了解用于電磁和射頻測試的電波暗室

電子工程師使用電波暗室進行電磁兼容性 (EMC)或電磁干擾 (EMI)和射頻測試。這些腔室的內(nèi)壁經(jīng)過特殊材料處理，可以吸收電磁波。

“消聲”一詞的意思是“沒有回聲”。消聲室指的是設計為墻壁、天花板和地板的波反射的房間。
電子工程師使用電波暗室進行電磁兼容性 (EMC)或電磁干擾 (EMI)和射頻測試。這些腔室的內(nèi)壁經(jīng)過特殊材料處理，可以吸收電磁波。
還有音頻消聲室，專為錄音等應用而設計，吸收聲波而不是電磁能。
本文涉及電磁波暗室的基礎知識，特別是它們與 RF 測試的關系。 
電磁測量：常見要求
廣泛的應用領域需要測量電磁波。例如，在使用天線時，我們需要知道天線如何將電磁能量發(fā)送到太空（或用作接收器時如何接收）。這通過天線的輻射方向圖來表征，如圖 1 所示。 
圖 1(a) 顯示了由兩條沿 z 軸定向的細線創(chuàng)建的偶極天線。

圖 1. 天線模型和方向圖。圖片由思科提供

該圖還顯示了 3-D 輻射方向圖（圖 1(b)），以及完美偶極天線的主平面方向圖（圖 1(c) 和 1(d)）。
天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，會影響整個系統(tǒng)設計中的許多關鍵決策。例如，了解手機信號塔的輻射模式以確定它們之間的間距很重要。 
在導彈、飛機或其他類似武器的電磁兼容性測試和雷達截面測試等領域也需要測量電磁波。
室外電磁波測量挑戰(zhàn)
圖 2 顯示了測量天線輻射方向圖的示例設置。

圖 2. 天線輻射測量的示例設置

在此設置中，被測天線 (AUT) 充當接收器。
參考天線傳輸已知量的功率。定位器將 AUT 旋轉到所需位置（調整 θ 和 φ），測量系統(tǒng)記錄接收到的功率。這些測量形成了方位角/仰角平面中輻射方向圖的極坐標圖。
這種測量可以在開放區(qū)域測試場地 (OATS) 中進行；然而，戶外測試有一些缺點。
首先，測試環(huán)境中存在的外來電磁波也會被 AUT 接收，從而在我們的測量中引入誤差。這些外來波可能來自各種，例如 FM 無線電發(fā)射器、手機、空中交通等。
室外電磁波測量也容易受到風雨等天氣條件的影響。
另一個問題是地板和任何其他周圍結構的反射。如上圖所示，這些不需要的反射也會被 AUT 拾取。 
電波暗室作為可靠的射頻屏蔽測試環(huán)境
解決我們剛才討論的問題的一種方法是使用電波暗室。
消聲室使用金屬墻來保護我們的設備免受外來無線電信號的影響。為了盡量減少不需要的反射，特殊的 RF 吸收材料（如圖 3 所示）用于覆蓋腔室的內(nèi)壁。 

圖 3.用于無線 (OTA) 測試的電波暗室示例。圖片由羅德與施瓦茨提供

屏蔽測試環(huán)境免受外部干擾以及的墻壁反射波，實際上模擬了在一個無限大的房間內(nèi)并實現(xiàn)的可重復測量。
消聲室的大小可以從桌面外殼到典型的房間，工程師可以走進去工作，再到像飛機機庫一樣大的空間（圖 4）。

圖 4. 大型電波暗室示例。圖片由愛德華茲空軍基地和 克里斯托弗奧庫拉提供

大型電波暗室通常要花費一大筆錢。一個大到足以在 AUT 和發(fā)射天線之間提供 10 m 物理距離的電波暗室的成本可能高達 200 萬美元。 
電波暗室用射頻吸波材料
電波暗室的內(nèi)表面通常覆蓋著裝有導電碳的泡沫金字塔。金字塔的錐形結構將無線電波從空氣傳輸?shù)浇鹱炙惺褂玫挠袚p碳，波反射。
RF 吸收器應吸收所有入射電磁能并將其轉化為熱量。
然而，在實踐中，一部分入射 RF 功率不可避免地從腔室壁反射。反射波通常約為入射波的 0.1% 至 1%，相當于 -30 至 -20 dB 的衰減。
新一代寬帶吸收器可以為微波頻率的垂直入射提供優(yōu)于?60 dB 的反射系數(shù)。
泡沫金字塔吸收較高頻率的電磁波，而較低頻率通常由鐵氧體瓦處理，鐵氧體瓦可能是腔室中昂貴的組件之一。
用于不同類型測量的不同消聲室
如前所述，電波暗室用于各種測量，例如：
? 天線方向圖測量
? 輻射發(fā)射測試
? 輻射抗擾度測試
? 無線發(fā)射器 (RF) 測試
? 雷達橫截面測量 
每種類型的應用可能需要不同的腔室。
例如，對于發(fā)射器/接收器測試，我們可能有興趣消除所有表面的反射，包括暗室的地板，以模擬沒有多徑偽影的環(huán)境。在這種情況下，我們需要一個全消聲室 (FAR)，其中所有表面都覆蓋有 RF 吸收材料。 
但是，幾乎所有輻射和傳導發(fā)射測試標準（包括ANSI C63.4和CISPR 16）中描述的測試設施都是半電波暗室 (SAC) 和 OATS。
SAC 的墻壁和天花板覆蓋有 RF 吸收材料，而地板則由金屬反射地平面制成。
在許多 EMC 標準中使用 SAC 的一個主要原因是反射接地更接近于模擬真實情況。實際上，被測設備發(fā)出的電磁能會從地面反射到附近的設備。
腔室的選擇也會受到您用于測量的標準類型的影響。
例如，在汽車 EMC 測試中，采用的 EMC 標準會影響測試范圍的大小和/或電波吸收器的放置。每個標準都有自己的要求，工程師必須確保所使用的暗室符合相關標準。