无线电吸波暗室的反射电平（下）

高选正++傅德民

5 2种方法的比较

5.1 理论

以上对2种方法做了详细描述，接下来的探讨将继续展开。2种方法的主要差别在于：APC法是在分立的点位上进行连续的天线旋转；而VSWR法是固定于不同的方向角，然后沿一扫描线做连续移动。在2种方法中，并未观察到反射电平R的最大值。在天线方向图法中，这个问题可以通过提取大量的方向图来解决，但实验的耗时和分析的工作是相当大。在VSWR法中，R可以每隔10°一个来确定，并表示为方向角的函数。在R看起来可能最大的某些角度上，可以多测量一些干涉方向图，这样就可以用图示法得到高精度的R最大值。APC法的优点是：做一套测试，几张方向图很容易以图示的方式把它们的顶部叠加记录在同一张纸上，因此给天线工程师提供了对测量精度的一个初步的直觉判断。但是，如果天线工程师希望知道最大的测量误差，则推荐采用VSWR法。因此，目前的吸波暗室测试规范中，普遍采用VSWR法来确定反射电平的最大值。

为了表明至少在理论上2种方法可以给出相同结果，可回顾图3和图4。由描述APC法的图3可以看出，当接收天线指向发射天线时，它的方向角为0°，也即通常一致定义中的0°方向角。在描述VSWR法的图4中，接收天线的指向与吸波暗室轴线平行时，习惯上称为0°方向角。由于方向角的定义不同，在采用前述的APC法和VSWR法中意味着未能分析同一干涉方向图。但读者可以想象，有多种方法来解决这一问题，并检测到相同的干涉方向图，这意味着采用APC法或VSWR法可以得到一致的结果。但是，对于给定的方向角，为了检测最大到反射所致干涉的最坏情况，需要作很多方向图。进一步，为了精确分析相干方向图，需要由方向图来提取驻波曲线。事实上，在首次描述APC法时就提出了此建议，并被某些釆用这种方法的用户所实施。但是，方向图通常只在间隔半波长的点位上做记录，这往往是不够充分的。另外，在与VSWR法作比较时，忽略了方向角定义的差别和方向图叠加的问题。还有，用APC法所得的结果以不同的方式作了平均。实际上，这种平均会引起2种方法的结果出现很大的差别，因为在VSWR法中，通常所给出的是反射电平R的最大值。

由前述和本节所作的讨论可以得出结论：APC法便于给出测量精度的初步指示，但测量精度最坏的情况可能会错失掉，而且在解释干涉方向图方面也存在问题；VSWR法只需花费很少的时间就可以找到最大的反射电平，而且还易于研究干涉方向图，并查验出吸波暗室指定区域内的反射详情。

5.2 结果

为了比较用2种方法所得到的结果，采用第3、4节中所述的测试方案评估了上述的吸波暗室。图9显示了反射电平随天线间距d的变化函数，距离d从200cm变到260cm。

图9 反射电平随天线间距d的变化函数

图中的连续曲线来自VSWR法。可以看出，随着距离增加，入射场强度减小，R值趋于增加。但需注意到，距离上的细小变化也会引起反射电平的很大变化。因此，当距离d从208cm增加6cm时，R增加了5dB。

用×符号标注的离散点是APC法得到的结果。在进行测试时，从d=220cm起算，取10cm的测试间隔为距离增量。另外，在d=208cm和d=214cm位置处进行了APC法的补充测试，因为在这两处点位的VSWR法分别得到了相对的最小值与最大值。对照图9所示的结果可以看出，相比VSWR所得到的结果，APC法给出的结果所对应的暗室性能看起来显得偏好5dB。2种方法的差别导致了上述结果上的差别。

在d=210cm处观察到反射电平剧烈增加，于是在方向角40°～90°范围内以5°角度为间隔做驻波曲线记录，完成了进一步的研究，由此，在d=208cm和d=214cm两处，反射电平R作为方向角Ф的函数被确定。分析表明，在40°<Ф<90°的范围内，R最大值的变化约有4dB；对于小于40°的情况，由于驻波曲线只有很小的波动变化（最大0.1dB），于是R值没有再求解的必要，这等效地意味着，对于-40°<Ф<40°的区域，记录的方向图将是非常精确的。

6 反射电平用于指导吸波暗室的改进

本节的目的是想表明用VSWR法所得的反射电平，可用于指导无线电吸波暗室的性能改进。在3种不同的测试条件下，对图10所示的吸波暗室进行了反射电平R的测量。图10显示了一个12×14×16m3的矩形吸波暗室的纵截面，它铺设有2m长度的角锥形吸波材料。在463块地面吸波材料中装有木杆，用于52块地板的支撑。发射天线T置于吸波暗室的一端，接收天线R安装在一个模型塔上并能完成三维天线方向图测量。模型塔通过塔的基座B装在方位转台P之上，它们都放置于一个小车C之上，小车可以在凹槽中的轨道上运行。采用水平极化20dBi的标准增益喇叭测试了H面反射电平与θ角的函数关系，这意味着反射电平R的测试是在垂直面内，因此当接收天线指向塔基（θ=270°）或者地面的镜像反射点（θ=310°）时，可能出现大反射。为了屏蔽来自塔的基座和凹槽的反射，在塔基之上放置了一些吸波材料A。通过移除一些地板，可以减小地面反射。R的测量在以下3种不同的条件下进行：

（1）地板在位，塔基吸波材料移除；

（2）地板和塔基吸波材料都在位；

（3）塔基吸波材料在位，而吸波暗室中间位置的地板2到地板6移除。

图10 吸波暗室

在图11中，反射电平表示为θ角的函数，吸波暗室条件取（1）和（3）。在条件（1）的情况下可以看出，在θ=270°的位置，由于塔支撑机构未屏蔽，形成了大反射，最大值约为-37dB。而当塔基吸波材料在位且地板2到地板6移除时，反射电平低于-60dB。因此可以看出，在吸波暗室由条件（1）改进到条件（3）时，反射电平有明显减小。同理，这种方法也可以用于小改进的检测。在条件（2）的情况下，在θ=270°的位置，测量到反射电平减小了18dB。但在这种情况下，在310°的位置由于地板的镜像反射，存在R=-48dB的最大值。endprint

图11 垂直面的反射电平

7 反射电平对测试参数的依赖性

由上述讨论可以很明显地看出，R的最大值依赖于以下测试参数：

（1）频率；

（2）发射和接收天线的方向性；

（3）场的极化；

（4）测量R的测试平面；

（5）记录干涉方向图的扫描线方式；

（6）天线的支架方式；

（7）天线在吸波暗室中的位置，特别是与吸波暗室各墙面的距离；

（8）干涉方向图记录的数量；

（9）干涉方向图的合理解释；

（10）测量设备的适用性。

根据作者的知识，有关反射电平对所有测试参数的依赖性的详细信息似乎还未有完全列出。也许这是由于R对测试参数的依赖性，而这些参数对于不同的吸波暗室又是各具特色的。但无论如何，有些相关性在某种程度上还是已知的。比如说，R随接收天线离开背墙距离的增加而减小，由图9可以获知这一解释的正确性。在一定程度上，随着离开背墙距离的增加，也就是说随着d的减小，测量的R值趋于减小。但是，正如上面所讨论的，曲线有很大的变化。其它已知的相关性还包括：随着工作频率和天线方向性的增加，R趋于减小。

为了表明R对某些测试参数的依赖性，对图10所示的吸波暗室在3GHz频率进行了评估，并采用了方向性为2dBi、15dBi、20dBi这3种类型的天线，结果如表1所示。根据表1的数据，吸波暗室的评估在水平面和垂直面内分别测试了水平极化与垂直极化。垂直面的评估根据前节所述的条件（1）和条件（3）的情况进行，对于每一组测试参数，R作为方向角的函数来测量。表1给出了每一组测试参数中R的最大值，同时也显示，当吸波暗室从条件（1）到条件（3）作重新布置时，也就是吸波暗室作改进时，观察到的R最大值是减小的。

表1 反射电平与方向性、极化和天线测试平面的关系（3GHz）

方向性

极化 水平面 垂直面

条件（1） 条件（1） 条件（3） 改进

2dBi 水平 -23.1 -22.0 -32.0 10.0

垂直 -22.0 -24.0 -29.2 5.2

15dBi 水平 -45.6 -36.2 -52.4 16.2

垂直 -37.8 -36.0 -42.8 6.8

20dBi 水平 -54.4 -37.2 -61.8 24.6

垂直 -45.9 -40.5 -54.8 14.3

注：条件（1）：地板在位，塔基吸波材料移除；条件（3）：地板移除，塔基吸波材料在位。

本文未对所涉及的其它因素做出详细解释，比如应该考虑天线波束宽度与吸波暗室形状等相关因素。但还是可以从表1中观察到以下的影响：

（1）反射电平随天线方向性的增加而减小。当方向性分别从2dBi增加到15dBi以及从15dBi增加到20dBi时，反射电平平均减少了16.4dB和7.3dB。

（2）反射电平依赖于极化。例如，在条件（3）的15dBi天线的情况下，对于垂直和水平极化，R值约有10dB的差别。

（3）对高增益天线来说改进最大。对水平极化的20dBi天线改进达到24.6dB，对低增益天线改进只有10dB。

（4）在水平面内分析表明，来自背墙的反射最大。

（5）在条件（1）的情况下，在垂直面和水平面的反射电平各不相同。对于高增益天线，差别最大。

（6）对于给定方向性分别为2dBi、15dBi、20dBi的天线，R随测试参数的最大变化为2dB、9.6dB、17.2dB。

这些结果取自上述尺寸为12×14×16m3的矩形吸波暗室。

综上可以理解，评估吸波暗室的测试方案取决于需求。各种各样的吸波暗室，需要对多种天线的多种极化在多个测试平面的情况下进行评估。另外，接收天线除了沿几条纵向线移动以外，还需沿几条水平和垂直扫描线移动。当方向性和频率给定时，对3个主平面、3条主扫描线和2个主极化来说，基本上存在18种组合。因此，作完整的评估是很耗时的。

为了看一下是否能够减少时间，可以再考虑表1给出的结果。可以看出，在条件（1）的情况下，有4种不同的组合来评估吸波暗室，对于方向性分别为2dBi、15dBi、20dBi的天线，反射电平有2dB、9.6dB、17.2dB的变化。根据这些结果，假定从18种可能性中任选一种组合来评估吸波暗室，所得的R值可能与最坏情况有10～20dB的差别。但是，从18种可能性中合理地选取一种组合，可以想象R的测量值与最大值的偏差不会大于5～10dB。因此，如果在确定R最大值时可以接受这样的误差精度水平，那么从测试平面、极化、扫描线中选择一种适当的组合来评估吸波暗室，这看起来是合理的。例如，在3个频点采用3种类型的天线来实施，总共需测9个R值。在选择测试参数时，应该考虑：吸波暗室的频率范围；吸波暗室中被测天线的类型；吸波暗室中具有最大反射预期的那些内墙局部区域。

最后，由于采用高增益天线比采用低增益天线做测试有更大的改进，所以由高增益天线所得结果比由低增益天线所得结果更容易作为吸波暗室的比较。但是，低增益天线也会被用来检测反射电平的最大值。

8 结论

本文描述了无线电吸波暗室反射电平评估的技术状态。APC法和VSWR法的比对表明：APC法给出的结果比由VSWR法的结果所显示的吸波暗室性能会偏好。这主要是由于在APC法中的方向图记录只发生在分立的点上。但是，如果能记录大量的方向图且分析得当，2种方法会给出同等的结果，但这需要花费很多的时间。根据比对可以得出结论：在实际的测量中，APC法便于给出测量精度的初步指示，而VSWR法才是测量吸波暗室反射电平更精确的方法。endprint

已经发现，反射电平可用于表征无线电吸波暗室的改进，在吸波暗室测试期间，通过对天线支承机构做屏蔽以及通过移除地板前后进行反射电平的测量，即可达成这一目的。在采用20dBi增益天线的情况下，反射电平最大值由-37dB改进为-62dB。采用低增益天线的改进没有采用高增益天线那么明显。

已经通过示例阐明了反射电平与方向图的测试平面、天线的增益和极化等测试参数的相关性。由此表明，对于一个天线来说，R作为测试参数的函数有10～20dB的变化，而对于高增益天线的情况其变化是最大的。但本文也指出，要想对吸波暗室提出比较满意的评估方法，还需要有更多的知识来探讨有关反射电平对测试参数的相关性问题。因此，对于实际的测量来说，如果一定要精确地知道测量精度，必须采用VSWR法来评估吸波暗室。

参考文献：

[1] R E Hiatt， E F Knott， T B A Senior. A Study of VHF Absorbers and Anechoic Room[R]. Radiation Lab.， Univ. Michigan， Tech. Rep. 5391-1-F， 1963.

[2] R R Bowman. Prevalent Methods for Evaluating Anechoic Chambers： Some Basic Limitations[C]. Presented at 1966 Measurement Seminar， Session 111， Lecture 3 of High Frequency and Microwave Field Strength Precision NBS Rep. 9229， 1966.

[3] B D Rethmeyer， W A Price. Procurement and Evaluation of Anechoic Chamber[R]. U. S. Naval Avionica Facility， Indianapolis， Ind.， Tech. Rep. 403， Jul. 1964.

[4] W H Kummer， A T Villeneuve. Experimental Evaluation of Anechoic Chambers[C]. 1966 IEEE G-AP Int. Symp. Prog. and Dig.， 1966： 301-306.

[5] B Clarke， R Breithaupt. Test Measurements on a 13 ft.. X 9.8 ft. x 7.5 ft. Microwave Anechoic Chamber[R]. Communicahon Res. Cent.， Nat. Space Telecommun. Lab.， CRC Tech. Note 633， Aug. 1971.

[6] H Hollman. Design and Function of Anechoic Funnel and Rectangular Chambers for Antenna Tests[R]. Fernmeldetech. Z. der Deutschen Bunhpost， A 454 TBr 13， Nov. 1971.

[7] J Appel-Hansen. Evaluation of a Microwave Anechoic Chamber for One-Way Transmission[R]. Tech. Univ. Denmark， Lyngby， Denmark， R 55， Jan. 1967.

[8] E F Buckley. Design Evaluation and Performance of Modern Microwave Anechoic Chambers for Antenna Measurements[J]. Electron. Cambonents， 1965（12）： 1119-1126.

[9] J Appel-Hansen. Experimental Methqds for Accurate Determination of Low Antenna Pattern Levels in Microwave Anechoic Chambers[R]. Radio Anechoic Chamber， Tech. Univ. Denmark， Lyngby， Denmark， R 57， Apr. 1967.endprint