微波暗室反射率电平论述分析

黄方祥

（中国空空导弹研究院 河南省洛阳市 471000）

微波暗室是 3GPP 标准和 CTIA 标准中规定的 OTA测量系统硬件的重要构成部分[1]。微波暗室本身是从消声室发展形成的，能够对外界环境产生很好的屏蔽作用，从而让无电磁干扰环境产生[2]。微波暗室一般都是具备远场测试条件的。一般情况下，被测试物体越大，测试产生频率越高，微波暗室就需要更大。如果运行频率在300MHz ～6GHZ 设备，微波暗室大小需要为45×20×20m，被测量天线最大半径可以大于1m[3]。但是，具体使用过程中，这种暗室使用成本很高，需要较大占地面积，导致大型暗室基本上难以得到全面普及。从实际测试过程分析，只要对微波暗室测试空间进行合理控制，就可以对暗室大小进行缩减。因此，在现代通信行业中，应当对微波暗室进行合理使用，衡量出通信设备的效率和质量，有利于保障我国通信行业健康发展。

1 微波暗室概述

微波暗室本身是从消声室产生的。微波暗室是使用无线电波吸收材料形成内壁的空间，通过对这种特点空间的有效利用，可以对射入的电磁波进行最大程度吸收，也可以实现最小程度反射，并且能够在限定空间范围内形成“自由空间条件”的无回波区域。一般情况下，这种特点更多使用静区特点进行表示，并且静区特点也可以是静区大小，主要使用发射率电平、交叉极化度、场均匀性、运行频率等参数进行体现[4]。其中，发射率电平是对微波暗室评价的主要指标之一。现阶段微波暗室应用范围很广，既可以对测量天线等无源器件，也可以借助测量仪器对有源设备进行全面测试。并且，CTIA和3GPP 标准影响下，OTA 测试过程需要在微波暗室中进行[5]。这源于微波暗室有着很好保密安全性、全天候、超宽频带等优势，并且在近三十年得到很好发展。微波暗室在使用过程中，能够对多个内容进行测试，如远场测量、近场测量、紧缩场测量等。在微波暗室评价性能指标中，包括发射电平测试、交叉极化隔离度测试、多路径损耗均匀性测试、场幅均匀性测试等。其中，最为重要的是发射电平测量，而其又有空间驻波比法、天线波瓣图比较法两种。其中，空间驻波法是国家军用标准规定的推荐用法。另外，CTIA 标准提出了 SSD 纹波测量的方法来衡量 OTA 暗室的静区性能[6]。

微波暗室属于室内天线测量场。腔体内都会覆盖有特殊的电磁波吸波材料。室内测量场因测试条件更容易得到控制所以比室外测量场更受欢迎。吸波材料往往被设计成锯齿状的，会照射在材料上面的电磁波往随机方向扩散，而这些不规则反射进行不连贯叠加会进一步抑制反射。除过吸波材料，暗室还包括金属屏蔽壳、转台、测量天线、通信天线[7]。

2 微波暗室反射率电平分析

反射率电平是微波暗室某个位置的等效发射场和入射场之比。微波暗室中存在的驻波信号是非常复杂的，既有四个侧壁的发射比波，也有上下两端的发射波。并且，工作频率不同，反射信号也是不同的，随意一处的反射率电平大小往往会随着工作频率产生相应变化。如图1所示，微波暗室射入波和反射波。

在整个静区中，反射率电平R 能够使用公式（1）进行表示。

在上式中，Ed是微波暗室轴线位置的射入场；Er是发射场；其他射入形式，如散射、绕射等位置分散于整个区域中；&d、&r分别是Ed和Er与暗室轴线位置产生的夹角。

2.1 反射率电平测量原理

从反射率电平测量过程分析，主要使用到空间驻波比法、天线波瓣图比较法等。其中，空间驻波比法也是对空间电磁驻波特点的测量方法。通过对电磁波传播理论进行使用，其测量原理是在微波暗室中，直射信号被吸收材料进行吸收，少量发射信号和直射信号因矢量作用下产生驻波，借助对驻波峰谷的测量，能够对电磁场驻波特点进行全面分析，从而得到发射电平模型。并且，通过对两种不同射入方式的变化程度比值进行确定，能够可以得到诸多影响参数，如运行频率、测量天线角度等。反射率电平在测量过程，应当具备远场条件和射入场0.25DB 的幅度要求。

（1）从射入场轴线位置上，吸收到的信号虽然为呈现出变化，也充分说明满足测量需求。一旦接收信号按照半波长为标准，进行周期内振荡反应，这说明天线间有着很强的耦合关系。如果震动时间超过一个周期，往往代表测量线路上存在多个发射信号。

（2）在测试过程中，往往需要进行移动，从而对探测强度分布均匀进行判断，一旦电平起伏高于0.25DB，基本上可以说明符合射入场变化趋势的要求。

一般情况下，通过对微波暗室轴线进行移动后，能够对天线变化程度进行测量，也可以得到驻波最大值和最小值，从而对发射率电平进行确定。基于天线有着很强的方向性，往往需要在测量中调整，确保天线所在角度可以对相应信号进行接收，以此保证驻波信号的精确获取。在理想情况下，微波暗室往往只有直射波，其他波形是不存在的，而投射到吸收材料上的大部分电磁波基本上会被吸收，但是也有少量杂波是没有被吸收的，如反射波、绕射波等，这些相互干扰波束往往会在极化相同环境下，如果两波间相位差异是3nπ，此时就会产生波峰，如果相位差异是3（n+1）π，这时两波会进行抵消或者部分抵消，从而形成波节，在微波暗室空间驻波曲线图中会产生波峰、波节等，以此形成非常复杂的场结构。在静区范围中存在的反射率电平往往会比其他空间产生的反射率电平小。

2.2 微波暗室发射率电平测量步骤

第一步，测量过程中，应当在接收天线的方向图上找出方位角&，并且标记出方向图电平a。

第二步，找出接收天线最大覆盖方向，将其调整到&角，通过横向移动天线3—5^，并且对空间干涉波曲线进行记录。

第三步，在不同角度上，按照第一步和第二步进行反复测试，能够得到很多空间驻波曲线，再结合驻波曲线包络可以将Δab 得到，通过对公式（2）使用后可以得到不同位置的反射率电平。如果Ed没有超过Er，就应当使用公式（3）计算出具体反射电平。

第四步，在测量轴线位置上的反射电平中，天线口需要反向设置，口面需要对准后壁，这是A 时天线方向图图瓣和主瓣电平差，将其纵向移动±3^，能够得到最大的电平值。基于在最大发射位置上对其进行校准，这是&=0，场强最大值和最小值间的差异程度需要使用Δ进行表示，利用公式（4）计算。一般情况下，Ed会和天线移动情况相同，也会呈现出规律性的变化，Er在移动过程没有什么规律性，呈现出随意性波动，在某个位置选择角度后，一旦具体测试的空间驻波曲线平均值也呈现出无规律现象，就可以判断出Ed没有超过Er，也可以在此角度上，对驻波曲线情况进行假设，如平均电平值超过方向图电平高，从而Ed没有超过Er。

3 微波暗室反射率电平测试方法分析

3.1 无源测试方法

从测试原理而言，首先将整个测试范围中的喇叭天线全部更换成全向天线。这源于以往使用的天线尺寸大，但是微波暗室测试空间有限，难以满足测试过程需要的移动需求。结合天线互易定理，需要将dipole 天线转变为发射天线，微波暗室测量天线需要充当接收天线。通过在微波暗室中放入适当的dipole 天线，能够对不同区域的空间驻波进行计算。

借助仿真试验进行验证，使用三维电磁仿真软件对其进行模拟。仿真频率需要设置到700MHz，从坐标原点为重点沿着z 轴构建理想偶极子，长度是波长1/2，这种偶极子使用测量天线，能够有效降低反射干扰的强度。偶极子沿着Y 轴0.6 米持续复制，需要设置为可以移动的发射天线，移动过程需要沿着Y 轴从0.6 米到1.2米，并且每0.012 米进行记录一次，在这种仿真模拟过程可以对无反射自由空间接收功率的变化趋势进行有效呈现。此外，也需要建立对照组，在前一基础上加入金属板对有反射现象进行模拟，金属板宽度需要为0.02 米、长度0.2 米、高度0.5 米。整个仿真试验需要对两个方面关注。一方面，应当关注到仿真试验的纵轴，这代表接收天线和发射天线间的功率比。在此种情况下发射天线功率是不会产生任何变化的，且该数值变化更多是功率上的改变。这就需要在反射电平数据处理中，使用接收功率数值可以得到不同结果。另一方面，一般情况下，只有移动距离超过干扰波长23/4 后才能得到非常明显的驻波峰值。而且，测量间距往往不能超过1/8 波长。在这种要求下，仿真试验将行动距离设置为3 米，测量间距为0.012 米。

结合仿真结果可知，没有设置金属板的功率和201og（d）不存在线性关系。但是，有部分驻波产生明显关系，这是源于dipole 天线反射形成的。再对整个仿真曲线进行拟合可以得到Y=-0.72x-25.31。有金属板的功率曲线呈现出波动态势，对其拟合后得到Y=-0.76x-25.45。从整体趋势分析，两个曲线趋势是相同吗，这说明测试方法是合理的。通过对使用金属板的反射电平进行计算，选择出驻波最大的位置，将天线接收功率进行有效计算，可以得到驻波大小是0.45dB，也可以得到反射电平数值为-25.12dB。

从具体测试测量分析，需要通过六个步骤完成测试。

（1）在微波暗室中设置固定的dipole 天线，但是需要关注到dipole 天线设置方向应当和测量天线对应，将dipole 相位核心区域和测量天线核心区域进行正对。

（2）沿着移动路段对dipole 天线进行移动，需要记录到1/8 波长时间的测量和接收天线的功率数值，其中移动路段是测量天线直射的方向，长度需要超过3/4波长，移动路段中心是微波暗室核心区域。

（3）测量过程所得到的功率数值使用201og（d）拟合，并且结合过程需要使用功率值减去离散驻波曲线，也要选择驻波点最大的位置进行拟合，从而可以得到驻波峰值参数。

（4）对反射电平进行计算。

（5）对极化进行调整，将dipole 天线当做测量天线的直射方向，并且顺时针旋转90°，对前四个步骤进行循环。

（6）对测量天线进行调整，对前面五个步骤进行循环，并且theta 方位上本身有很多个探头的微波暗室需要对所有探头进行测试，才能覆盖全部区域。

3.2 有源测试方法

微波暗室反射电平测试主要是对接收天线功率变化大小和移动距离变化间的关系分析。要想确保其测量更为准确，应当让其处于自由无反射空间中，并且对传输路径进行有效补偿下，确保测量仪器收集到的信号稳定。在以往使用无源测试方法过程中，使用矢量网络对接收信号进行获取。如果发射信号没有产生变化，接收和发射信号进行的比值会产生变化。结合Friss 公式，二者比值数值大小和收发天线的增益有关系，频率产生和两个天线间的距离有关系。一般情况下，频率和距离是可以知道的，就可以得到准确的反射电平，这源于反射电平对收发天线增益形成了干扰导致二者比值产生变化。通过对二者比值波动就可以得到有效反射电平。无源测试方案往往得到的数值不够精确，这源于线缆姿态产生变化对收发天线增益造成影响，增大二者比值波动程度。但是，如果使用有源测试方法，就可以有效满足精确性，然而需要满足三个条件才能实现。

（1）需要接受到准确的功率变化数值；

（2）频率和收发天线距离可知；

（3）在没有反射干扰中，应当保障收发天线增益稳定。

CTIA 在使用过程中，有SISIO OTA 测试作为两个主要的设备射频性测试项目，需要从灵敏度、总辐射功率两个方面进行测试。总辐射功率可以有效体现辐射性能，也可以评价出最大的辐射数值。灵敏度可以对接收性能进行衡量，也可以体现出设备在三维空间的灵敏度分布程度，其结果和天线辐射方向有着密切关系。如果微波暗室存在电磁反射时，接收功率会随着201og（d）进行线性变化。一旦微波暗室产生相应电磁反射时，接收功率数值就会产生相应变化，这就可以得到没有反射状态下的接收功率随着移动距离的变化曲线。

在有源微波暗室反射电平测试过程中，和无源测试最大的不同是将静区中存在的无源天线更换有源的无线辐射器件，也会将微波暗室测试系统更换为TRP 测试系统 。从具体测试分析，需要分为六步，才能对整个测试完成。

（1）构建TRP 测试系统，将设备放置于微波暗室的转台上，并且需要使用夹具进行固定，也需要将设备和模拟基站进行连接，确保测试通路顺畅。

（2）将测试设备功率调整到TRP 测试模式，利用模拟基站对接收功率进行获取。

（3）对接收功率数值进行计算。

（4）结合极化及角度变化对前三个步骤进行循环，从而得到测试设备的辐射方向图。

（5）在辐射方向图上，应当明确最大角度将其作为后续反射电平测试的角度，也可以将其作为待测试角度。一旦这种幅度变化最大方向波动很大，需要对辐射方向进行更换，也需要设置补偿值。并且，补偿值应当是被测角度和方向图间的差值。这种原理和标准测试中规定是相同的，补偿方式没有差异。

（6）将测试设备角度进行调整，让其可以和微波暗室测量天线核心区域进行对应，利用模拟基站对接收功率进行持续获取，每隔20 秒可以得到数据100 次，读取时间需要大于30 分钟，且对数据进行记录。但是，整个测试过程应当注意的是，因反射电平测试过程是需要对测试设备进行移动的，这就需要测试设备一直都是和测量天线进行对应的。在选取方向图幅度数值大小中，需要提供更大的容错范围，能够避免测试设备没有对准产生的差异。此外，在最后步骤中，测试设备辐射功率需要选取稳定的，波动程度不能大于0.1dB，才能更好保障整个测试结果的精确性。

4 结束语

微波暗室最为关键的功能是能够形成没有干扰电磁的测试环境，这对通信设备测试有着重大意义。并且，静区性能测试是对微波暗室进行评价的主要指标。通过对微波暗室进行使用，能够利用发射率电平测量方法对反射率电平进行精确性的测量，从而可以衡量出微波暗室是否满足工作要求。一般情况下，反射率电平数值越小越好，往往都是可以达到-35dB 反射率电平。因此，在实际使用过程中，应当对当前微波暗室测量方法进行明确，了解各个测量方法的优缺点，严格按照测量步骤进行操作，并且对其中存在的差异问题进行全面分析，逐步对发射率电平进行计算，有利于判断出微波暗室的设计合理性。