微波暗室設(shè)計(jì)研究

微波暗室設(shè)計(jì)研究

易鳴鏑，王迪（北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094）0引言微波暗室，又稱電波無反射室或者吸波室。微波暗室是通過對(duì)來波盡可能多的吸收以提供一個(gè)能夠抑制內(nèi)部電磁多路徑反射干擾、屏蔽外界電磁干擾的相對(duì)寂靜的電磁測(cè)量環(huán)境。近年來，隨著通信技術(shù)、仿真試驗(yàn)技術(shù)、隱身技術(shù)以及各種電子戰(zhàn)武器裝備的發(fā)展，微波暗室受到普遍關(guān)注與重視，并廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、微波技術(shù)、導(dǎo)彈、航空等領(lǐng)域。微波暗室可以節(jié)約人力、物力，縮短產(chǎn)品的試驗(yàn)周期，具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義［1，2］。1國(guó)內(nèi)外微波暗室設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)50年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院把微波吸納材料應(yīng)用于輻射實(shí)驗(yàn)室，從此微波暗室技術(shù)開始發(fā)展起來。在同一時(shí)期，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)哥廷根大學(xué)、瑞士郵電部等也建立了微波暗室。1958年，日本東京大學(xué)建立了日本第一個(gè)微波暗室，并發(fā)展迅速。在國(guó)外，一般的微波暗室靜區(qū)反射率電平為－30dB～－40dB，可以滿足一般的微波工程試驗(yàn)，但是有些精密實(shí)驗(yàn)則要求－50dB～－70dB的反射率電平。美國(guó)加利福尼亞州火箭導(dǎo)彈中心的微波暗室的靜區(qū)可以達(dá)到－65dB，前蘇聯(lián)也有－60dB～－70dB的微波暗室［3］。微波暗室性能的好壞，在很大程度上受到微波吸納材料的性能的影響，美國(guó)和日本在微波吸納材料方面做了大量的研究。20世紀(jì)50年代初，微波吸納材料只有－20dB的水平；但是到50年代末，就達(dá)到了－40dB的水平；60年代中期，就有了吸納衰減可以達(dá)到－60dB的材料。微波吸納材料的發(fā)展，為微波暗室設(shè)計(jì)提供了重要基礎(chǔ)。對(duì)于微波暗室的結(jié)構(gòu)造型，研究人員也進(jìn)行了很多研究，設(shè)計(jì)出矩形、錐形、橫向隔板形、縱向隔板形、孔徑形、半圓形等，通過不同的造型以達(dá)到提高微波暗室靜區(qū)的性能，從而提高測(cè)試精度。雖然微波暗室的投資比較大，但是由于微波暗室可以大幅提高實(shí)驗(yàn)精度，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，各國(guó)仍然大力建造微波暗室。日本已經(jīng)建立了幾十個(gè)微波暗室，美國(guó)則建立了400多個(gè)微波暗室。我國(guó)早在20世紀(jì)60年代初期就開始了微波暗室的研究，但是由于發(fā)展過程比較曲折，目前與國(guó)外還有一定差距。60年代末，我國(guó)只有少量的微波暗室，并且性能也不高，只能適用于喇叭天線和天線單元的測(cè)試。從70年代末開始，為了滿足火箭、人造衛(wèi)星、宇航技術(shù)等的需要，大連中山化工廠、南京14所等單位相繼研制了高性能吸納材料，吸收衰減可以達(dá)到－50dB～－60dB。目前，我國(guó)已經(jīng)建立了80多個(gè)微波暗室，結(jié)構(gòu)形狀以矩形、錐形為主，吸波材料主要選用尖劈形、橡膠圓錐形、角錐形等。南京14所的微波暗室，長(zhǎng)26m、寬18m、高16m，內(nèi)部鋪設(shè)角錐形吸波材料，重要區(qū)域鋪設(shè)800mm高的雙錐形吸波材料，其性能達(dá)到了較高水平［4，5］。此外，西安電子科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位也建立了微波暗室。在微波暗室內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量方法一般可以分為近場(chǎng)測(cè)量與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量?jī)煞N。在距離天線口徑3到10個(gè)波長(zhǎng)的距離進(jìn)行的測(cè)量稱為近場(chǎng)測(cè)量，近場(chǎng)測(cè)量由于受到實(shí)時(shí)性等因素的制約，加上需要成本較高的專用配套測(cè)試系統(tǒng)，因而在應(yīng)用上很受限制；在天線的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)直接進(jìn)行的測(cè)量稱為遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量由于簡(jiǎn)單易行，并且測(cè)試系統(tǒng)的組建也比較方便，因此應(yīng)用非常廣泛。在菲涅爾過渡區(qū)，先要將此天線饋源在微波暗室里的離散測(cè)量值用初等函數(shù)精確擬合，再由專用程序定量求出過渡區(qū)CINRAD天線輻射場(chǎng)的方向圖，考慮到CINRAD的工作方式后進(jìn)行預(yù)處理；得到某被測(cè)點(diǎn)由CINRAD電磁輻射造成的環(huán)境影響。2微波暗室設(shè)計(jì)的研究2．1微波暗室?guī)缀未笮〉倪x擇根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要以及遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的條件，微波暗室的長(zhǎng)度一般在數(shù)米到數(shù)十米。下面以比較常見的矩形微波暗室為例，說明微波暗室的幾何大小的選擇。（1）微波暗室的長(zhǎng)度選擇通常根據(jù)被試驗(yàn)物體的尺寸以及被使用的最高頻率來確定微波暗室的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，因?yàn)檫@些因素決定了平面波照射的遠(yuǎn)場(chǎng)特點(diǎn)。設(shè)兩天線之間的距離為R，被測(cè)物體的口徑為D，工作波長(zhǎng)為λ，由于在天線口面上電磁波的最大相位差一般不應(yīng)超過π／8，可以得出被測(cè)物體與發(fā)射源之間的最小距離滿足式（1）。設(shè)微波暗室的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，發(fā)射端與接收端到相鄰墻壁的距離分別為a、b，則微波暗室的總長(zhǎng)滿足式（2）［6］。（2）微波暗室的寬度與高度選擇從已建造的微波暗室的現(xiàn)狀來看，暗室的長(zhǎng)寬比一般都在3：1到2：1之間。微波暗室的寬度選擇要滿足鏡反射點(diǎn)在一定的范圍內(nèi)，并使入射角限制在使反射能量處于所需要的精度上，由于吸波材料在入射角超過60°時(shí)性能會(huì)變差，為了盡可能有效地應(yīng)用吸波材料，入射角一般小于60°，微波暗室的寬度W一般應(yīng)滿足式（3）［6］。微波暗室的高度選擇與寬度選擇原則一致，為了減少較差極化分量的產(chǎn)生，降低通路損耗的不均勻性，微波暗室的高度一般與寬度相同或者相近。2．2屏蔽層的設(shè)計(jì)為了防止能量泄漏以及外來電磁波的干擾，微波暗室除了在室內(nèi)表面覆蓋吸波材料以外，還對(duì)暗室進(jìn)行屏蔽隔離。屏蔽隔離一般是在吸波材料的背面貼上金屬薄板屏蔽層可以把未經(jīng)吸波材料吸收的能量再反射回去，從而可以進(jìn)行多次吸收，提高能量的吸收率。屏蔽層材料一般選用鋼板、銅板、銅網(wǎng)等材料［7］。由于增加了屏蔽層，會(huì)對(duì)微波暗室的設(shè)計(jì)、成本、建造等方面提出新的要求。對(duì)于吸波材料的間隙也要求不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致入射的電磁波未被吸波材料吸收而被屏蔽層反射回來，從而影響微波暗室的性能［8，9］。屏蔽層的接地也是重要的考慮因素。接地電阻不能過大，否則會(huì)影響屏蔽效果。屏蔽層接地有單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地兩種形式，常用的是單點(diǎn)接地。另外，對(duì)屏蔽門、觀察窗、通風(fēng)口等也需要認(rèn)真設(shè)計(jì)，對(duì)所有進(jìn)入微波暗室的電源以及相關(guān)設(shè)備儀器的地線，都應(yīng)該采取濾波措施。2．3吸波材料的選用吸波材料作為微波暗室的關(guān)鍵部分，主要用來減少或者消除微波的反射與散射。微波暗室的性能好壞在很大程度上取決于吸波材料的吸波性、形狀、厚度、頻帶特性、種類等。吸波材料的吸收率越高，則反射性越小，周圍環(huán)境也就越接近自由空間，微波暗室的作用效果也就越明顯。吸波材料的性能可以用反射率電平、散射率電平、比吸收功率、工作頻率、允許的入射角范圍等五項(xiàng)電氣參數(shù)來評(píng)價(jià)。吸波材料的選用和設(shè)計(jì)一般按照微波暗室的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，吸波材料可以選擇復(fù)合吸波材料與異形結(jié)構(gòu)，以提高吸波效果［10，11］。目前微波暗室主要采用微波、毫米波超寬帶微波吸波體。超寬帶吸波體一般采用多層結(jié)構(gòu)，并選用楔形或者錐形，從而使入射波能量能夠逐步被吸收，材料一般選用碳、聚丙烯、聚乙烯等有機(jī)材料合成。2．4靜區(qū)的設(shè)計(jì)微波暗室中反射信號(hào)低于直射信號(hào)某一技術(shù)指標(biāo)的區(qū)域稱為靜區(qū)。在靜區(qū)中的內(nèi)部或邊緣的任何一點(diǎn)，從天花板、墻壁、地板等反射回來的電磁波都小于到達(dá)該點(diǎn)的直射信號(hào)的某個(gè)指標(biāo)值，比如－40dB。衡量靜區(qū)性能的指標(biāo)為靜度，可以由反射系數(shù)或者反射率電平來確定，如式（4）所示，靜度的單位為dB［2，9］。式中，Emax＝ED＋ER；Emin＝ED－ER；ED為直射信號(hào)；ER為反射信號(hào)。靜區(qū)的形狀有球形、圓柱形、正方形、長(zhǎng)方形等。靜區(qū)的性能考慮主要包括靜區(qū)的位置、范圍、形狀等，而這些又取決于微波暗室的形狀、大小、被測(cè)物體的大小、工作頻率、以及吸波材料的性能等因素。在測(cè)量天線的輻射參數(shù)時(shí)，靜區(qū)就是滿足遠(yuǎn)區(qū)條件的測(cè)試區(qū)，靜區(qū)的直徑d必須不小于待測(cè)天線的直徑，一般可以用式（5）來表示。3結(jié)論根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要以及遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的條件，微波暗室的長(zhǎng)度一般在數(shù)米到數(shù)十米。微波暗室的長(zhǎng)度選擇通常根據(jù)被試驗(yàn)物體的尺寸以及被使用的最高頻率來確定，暗室的長(zhǎng)寬比一般都在3：1到2：1之間，微波暗室的高度選擇與寬度選擇原則一致，為了減少較差極化分量的產(chǎn)生，降低通路損耗的不均勻性，微波暗室的高度一般與寬度相同或者相近。為了防止能量泄漏以及外來電磁波的干擾，微波暗室除了在室內(nèi)表面覆蓋吸波材料以外，還對(duì)暗室進(jìn)行屏蔽隔離。屏蔽層需要考慮屏蔽層的材料、結(jié)構(gòu)、成本、接地等方面。吸波材料作為微波暗室的關(guān)鍵部分，主要用來減少或者消除微波的反射與散射。吸波材料的性能可以用反射率電平、散射率電平、比吸收功率、工作頻率、允許的入射角范圍等五項(xiàng)電氣參數(shù)來評(píng)價(jià)。衡量靜區(qū)性能的指標(biāo)為靜度，可以由反射系數(shù)或者反射率電平來確定。［1］秦毅，藍(lán)朝良．暗室工程的概念設(shè)計(jì)［J］．電子信息對(duì)抗技術(shù)，2009，（1）：70－73．［2］段榮春．微波暗室的設(shè)計(jì)［J］．大連海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，（4）：360－364．［3］趙雷．微波暗室靜區(qū)反射率電平的設(shè)計(jì)仿真［D］．西安：西安電子科技大學(xué)，200