的微波工程试验，但是有些精密实验则要求－50 dB～－70 dB的反射率电平。美国加利福尼亚州火箭导弹中心的微波暗室的静区可以达到－65 dB，前苏联也有－60 dB～－70 dB的微波暗室［3］。

微波暗室性能的好坏，在很大程度上受到微波吸纳材料的性能的影响，美国和日本在微波吸纳材料方面做了大量的研究。20世纪50年代初，微波吸纳材料只有－20 dB的水平；但是到50年代末，就达到了－40 dB的水平；60年代中期，就有了吸纳衰减可以达到－60 dB的材料。微波吸纳材料的发展，为微波暗室设计提供了重要基础。对于微波暗室的结构造型，研究人员也进行了很多研究，设计出矩形、锥形、横向隔板形、纵向隔板形、孔径形、半圆形等，通过不同的造型以达到提高微波暗室静区的性能，从而提高测试精度。

虽然微波暗室的投资比较大，但是由于微波暗室可以大幅提高实验精度，缩短实验时间，各国仍然大力建造微波暗室。日本已经建立了几十个微波暗室，美国则建立了400多个微波暗室。

我国早在20世纪60年代初期就开始了微波暗室的研究，但是由于发展过程比较曲折，目前与国外还有一定差距。60年代末，我国只有少量的微波暗室，并且性能也不高，只能适用于喇叭天线和天线单元的测试。从70年代末开始，为了满足火箭、人造卫星、宇航技术等的需要，大连中山化工厂、南京14所等单位相继研制了高性能吸纳材料，吸收衰减可以达到－50 dB～－60 dB。目前，我国已经建立了80多个微波暗室，结构形状以矩形、锥形为主，吸波材料主要选用尖劈形、橡胶圆锥形、角锥形等。南京14所的微波暗室，长26 m、宽18 m、高16 m，内部铺设角锥形吸波材料，重要区域铺设800 mm高的双锥形吸波材料，其性能达到了较高水平［4，5］。此外，西安电子科技大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学等单位也建立了微波暗室。

在微波暗室内进行的测量方法一般可以分为近场测量与远场测量两种。在距离天线口径3到10个波长的距离进行的测量称为近场测量，近场测量由于受到实时性等因素的制约，加上需要成本较高的专用配套测试系统，因而在应用上很受限制；在天线的辐射远场区直接进行的测量称为远场测量，远场测量由于简单易行，并且测试系统的组建也比较方便，因此应用非常广泛。

在菲涅尔过渡区，先要将此天线馈源在微波暗室里的离散测量值用初等函数精确拟合，再由专用程序定量求出过渡区CINRAD天线辐射场的方向图，考虑到CINRAD的工作方式后进行预处理；得到某被测点由CINRAD电磁辐射造成的环境影响。

2 微波暗室设计的研究

2．1 微波暗室几何大小的选择

根据不同的实验需要以及远区场的条件，微波暗室的长度一般在数米到数十米。下面以比较常见的矩形微波暗室为例，说明微波暗室的几何大小的选择。

（1）微波暗室的长度选择

通常根据被试验物体的尺寸以及被使用的最高频率来确定微波暗室的设计长度，因为这些因素决定了平面波照射的远场特点。设两天线之间的距离为R，被测物体的口径为D，工作波长为λ，由于在天线口面上电磁波的最大相位差一般不应超过π／8，可以得出被测物体与发射源之间的最小距离满足式（1）。设微波暗室的总长度为L，发射端与接收端到相邻墙壁的距离分别为a、b，则微波暗室的总长满足式（2）［6］。

（2）微波暗室的宽度与高度选择

从已建造的微波暗室的现状来看，暗室的长宽比一般都在3：1到2：1之间。微波暗室的宽度选择要满足镜反射点在一定的范围内，并使入射角限制在使反射能量处于所需要的精度上，由于吸波材料在入射角超过60°时性能会变差，为了尽可能有效地应用吸波材料，入射角一般小于60°，微波暗室的宽度W 一般应满足式（3）［6］。

微波暗室的高度选择与宽度选择原则一致，为了减少较差极化分量的产生，降低通路损耗的不均匀性，微波暗室的高度一般与宽度相同或者相近。

2．2 屏蔽层的设计

为了防止能量泄漏以及外来电磁波的干扰，微波暗室除了在室内表面覆盖吸波材料以外，还对暗室进行屏蔽隔离。屏蔽隔离一般是在吸波材料的背面贴上金属薄板屏蔽层可以把未经吸波材料吸收的能量再反射回去，从而可以进行多次吸收，提高能量的吸收率。屏蔽层材料一般选用钢板、铜板、铜网等材料［7］。

由于增加了屏蔽层，会对微波暗室的设计、成本、建造等方面提出新的要求。对于吸波材料的间隙也要求不能太大，否则会导致入射的电磁波未被吸波材料吸收而被屏蔽层反射回来，从而影响微波暗室的性能［8，9］。

屏蔽层的接地也是重要的考虑因素。接地电阻不能过大，否则会影响屏蔽效果。屏蔽层接地有单点接地与多点接地两种形式，常用的是单点接地。另外，对屏蔽门、观察窗、通风口等也需要认真设计，对所有进入微波暗室的电源以及相关设备仪器的地线，都应该采取滤波措施。

2．3 吸波材料的选用

吸波材料作为微波暗室的关键部分，主要用来减少或者消除微波的反射与散射。微波暗室的性能好坏在很大程度上取决于吸波材料的吸波性、形状、厚度、频带特性、种类等。吸波材料的吸收率越高，则反射性越小，周围环境也就越接近自由空间，微波暗室的作用效果也就越明显。

吸波材料的性能可以用反射率电平、散射率电平、比吸收功率、工作频率、允许的入射角范围等五项电气参数来评价。吸波材料的选用和设计一般按照微波暗室的设计要求进行，吸波材料可以选择复合吸波材料与异形结构，以提高吸波效果［10，11］。

目前微波暗室主要采用微波、毫米波超宽带微波吸波体。超宽带吸波体一般采用多层结构，并选用楔形或者锥形，从而使入射波能量能够逐步被吸收，材料一般选用碳、聚丙烯、聚乙烯等有机材料合成。

2．4 静区的设计

微波暗室中反射信号低于直射信号某一技术指标的区域称为静区。在静区中的内部或边缘的任何一点，从天花板、墙壁、地板等反射回来的电磁波都小于到达该点的直射信号的某个指标值，比如－40 dB。衡量静区性能的指标为静度，可以由反射系数或者反射率电平来确定，如式（4）所示，静度的单位为dB［2，9］。

式中，Emax＝ED＋ER；Emin＝ED－ER；ED为直射信号；ER为反射信号。

静区的形状有球形、圆柱形、正方形、长方形等。静区的性能考虑主要包括静区的位置、范围、形状等，而这些又取决于微波暗室的形状、大小、被测物体的大小、工作频率、以及吸波材料的性能等因素。在测量天线的辐射参数时，静区就是满足远区条件的测试区，静区的直径d必须不小于待测天线的直径，一般可以用式（5）来表示。

3 结 论

根据不同的实验需要以及远区场的条件，微波暗室的长度一般在数米到数十米。微波暗室的长度选择通常根据被试验物体的尺寸以及被使用的最高频率来确定，暗室的长宽比一般都在3：1到2：1之间，微波暗室的高度选择与宽度选择原则一致，为了减少较差极化分量的产生，降低通路损耗的不均匀性，微波暗室的高度一般与宽度相同或者相近。

为了防止能量泄漏以及外来电磁波的干扰，微波暗室除了在室内表面覆盖吸波材料以外，还对暗室进行屏蔽隔离。屏蔽层需要考虑屏蔽层的材料、结构、成本、接地等方面。

吸波材料作为微波暗室的关键部分，主要用来减少或者消除微波的反射与散射。吸波材料的性能可以用反射率电平、散射率电平、比吸收功率、工作频率、允许的入射角范围等五项电气参数来评价。

衡量静区性能的指标为静度，可以由反射系数或者反射率电平来确定。

［1］ 秦 毅，蓝朝良．暗室工程的概念设计［J］．电子信息对抗技术，2009，（1）：70－73．

［2］ 段荣春．微波暗室的设计［J］．大连海运学院学报，1992，（4）：360－364．

［3］ 赵 雷．微波暗室静区反射率电平的设计仿真［D］．西安：西安电子科技大学，2006．

［4］ 董国华．微波暗室天线自动化测试系统及误差分析［D］．南京：南京理工大学，2005．

［5］ 贡志锋．微波暗室运动平台系统设计［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011．

［6］ 王光保．微波暗室的设计方法综述［J］．战术导弹技术，1980，（1）：35－42．

［7］ 刘凤培．微波暗室屏蔽层接地的考虑［J］．航空电子技术，1996，（2）：33－36．