小圆柱形微波暗箱无回波测试测量分析 - 全文

1 概述

无线电工程师极力寻求一个无线电引信辐射的电磁波，它可以自由地向四面八方辐射而没有任何反射干扰，换句话说，就是极力寻求一个在实验室条件下，能够提供一个为无线电引信工作的自由空间。

无回波吸收室的出现 满足了这类工程研究的需要。这类无回波吸收室是指用无线电波吸收材料构成内壁的房间。利用这种特殊的墙壁使得入射的电磁波被最大限度的吸收，最小限度的反射，并且在室内的某一部分空间能构成一个接近"自由空间条件"的无回波区域。
        无回波吸收室用途是相当广泛的，几乎所有的无线电参数的测试工作都可在无回波吸收室内进行，比如天线特性测试、雷达截面测试、整机系统灵敏度测试等各种各样的模拟试验，各种飞机、导弹、人造卫星上的无线电设备也都可以在无回波吸收室内进行综合试验。

2 吸收材料的性能分析

无回波吸收材料，顾名思义，就是用来吸收电磁波能量的，像黑色颜料吸收光线一样。在通常情况下，要产生明显的吸收作用，吸收体至少需要有1/4波长的厚度。
吸收体的吸收性能可以这样理解，当一个电磁波碰到某物体表面时，电磁波的一部分能量要被反射回去，一部分能量要穿过边界传到第二媒介里，这些进入物质表面的电磁波通过各种途径穿透媒介并在物质表面的另一边变成辐射能，电磁波的强度变弱了；而没有穿透过去的那部分电磁波能量就被吸收了。因此要达到理想吸收电磁波，首先，吸收材料应能尽量使入射到材料表面的电磁波透入，即进入到吸收材料里边去，使电磁波反射达到最小。其次，若使电磁波全部进入吸收材料内，要求电磁波入射线要垂直吸收材料的表面。再次，透入到吸收材料里的电磁波能量应能有效地把入射的电磁能量全部吸收。由此可见，暗室的性能（如反射率电平的大小）关键取决于所使用的吸收材料，通常所使用的吸收材料为角锥状，其形状如图（1）：

如果采用角锥型吸收材料，则电磁波无论是以何种极化（平行极化或垂直极化）入射到吸收材料上，总是有两个面处于平行极化的斜入射状态，另外两个面则处于垂直极化状态。在斜入射状态情况下，垂直极化的界面反射一般都比平行极化大。在两种极化都存在的情况下，总体的反射系数在仅有平行极化与垂直极化的反射系数之间，并且比较接近于垂直极化。电磁波在界面上的反射，根据有关文献［1］，在斜入射情况下，其特性阻抗为：

其中θi为入射角，θt为波在介质中的折射角，η是受射介质的特性阻抗，η0是空气特性阻抗。一般情况下空气特性阻抗为入射介质的特性阻抗。
两种极化的电磁波在不同入射角的界面反射系数如图（2）所示，假定吸收材料。

由此可见，垂直极化波的界面反射系数总是随入射角的增加而增大。而平行极化波的界面反射系数却是先随入射角的增加而减小，并且可较垂直入射时小得多。然后再随入射角的增大而增大。除了小入射角和接近于 90°入射角的情况外，大多数情况下，平行极化波的界面反射都远较垂直极化波的小。

3 小圆柱形微波暗箱的静区分析

一般而言，暗室的电性能主要由静区的特性来表证，静区的特性又以静区的大小、静区内的反射率电平、交叉极化度、场均匀性、路经损耗、工作频率范围及固有雷达截面参数来表述。
所谓静区是指暗室内受各种杂散波干扰最小的区域。它的大小除了与暗室几何形状、工作频率、吸收材料的电性能有关外，还与所要求的反射率电平、静区的形状及暗室的结构有关。对于小圆柱形暗箱，由于其结构对称、内壁铺设相同的吸收材料，静区呈柱状，轴线与暗箱的轴线一致，它的直径满足下式：

式中：λ--波长，R--收发天线的距离。在静区内的反射率电平，可以用下式描述：

其中：ED为小圆柱形暗箱轴线方向的入射场；
ER为由反射、绕射和散射在测量点合成的等效反射场。
        小圆柱形暗箱内任意一点反射率电平的大小是随着工作频率变化而变化，为了准确地检测出反射率电平，必须先明确以下几点：
（1） 把接收天线纵向移动（沿圆柱轴线），如果接收信号强度随着1/R 变化［2］（R为收发天线间的距离），表明圆柱形暗箱测试满足远场区测量条件。如果接收信号以半波长为周期振荡变化，表明天线之间耦合较强。如果振荡周期大于λ/2，表明存在多路经反射信号。
（2） 在待测点端面处，上下左右移动，或沿轴线纵向移动以探测场强是否均匀，如果接收电平起伏优于0.25dB，且上下基本对称，表明满足入射场锥削幅度要求。

4 利用空间驻波法检验小圆柱形微波暗箱的反射率电平

从物理上讲，沿暗箱轴线横向或上下移动无方向性探头天线，测量空间驻波曲线，根据驻波曲线的极大值和极小值Emax（dB）、Emin（dB），确定反射率电平［3］，如图（3）、图（4）所示：

但是实际的天线具有方向性，为此必须对公式（6）进行修正，即天线位于φ角接收到的入射场比φ=0°时的入射场低AdB，在φ方向，驻波曲线极大值与极小值dB数之差为：

则在φ方向上的反射率电平为：

图（3）、图（4）分别表示了自由空间的入射、反射波构成的驻波和驻波曲线。显然该方法的实际物理意义是：在理想状态下，暗箱内只存在直射波，而投射到吸收材料上的电磁波能量绝大部分被吸收掉了，但当有一定的杂散波存在（如反射波、绕射波、散射波等），这些相干波束在极化相同的条件下，当两波间相位相差2nπ（n=1，2，3）时，就形成波峰，而相位差为2（n+1）π的地方，两波相抵消或部分相抵消形成波节，在圆柱形暗箱内出现许多波峰、波节而形成场结构相当复杂的空间驻波分布。因此，在静区范围内反射率电平要比其它空间内的反射率电平小很多。

5 确定小圆柱形微波暗箱反射率电平的主要方法

（1） 测量接收天线的方向图，在所需要的方位角φ上标出相应的方向图电平A1（dB）。
（2） 将天线最大辐射方向指向φ角，横向移动天线并记录此时的空间干涉波曲线，如图（5）所示：

（3） 描绘驻波曲线的包络，由包络线的极大极小值求出Δab，并求出它的平均电平A1（dB），若ED＞ER，A1（dB）就是接收天线的方向图电平。如图（6）：

（4） 在不同的角上，重复（2）、（3）步骤，就能求出一系列空间驻波曲线，再由驻波曲线的包络来求出Δab值，在ED＞ER的情况下，由式（8）就能求出不同方向上的反射率电平。如果ED＞ER，则需按下式计算反射率电平：

由于ED随天线的移动有规律的变化，ER无规律的变化，在某取向角，如果实测空间驻波曲线的平均值出现无规律变化时，就能判定ER＞ED，或者在这个取向角上，假定驻波曲线的平均电平比在这个取向角上方向图的电平高，也能判定ER＞ED。

6 建立小圆柱型微波暗箱的测试系统与测试步骤

（1）测试装置的建立
微波暗箱反射率电平的测试系

统主要由发射信号源（69347B）、接收机（MS2667C频谱分析仪）、计算机及接收天线和测试支架组成，见框图（7）。其中信号源为发射天线输出一个微波直射信号，由频谱分析仪接收来自各方向的反射及直射信号，并由计算机读出后描绘出一个空间驻波曲线，并计算出反射率电平。天线支架用来控制测试天线的上下、左右直线移动及转角姿态的变化动作。为了能比较准确地描绘出空间行程驻波曲线，天线移动的行程距离必须大于等于两个波长。最后通过改变接收天线取向角以获得若干条驻波曲线，从而达到测试小圆柱型微波暗箱反射率电平的目的。
（2）测试过程
依据"VSWR"法的特点，我们将接收天线安装在测试支架上，使天线处于暗箱中心轴线上，并距离后壁尖劈为15cm处，分别改变天线与中心轴的夹角来进行反射率电平的测试。
（3）天线测试状态的确定
这里我们仅选择垂直极化状态进行测试，其次考虑到被测箱体的限制，在测试位置上仅选取一点，即接收天线距离后壁尖劈为15cm处，俯仰角为±20°，±35°时，接收天线上下移动2-4个波长。由于暗箱为圆柱体，因此可通过转动暗箱来实现对暗箱内壁任意一点反射性能的测试，而暗箱后壁的反射性能受测试条件的局限而无法进行测量，故暂不考虑。
（4）Z向（垂直向）的测试
Z向的测试是接收天线离后壁尖劈15cm处，以箱体轴线作垂直向的上下移动，其上下移动的高度为±3λ（±9cm），天线的取向角为±20°，±35°，在这些点上测出若干条干涉曲线。垂直向的测试主要是测量暗箱上下尖劈对电磁波的反射情况。
在0°时，接收天线所获取的曲线（数值）为Z向场幅度的均匀性。通过由频谱仪测得的曲线，求出其最大电平变化值（Δab），及曲线的平均值（Ai）以得到天线在该取向角θ时的方向图电平值。
（5）将微波暗箱旋转至所需要的角度φi，重复（3）、（4）步骤，测出暗箱其余内壁的反射率电平。以下是我们对802所编号为6CH-6W2的暗箱采用以上方法进行测试，测试数据如下：
表（1）：接收天线作上下移动时电平的变化值测试频率：10.125GHz，接收天线距离暗箱中心轴5cm处定义为移动的起始位置，接收天线分别取俯仰角+20°、-20°。

方位角+20°-20°方向图电平值A(dB)1010最大电平变化值Δ（dB）0.640.62总的反射率电平值R（dB）-38.7-39.0
从以上测试数据中可以看出，被测小圆柱型微波暗箱在所选频率上用以上方法测量其反射率电平均优于设计所要求的-30dB的技术指标。