用于低频段天线测量锥形暗室的设计及实现

杨旭娟 李自强 黄亮 蒋艳军

（1.航天长屏科技有限公司南京分公司 江苏省南京市 211000 2.南京南大波平电子信息有限公司 江苏省南京市 211000）

（3.南京航天波平电子科技有限公司 江苏省南京市 210043）

1 引言

在天线设计和制造时，通常需测量许多参数，如：天线辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。通常采用远场测试技术，待测天线安装在发射天线的远场范围内，其它测试技术包括近场和紧缩场等测试，一般按最关注的待测天线参数和性价比来选用何种天线测试场。考虑到外界环境的电磁干扰和天气影响，主要采用屏蔽暗室进行室内测量。目前对天线参数测量的暗室形状以矩形为主。暗室的结构尺寸是根据被测物用途、被测区域大小、频率范围、测试距离等因素来确定。通常工作频率在1GHz 以上的暗室采用矩形暗室结构，矩形暗室可以较好的模拟自由空间的电磁波传输特性，工作频段宽，具有较好的静区性能，使用灵活方便，是较为成熟的产品。但在低频天线参数测试时（目前雷达天线应用低频已下探至100MHz），暗室体积较大，使用的吸波材料高度高，造价昂贵。

2 天线远场测量

设计天线测试暗室需要考虑的因素：测试频率范围、测量精度、口径大小、天线的主瓣与副瓣的差值、可建设暗室的空间尺寸、屏蔽需求及测试方法的选择。

2.1 远场测试条件

无论是矩形暗室还是锥形暗室远场测试设计时都需要满足远场测试条件：

式（1）中D 为被测天线口径最大值；R 为测试距离；λ 为工作波长。

远场条件的实质就是在被测天线的口面上的相位差不超过π/8，以免影响到测试精度。静区是指暗室内电磁波干扰最小的区域，一般也是被测物进行测试时所在位置范围。通常情况下，静区尺寸与天线口径相等或稍大（包括天线移动范围）。根据远场条件公式在0.1GHz-6GHz 频率范围内，若静区尺寸要求1.5m 时不同频率下对应的远场测试距离见表1；若被测天线口径0.3GHz 时最大尺寸为4.7m，则需要测试距离≥45 米，测试距离45 米时不同频率下所对应的天线口径的最大尺寸见表2。

表2：满足远场条件下天线的口径最大尺寸（R=45m）

2.2 吸波材料的选取

由表1、2 可见，无论是低频（如0.3GHz）还是1G 以上为保证天线大口径测试需求，测试距离都需要较长。如果测试距离≥45米，所建矩形暗室长度至少要达到55 米以上。在暗室中，关键是要减小到达静区中的反射能量,侧墙(地板和天花板)的反射是一种斜入射，吸波材料性能降低明显。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（即0 度），将有所降低，如图1所示。

图1：电磁波入射角为θ 时示意图

表1：不同频率下对应的远场测试距离（D=1.5m）

吸波材料在电磁波不同入射角时，性能变化具有相似的规律，可以用以下近似公式表示；

由此可以得出任意角度下的吸波材料的反射率公式：

h/λ>30、h/λ<0.4 时，上述公式不再适用（h 表示吸波材料高度）。

可见当吸波材料入射角度大于45°以后，吸波性能将急剧下降，超过60°将下降10dB 以上。因此矩形暗室四侧墙材料性能非常关键，一般要求入射角要小于60°，矩形暗室的宽度最好要与测试距离相当。微波暗室电性能的核心指标是静区反射电平，其它指标本质上均与静区反射电平有关，静区反射电平大小与暗室结构设计、暗室布局、吸收材料性能及源天线的增益有关，但总体来说，最低工作频率静区反射电平最难达到要求[1]。如果0.3GHz 时静区反射电平设计在-35 和-40dB,这意味着后墙吸波材料要求的正常反射率是-40和-45dB。虽然存在发射天线的增益，照射到侧墙(地板和天花板)的能量会少一些，但由于低频天线的增益往往都较低，发射天线和静区之间存在镜面反射的侧墙区域仍需要大面积高性能和造价高的吸波材料，如图2所示（对静区性能影响最大起主导作用的反射区称为主反射区，也叫菲涅尔区）。

图2：矩形暗室入射和反射波示意图

角锥型吸波材料的吸波性能（这里指垂直反射率）取决于参数h/λ，h/λ 越大，吸波性能越好。结合国内外知名品牌吸波材料性能，见表3，2 米以上材料才能满足低频的高性能要求。

表3：国内外吸波材料电性能比较

2.3 暗室结构形状选取

在传统的天线测试场中，发射和接收天线分别位于对方的远场处，两者通常隔得足够远，来模拟想要的工作环境，以便在被测物孔径上产生接近平面的波阵面。在矩形暗室中，是采用墙面吸波材料来吸收空间反射的。当矩形暗室在低频段性价比不高的情况下，出现了锥形暗室的设计，其在低频能具有较好的静区性能，高吸波材料用量很少，同时暗室体积较小，造价较低。在锥形暗室中，在靠近发射天线的部分，设计成一个圆锥体，一方面利用圆锥体的角度，形成掠射角度，将大部分发射能量，直接导向后墙，而不反射入测试静区；其余的能反射入静区的能量，通过锥角度和发射天线位置的设计，利用锥体形状使反射区域更接近馈源，使得此部分的波前与直射波前波程差小于π/8。这样可以看成是在暗室的发射端形成反射源阵列，类似很均匀的天线阵列对静区照射。所以锥形暗室是利用了锥角端的反射，而不是减少侧墙面的反射，相当于提高了发射天线的增益[5]，反射波成为了照射的一部分，从而侧墙不需要使用昂贵的高性能吸波材料。矩形暗室是处于一种真正的模拟自由空间状态，而锥形暗室是利用反射形成照射能量，由于使用了反射的射线，因此最终形成的是带波纹的准自由空间，而非真正的自由空间，如图3所示。

图3：锥形暗室的反射形成的平面波

3 锥形微波暗室

锥形暗室主要用于解决天线低频段远场测试时，天线方向性差、吸波材料性能要求高、矩形暗室造价高、可利用建设空间受限等问题。通过仔细设计和调试，使得最终的静区幅度波动和相位锥度接近自由空间中的期望值。

3.1 原理设计

锥形暗室一般由圆锥体、方圆过渡、角锥体和矩形四部分组成。

圆锥体部分：发射天线所在位置形成平面波。利用该部分形状使最大反射区域更接近馈源，即发射点镜像非常接近。该部分角锥角度与工作频率有关，频率越高锥角越小，一般6GHz 内角锥的角度低于36°，当达到18GHz 时应小于30°，同时锥角角度还要考虑便于发射天线在圆锥体内移动调节。

方圆过渡部分：使圆锥体发射区转变成方形或矩形的角锥体。为了使照射波在静区有足够的均匀性，该部分采用多面体逐步过渡到矩形角锥体，防止杂散和高次模的产生。保证镜像天线组成的阵列元间距在低频时小于一个波长，以保证静区的照射波均匀。

矩形部分：测试区域,用于放置转台和被测物。该部分尺寸首先应大于被测区域尺寸（静区尺寸）的3 倍，其次要考虑各面吸波材料的尺寸，人员走动通道及低频时端墙吸波材料反射性能的改善，采用端墙倾斜结构等。

角锥体部分：从锥形过渡到矩形测试区。该部分的照射波大部分反射到静区之外，所以只要保证平滑，不产生额外的散射即可。其长度根据测试距离、方圆过渡和矩形两部分的要求整体考虑。

3.2 吸波材料布局

正常锥形暗室静区性能应与端墙吸波材料性能相当。即锥形暗室矩形部分端墙选用的是暗室内性能最好的材料（一般也是暗室内高度最高的材料），矩形部分侧墙对应于端墙选用性能次优的材料；圆锥体部分根据实际尺寸选用适宜高度的吸波材料；其余部分根据频率范围选用楔形材料，并且为了使角锥部分楔形吸波材料与圆锥体间吸波材料有机连接（无缝对接），因此楔形材料采用高度渐变形式，防止不连续处的反射影响波形和静区性能。

3.3 静区性能仿真计算

采用FDTD 电磁场模拟软件包对锥形暗室的静区反射电平、静区波纹振幅以及静区相位均匀性进行全波仿真。该软件以 FDTD（时域有限差分）算法为主，逐步计算全空间的电磁场，其最大的优点在于能够真实反映电磁场在介质空间（真空，波导，暗室）中的动态传播过程。通过FDTD 计算和分析，锥形暗室静区反射电平仿真结果见表4。

表4：静区反射电平仿真结果列表（单位：dB)

另外锥形暗室建成后，由于暗室尺寸、锥角形状、吸波性能工程实施中的误差，无法与仿真设计达到完全一致，使得暗室实际性能与设计指标存在偏差，需要对锥形暗室静区性能进行测试分析和不断的调试来达到测试的要求。此时可采用一种高度自动化的锥形暗室静区性能测试系统，该系统可实现测试数据的处理分析，以曲线形式显示结果，为最终暗室性能调试提供快速准确的参考，有效缩短暗室性能调试时间和成本[4]。

4 结论

采用上述方法和措施设计的锥形暗室，在某暗室工程中获得了成功应用。经有资质的权威测试单位检测鉴定，暗室静区反射电平达到了-44.5dB@0.3 ～6GHz （该锥形暗室矩形部分长宽高均为15m，静区长宽高均为1.35m），实现了预定的设计目标。锥形与矩形暗室各项比较见表5。

表5：锥形与矩形暗室比较表

由此可见当矩形暗室低频段测试表现不是很好，或者是造价太高时，可以选用锥形暗室设计，对微波暗室的设计建造具有良好的借鉴性和指导性。