天线测量微波暗室设计思路

李培红，刘 曼，蔡金珠

（1.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081；2.河北省科学技术情报研究院，石家庄 050021）

天线测量微波暗室设计思路

李培红，刘 曼，蔡金珠

（1.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081；2.河北省科学技术情报研究院，石家庄 050021）

介绍了天线测量微波暗室的作用以及建设微波暗室的必要性。提出了建设微波暗室的设计思路，结合实践经验给出了微波暗室的结构和性能设计方法，并为微波暗室的设计提供了参考数据和经验公式。

微波暗室；静区；吸波材料

引言

天线的理想测量场地是自由空间，使均匀平面波照射被测天线。然而在现代城市中电磁环境日益恶化，要想在高楼林立的现代城市中及其周围建设一个较为理想的天线测量场地是非常困难的。而建设微波暗室是比较理想的选择，它既能够防止外来波的干扰，使测量活动不受外界电磁环境和气候的影响，又能够防止测试系统产生的信号向外辐射，污染电磁环境，对其它电子设备造成干扰，可达到与自由空间比较接近的条件下进行室内测量。因此微波暗室的出现为天线研究及天线测量提供了便利条件。下面给出一种适用的设计方法。

1 微波暗室结构设计

微波暗室通常有矩形、锥形、半开口矩形、半开口锥形以及紧缩场暗室等。本文仅以矩形微波暗室为例进行介绍。

1.1 微波暗室长度设计

通常微波暗室的设计以对天线增益测量误差小于0.25dB为准则。为了保证测试的准确度，有必要规定一个最小测试距离R。根据测试准确度可规定出接收天线上入射波应满足的相位条件，据此来确定最小测试距离，从而确定微波暗室的结构尺寸。

在图1中，D和d分别为收发天线最大有效尺寸，AB为收发天线中心点，其距离最短，EF为收发天线相对边缘点，距离最长。

因其距离不同产生的最大相位差为；

由式（2）可得

图1 收发天线口径与距离关系

把（1）式代入（3）式得：

对超低副瓣天线（＜-40dB）第一副瓣测量误差＜1dB时，

应当指出，上述结论都是根据特定条件给出的，不同的测量精度，不同特性的天线，不同的测量参数要求的远场测量距离是各不相同的，这时应按影响最大误差源来确定最小测量距离。

微波暗室长度由式（7）计算得出，如图2所示。

式中：

L——微波暗室长度；

R——收发天线之间的距离；

B1——接收天线距微波暗室墙的距离；

B2——发射天线距微波暗室墙的距离。

在工程中通常B1取5 m，B2取1m～3m即可。

1.2 微波暗室宽度和高度的设计

图2 微波暗室长度示意图

微波暗室的宽度与待测天线性能、吸波材料性能、测量频率范围、微波暗室要求的性能等有着密切的关系。当发射天线发出的电磁波到达微波暗室墙壁的入射角θ（见图2）逐渐增大时，微波暗室墙壁上粘贴的吸波材料吸收电磁波的性能将逐渐变差。当θ角大于60°时其吸收性能随着θ角的增大变差的速度将加快。在一般工程中θ角通常以60°为边界来计算微波暗室的宽度。

由图2可知，

式中：W为微波暗室宽度（m）。

由式（8）可计算出微波暗室的宽度，一般微波暗室的高度与宽度相当。

2 微波暗室性能设计

2.1 屏蔽性能的确定

天线测量微波暗室屏蔽性能的确定须遵循两个原则：

1）被测天线在发射状态时，辐射到微波暗室以外电磁波幅值应符合有关标准要求；

2）在测量过程中不能受到外界电磁波的干扰，即外界电磁波或噪声不能对测量结果产生不利的影响。

按照1）和2）的要求最低屏蔽参考值如下：

14kHz～100MHz≥40dB

300MHz～18GHz≥80dB

18GHz～40GHz≥70dB

以上频率范围、屏蔽效能仅供参考，暗室的建设单位可根据自己的测量需要酌情增减。需要指出的是，对于一般天线测试，外界电磁环境比较干净时可不加屏蔽。

2.2 静区性能设计

根据被测天线最大尺寸确定一个静区，静区尺寸应大于被测天线最大尺寸。

工程中静区性能估算通用的方法：射线跟踪法，利用此法进行暗室具体设计时需要综合考虑暗室中的各种反射情况，其中每个反射面主要需考虑以下三种情况：

1）不同入射角时，吸波材料的反射系数 Γn(θ)；

2）在每个反射面上源天线的方向性衰减值Dn；

3）反射路径损耗值Ln（n值为表示第n个反射面）。

因此，每个反射面反射到静区内总的反射值nA＜ 0如式（9）所示。

式中：

Dn是发射（辅助）天线的方向性衰减值，一般测量中通常选用标准喇叭天线作为发射天线，所以在测量中一旦选定发射天线后，Dn就是一个定值。

Ln为反射到接收天线上的信号电平ER与直接入射到接收天线上的信号电平Et之比。因信号电平的强度与传播路程成反比，由此可得：

若用dB表示则为：

式中 LR和 Lt分别为反射信号路程和直接入射信号路程。

由此可见，当暗室结构尺寸确定之后Ln也就确定了。

通过以上分析可知，暗室结构尺寸确定之后最主要的问题就是吸波材料的选取即求出 Γn(θ)的值。

工程中吸波材料反射系数用下述方法估算：

式中： h—吸波材料尖劈高度；

λ—工作波长。

当入射角大于0度时，吸波材料的反射性能相对于垂直入射时，将有所降低。

设在不同频率下，吸波材料在不同入射角时，性能变化具有相同的规律，即认为与工作频率无关，由此可以得出以下近似公式；

式中： θ角见图2 。

由（12）式和（13）式可以得出任意角度下的吸波材料的反射率公式：

由式（12）、式（13）和式（14），并且参考图2就可以计算出暗室各反射点所需要的吸波材料尖劈高度和不同尖劈高度吸波材料在暗室中的布局。

3 暗室配套设施建设

一个好的微波暗室不仅是结构设计、性能设计，其辅助设施如果做得不好将会使整个暗室性能大打折扣。建造一个暗室至少应配置如下设施并保证满足所建微波暗室的性能要求：

①控制室；

②天线测量转台；

③电源线、信号线滤波器；

④信号接口板、波导通风窗；

⑤照明系统；

⑥消防报警装置；

⑦监控系统。

另外在设计暗室时，就应考虑环保问题，以防止吸波材料长期散发对人身损害的有毒有害气体。

4 仿真结果与测试数据比较分析

天线测量微波暗室设计牵涉因素很多，某一环节达不到要求，都可能导致整个暗室性能不满足要求，因此暗室的设计必须综合考量。暗室测试所用天线与测试结果直接相关，有时同一暗室采用高增益天线测试和采用低增益天线测试，其结果差别相当大应找出原因予以改进。下面给出微波暗室仿真数据及采用高增益天线测试结果以验证设计的符合性。

微波暗室尺寸为16m x 10m x10m。

表1 测试天线增益与暗室静区仿真结果

表2 高增益天线与静区反射电平测试数据

表1列出了天线测试增益与静区反射电平仿真结果。

表2列出了高增益天线与静区反射电平测试结果。

从表1和表2可看出实际测试数据与仿真设计结果是吻合的，证明暗室设计基本符合要求。

5 结束语

天线测量微波暗室其性能要求无统一的标准，一般来说频率范围、静区尺寸、反射电平、静区场幅均匀性、多路径损耗均匀性、交叉极化隔离度等满足所建单位的测量用途需要即可，由于测量的对象不同、测量目的不同、要求的测量精度不同、微波暗室所建地点的电磁环境不同，设计微波暗室时应灵活掌握、灵活运用，切莫拘泥于某一种设计方法。

微波暗室除用于天线测量外，还可用于一切需无线开路测量的产品检验，由于免除了外界因素的影响，对保障产品测量结果的准确度具有重要的价值。

[1] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社, 2002：1196-1199.

[2] 杨社年.建造电波暗室应考虑的因素[J].电磁干扰与兼容, 2009, (05)：16-17.

Design Idea for Antenna Measurement in Microwave Anechoic Chamber

LI Pei-hong, LIU Man, CAI Jin-zhu
（1.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081; 2.Hebei Provincial Institute of Scientific and Technical Information,Shijiazhuang 050021）

This paper introduces the effect of microwave anechoic chamber in antenna measurement and the importance of building it. Combined with practical experience, this paper proposes the design framework, including the structure of the microwave anechoic chamber and the performance design method. In addition, this paper also provides the reference data and experiential equation.

microwave anechoic chamber; dead space; wave-absorbing material

TN820

A

1004-7204（2015）03-0050-04

李培红(1965-)，女，中国电子科技集团公司第54研究所检测认证中心，国家通信导航与北斗卫星应用产品质量监督检验中心质量负责人。研究方向：通信导航设备的质量检验、无线通信设备测试等。