大型微波暗室设计方法及施工工艺研究

2024-03-10姚建军杨杰

中国设备工程 2024年4期

姚建军，杨杰

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

微波暗室内部六面均采用全金属材料制作的封闭立方区域，由于外界电磁波无法穿过，同时内部电磁波也无法辐射出去，暗室构建了能够屏蔽外界电磁干扰、抑制内部电磁多路径反射干扰、对来波能够几乎全部吸收的相对寂静的电磁测量环境。微波暗室内可通过远场和近场测量软硬件系统，精确测量雷达、通信设备的天线参数和各种飞行目标电磁散射特性等。微波暗室对于开展微波应用技术研究和提高科研水平具有重要作用。

随着我国相关技术的快速发展，微波暗室的尺寸逐步增大，暗室的设计及施工难度越来越大。因此，本文将结合大型微波暗室项目，对其设计、施工质量和施工工艺等重要工艺进行研究，以提高大型微波暗室性能、生产效率、经济效益。

1 微波暗室介绍

1.1 微波暗室的分类

按测试功能划分，微波暗室分为天线远场实验室、天线近场实验室、RCS 远场实验室、RCS 近场实验室、EMC 实验室、电磁系统的兼容实验室（如天线的收发隔离）以及武器装备功能实验设施；按形状划分微波暗室为矩形暗室、锥形暗室、紧缩场暗室、双喇叭暗室等。

1.2 微波暗室的组成

微波暗室项目工程设计方案主要包括屏蔽壳体、吸波材料、配套设施，具体如下。

屏蔽壳体：包含屏蔽壳体、电缆沟及各设备基础的屏蔽和屏蔽门。

吸波材料：包括材料性能参数选择、布局设计及链路计算等，并对屏蔽门、转台及拐角等特殊区域处理方式进行论述。

配套设施：包括通风系统（含波导窗）、温度控制系统、消防系统、配电和照明系统（含滤波器、波导管等电源或信号传输设备）、视频监控系统、信号转接装置、屏蔽接地系统、控制间等。

本文主要针对屏蔽壳体、吸波材料的设计与施工重点进行研究。

2 大型微波暗室的设计与施工工艺

2.1 屏蔽壳体

微波暗室功能较多，各类暗室特点各异，功能概念设计阶段需要根据具体测试要求做充分的论证，从而对壳体的外形（包括大致尺寸、形状等）提出合理的方案。

（1）壳体尺寸设计。根据天线的辐射特性，天线周围空间可分为不同的3 个区域，分别为感应场区（0 ≤r ≤λ/2π）、辐射进场区（λ/2π ≤r ≤max（2D2／λ））、辐射远场区（r ≥max（2D2／λ））。微波暗室设计时，首先，需要考虑辐射近远场区条件，本文主要研究远场测试的大型微波暗室，暗室以封闭矩形暗室为例（如图1 所示），简化后的计算方式为：Dt＝2D2／λ（或特殊情况下可为D2／λ），宽（W）≥0.8×Dt，高（H）＝0.8W ～1W，长（L）≥W／2＋Dt ＋L1+L2（L1、L2 为喇叭及被测物距墙壁的距离，需根据实际需要分析）。

图1 暗室设计射线关系图

此外，锥形暗室也常用于大型微波暗室的远场测试，与矩形暗室相比，锥形暗室更适用于低频测试，但应用范围相对较窄，暗室工作频率等指标必须与暗室功能相结合，进行综合考虑。

（2）壳体结构与施工工艺要求。壳体结构屏蔽体包括组装式壳体和焊接式壳体，其中组装式壳体由屏蔽板用螺钉、压条（衬垫）相互组成，安装简单，可装可拆，但屏蔽效能不可能很高；焊接式壳体又称固定式屏蔽暗室，由屏蔽板体焊接成一体，不易拆装，这类暗室壳体稳定，承载力大，特别适合超高超宽的大跨度屏蔽体，且屏蔽效能远高于组装式壳体暗室。焊接式壳体从受力方面分为独立或依附式结构形式，其中大型微波暗室受厂房尺寸限制、壳体变形等限制，多采用依附式结构，屏蔽壳体主结构采用焊接等方式将暗室墙体完全依托于壳体外部的土建钢柱及钢梁框架，顶部通过吊点与外部建筑结构连接，将顶部荷载传递到土建顶部，墙、顶龙骨采用矩形钢管形成正方形网格，作为梁柱结构侧向支撑，提高了暗室整体稳定性和抗震性能。因此，宜采用厂房主体与壳体主龙骨一体化设计形式。

屏蔽层材料采用冷轧低碳钢板等材料，暗室底面一般采用3mm冷轧钢板（指标要求不高时也可采用钢丝网），侧面和顶面一般采用2mm 厚的冷轧钢板，以能够满足屏蔽体的屏蔽效能在不同频段范围的指标要求；为了提高现场施工效率，屏蔽壳体的钢柱/梁、屋面圈梁及屋面梁等可在工厂内制作，钢板则须在工厂完成拉平、加工等。为保证壳体内表面平整，施工要求σ ≤±3mm/㎡，侧墙对角线差≤20mm，垂直度误差≤10mm。屏蔽壳体焊接时，先进行除锈处理，再采用断续焊接法，由工人现场调平、测量，在钢板平整度满足要求的情况下完成满焊，并对焊缝进行打磨和防锈防腐处理。

同时，为了确保屏蔽性能，需对施工尺寸、用料及工艺等按照国家标准、规范，结合技术指标要求进行屏蔽过程检测，主要包括以下内容。

屏蔽主体结构拼接完成后，将屏蔽壳体划分出检漏区域，对屏蔽门、滤波器、波导窗等重点设备用检漏仪进行检测，并对拼接缝进行100%的检查，检测不合格处，应进行调整，再经检漏仪检测，直至检漏合格为止。

屏蔽钢板间采用标准连续焊缝，焊后涂煤油检验，不得泄漏。

屏蔽门：屏蔽门的结构形式，根据门洞的大小和运输情况、屏蔽效能指标和建设场地环境情况，在闸刀型、双闸刀型、阶梯双闸刀型、梯形、复合型和平压型中合理选择。普通屏蔽门宜选用闸刀型，大开度、大尺寸屏蔽门宜选用平压型。门扇的运动方式视电磁屏蔽室的大小和场地空间尺寸确定，可选平开、左右移动、上下移动、前后移动以及复合运动等方式。

2.2 吸波材料

（1）吸波材料设计与选型。吸波材料是专门用于吸收入射电磁波能量的材料，通常吸波材料在暗室内壁五个壁粘贴吸波材料，在地面放置可以灵活移动的吸波体，如此使入射到暗室六壁大部分电磁波能量被吸收，反射极小。吸波材料型材主要包括角锥型吸波材料、平板型吸波材料、地板型吸波材料、棱边拐角吸波材料；材料主要包括聚氧酯泡沫型、无纺布难燃型和硅酸盐板金属膜组装型。

吸波材料选择时，需重视以下方面。

后墙为电波波束主要能量的照射区域，是静区后沿相邻最近的强干扰源，端墙上吸波材料的反射电平应优于静区所需的反射电平，因此，后墙采用反射性能最好的结构，如长度较高的角锥结构。

前墙、侧墙、地面和顶部对静区的影响相对较小，因此，在吸波材料的选取的时候，一般为主要反射面材料高度的1/2 ～2/3 之间。

屏蔽门、照明灯具、波导窗、监控设备需考虑安装吸波材料，吸波体的高度和待吸收的电磁频率成反比，需要吸收的电磁波频率越低，吸波体的长度越高，所以暗室的电磁波频率不能太低，太低了吸波体的高度将过高。

（2）吸波材料安装工艺。吸波材料安装时，可采用胶装方式、胶装与挂装结合的方式，大型微波暗室多采用胶装方式，流程如图2 所示。吸波材料安装遵循先顶面、再立面、后地面的原则，边安装边调整，保证吸波材料底座间距不大于2mm，保障锥尖矩阵规范性，同时施工时需要注意，以下内容。