微波暗箱反射率電平分析測(cè)量

1 概述
無(wú)線電工程師極力尋求一個(gè)無(wú)線電引信輻射的電磁波，它可以自由地向四面八方輻射而沒(méi)有任何反射干擾，換句話說(shuō)，就是極力尋求一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室條件下，能夠提供一個(gè)為無(wú)線電引信工作的自由空間。

無(wú)回波吸收室的出現(xiàn) 滿(mǎn)足了這類(lèi)工程研究的需要。這類(lèi)無(wú)回波吸收室是指用無(wú)線電波吸收材料構(gòu)成內(nèi)壁的房間。利用這種特殊的墻壁使得入射的電磁波被最大限度的吸收，最小限度的反射，并且在室內(nèi)的某一部分空間能構(gòu)成一個(gè)接近自由空間條件的無(wú)回波區(qū)域。
無(wú)回波吸收室用途是相當(dāng)廣泛的，幾乎所有的無(wú)線電參數(shù)的測(cè)試工作都可在無(wú)回波吸收室內(nèi)進(jìn)行，比如天線特性測(cè)試、雷達(dá)截面測(cè)試、整機(jī)系統(tǒng)靈敏度測(cè)試等各種各樣的模擬試驗(yàn)，各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星上的無(wú)線電設(shè)備也都可以在無(wú)回波吸收室內(nèi)進(jìn)行綜合試驗(yàn)。

2 吸收材料的性能分析
無(wú)回波吸收材料，顧名思義，就是用來(lái)吸收電磁波能量的，像黑色顏料吸收光線一樣。在通常情況下，要產(chǎn)生明顯的吸收作用，吸收體至少需要有1/4波長(zhǎng)的厚度。
吸收體的吸收性能可以這樣理解，當(dāng)一個(gè)電磁波碰到某物體表面時(shí)，電磁波的一部分能量要被反射回去，一部分能量要穿過(guò)邊界傳到第二媒介里，這些進(jìn)入物質(zhì)表面的電磁波通過(guò)各種途徑穿透媒介并在物質(zhì)表面的另一邊變成輻射能，電磁波的強(qiáng)度變?nèi)趿?；而沒(méi)有穿透過(guò)去的那部分電磁波能量就被吸收了。因此要達(dá)到理想吸收電磁波，首先，吸收材料應(yīng)能盡量使入射到材料表面的電磁波透入，即進(jìn)入到吸收材料里邊去，使電磁波反射達(dá)到最小。其次，若使電磁波全部進(jìn)入吸收材料內(nèi)，要求電磁波入射線要垂直吸收材料的表面。再次，透入到吸收材料里的電磁波能量應(yīng)能有效地把入射的電磁能量全部吸收。由此可見(jiàn)，暗室的性能（如反射率電平的大?。╆P(guān)鍵取決于所使用的吸收材料，通常所使用的吸收材料為角錐狀，其形狀如圖（1）：

如果采用角錐型吸收材料，則電磁波無(wú)論是以何種極化（平行極化或垂直極化）入射到吸收材料上，總是有兩個(gè)面處于平行極化的斜入射狀態(tài)，另外兩個(gè)面則處于垂直極化狀態(tài)。在斜入射狀態(tài)情況下，垂直極化的界面反射一般都比平行極化大。
在兩種極化都存在的情況下，總體的反射系數(shù)在僅有平行極化與垂直極化的反射系數(shù)之間，并且比較接近于垂直極化。
電磁波在界面上的反射，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［1］，在斜入射情況下，其特性阻抗為：

其中θi為入射角，θt為波在介質(zhì)中的折射角，η是受射介質(zhì)的特性阻抗，η0是空氣特性阻抗。一般情況下空氣特性阻抗為入射介質(zhì)的特性阻抗。
兩種極化的電磁波在不同入射角的界面反射系數(shù)如圖（2）所示，假定吸收材料。

由此可見(jiàn)，垂直極化波的界面反射系數(shù)總是隨入射角的增加而增大。而平行極化波的界面反射系數(shù)卻是先隨入射角的增加而減小，并且可較垂直入射時(shí)小得多。然后再隨入射角的增大而增大。除了小入射角和接近于 90°入射角的情況外，大多數(shù)情況下，平行極化波的界面反射都遠(yuǎn)較垂直極化波的小。
3 小圓柱形微波暗箱的靜區(qū)分析
一般而言，暗室的電性能主要由靜區(qū)的特性來(lái)表證，靜區(qū)的特性又以靜區(qū)的大小、靜區(qū)內(nèi)的反射率電平、交叉極化度、場(chǎng)均勻性、路經(jīng)損耗、工作頻率范圍及固有雷達(dá)截面參數(shù)來(lái)表述。
所謂靜區(qū)是指暗室內(nèi)受各種雜散波干擾最小的區(qū)域。它的大小除了與暗室?guī)缀涡螤睢⒐ぷ黝l率、吸收材料的電性能有關(guān)外，還與所要求的反射率電平、靜區(qū)的形狀及暗室的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于小圓柱形暗箱，由于其結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、內(nèi)壁鋪設(shè)相同的吸收材料，靜區(qū)呈柱狀，軸線與暗箱的軸線一致，它的直徑滿(mǎn)足下式：

式中：λ--波長(zhǎng)，R--收發(fā)天線的距離。在靜區(qū)內(nèi)的反射率電平，可以用下式描述：

其中：ED為小圓柱形暗箱軸線方向的入射場(chǎng)；
ER為由反射、繞射和散射在測(cè)量點(diǎn)合成的等效反射場(chǎng)。
小圓柱形暗箱內(nèi)任意一點(diǎn)反射率電平的大小是隨著工作頻率變化而變化，為了準(zhǔn)確地檢測(cè)出反射率電平，必須先明確以下幾點(diǎn)：
（1） 把接收天線縱向移動(dòng)（沿圓柱軸線），如果接收信號(hào)強(qiáng)度隨著1/R 變化［2］（R為收發(fā)天線間的距離），表明圓柱形暗箱測(cè)試滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)測(cè)量條件。如果接收信號(hào)以半波長(zhǎng)為周期振蕩變化，表明天線之間耦合較強(qiáng)。如果振蕩周期大于λ/2，表明存在多路經(jīng)反射信號(hào)。
（2） 在待測(cè)點(diǎn)端面處，上下左右移動(dòng)，或沿軸線縱向移動(dòng)以探測(cè)場(chǎng)強(qiáng)是否均勻，如果接收電平起伏優(yōu)于0.25dB，且上下基本對(duì)稱(chēng)，表明滿(mǎn)足入射場(chǎng)錐削幅度要求。

4 利用空間駐波法檢驗(yàn)小圓柱形微波暗箱的反射率電平
從物理上講，沿暗箱軸線橫向或上下移動(dòng)無(wú)方向性探頭天線，測(cè)量空間駐波曲線，根據(jù)駐波曲線的極大值和極小值Emax（dB）、Emin（dB），確定反射率電平［3］，如圖（3）、圖（4）所示：

但是實(shí)際的天線具有方向性，為此必須對(duì)公式（6）進(jìn)行修正，即天線位于φ角接收到的入射場(chǎng)比φ=0°時(shí)的入射場(chǎng)低AdB，在φ方向，駐波曲線極大值與極小值dB數(shù)之差為：

則在φ方向上的反射率電平為：

圖（3）、圖（4）分別表示了自由空間的入射、反射波構(gòu)成的駐波和駐波曲線。顯然該方法的實(shí)際物理意義是：在理想狀態(tài)下，暗箱內(nèi)只存在直射波，而投射到吸收材料上的電磁波能量絕大部分被吸收掉了，但當(dāng)有一定的雜散波存在（如反射波、繞射波、散射波等），這些相干波束在極化相同的條件下，當(dāng)兩波間相位相差2nπ（n=1，2，3）時(shí)，就形成波峰，而相位差為2（n+1）π的地方，兩波相抵消或部分相抵消形成波節(jié)，在圓柱形暗箱內(nèi)出現(xiàn)許多波峰、波節(jié)而形成場(chǎng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的空間駐波分布。因此，在靜區(qū)范圍內(nèi)反射率電平要比其它空間內(nèi)的反射率電平小很多。

5 確定小圓柱形微波暗箱反射率電平的主要方法
（1） 測(cè)量接收天線的方向圖，在所需要的方位角φ上標(biāo)出相應(yīng)的方向圖電平A1（dB）。
（2） 將天線最大輻射方向指向φ角，橫向移動(dòng)天線并記錄此時(shí)的空間干涉波曲線，如圖（5）所示：

（3） 描繪駐波曲線的包絡(luò)，由包絡(luò)線的極大極小值求出Δab，并求出它的平均電平A1（dB），若ED＞ER，A1（dB）就是接收天線的方向圖電平。如圖（6）：

（4） 在不同的角上，重復(fù)（2）、（3）步驟，就能求出一系列空間駐波曲線，再由駐波曲線的包絡(luò)來(lái)求出Δab值，在ED＞ER的情況下，由式（8）就能求出不同方向上的反射率電平。如果ED＞ER，則需按下式計(jì)算反射率電平：

由于ED隨天線的移動(dòng)有規(guī)律的變化，ER無(wú)規(guī)律的變化，在某取向角，如果實(shí)測(cè)空間駐波曲線的平均值出現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化時(shí)，就能判定ER＞ED，或者在這個(gè)取向角上，假定駐波曲線的平均電平比在這個(gè)取向角上方向圖的電平高，也能判定ER＞ED。
6 建立小圓柱型微波暗箱的測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試步驟
（1）測(cè)試裝置的建立
微波暗箱反射率電平的測(cè)試系

統(tǒng)主要由發(fā)射信號(hào)源（69347B）、接收機(jī)（MS2667C頻譜分析儀）、計(jì)算機(jī)及接收天線和測(cè)試支架組成，見(jiàn)框圖（7）。其中信號(hào)源為發(fā)射天線輸出一個(gè)微波直射信號(hào)，由頻譜分析儀接收來(lái)自各方向的反射及直射信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)讀出后描繪出一個(gè)空間駐波曲線，并計(jì)算出反射率電平。天線支架用來(lái)控制測(cè)試天線的上下、左右直線移動(dòng)及轉(zhuǎn)角姿態(tài)的變化動(dòng)作。為了能比較準(zhǔn)確地描繪出空間行程駐波曲線，天線移動(dòng)的行程距離必須大于等于兩個(gè)波長(zhǎng)。最后通過(guò)改變接收天線取向角以獲得若干條駐波曲線，從而達(dá)到測(cè)試小圓柱型微波暗箱反射率電平的目的。
（2）測(cè)試過(guò)程
依據(jù)VSWR法的特點(diǎn)，我們將接收天線安裝在測(cè)試支架上，使天線處于暗箱中心軸線上，并距離后壁尖劈為15cm處，分別改變天線與中心軸的夾角來(lái)進(jìn)行反射率電平的測(cè)試。
（3）天線測(cè)試狀態(tài)的確定
這里我們僅選擇垂直極化狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，其次考慮到被測(cè)箱體的限制，在測(cè)試位置上僅選取一點(diǎn)，即接收天線距離后壁尖劈為15cm處，俯仰角為±20°，±35°時(shí)，接收天線上下移動(dòng)2-4個(gè)波長(zhǎng)。由于暗箱為圓柱體，因此可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)暗箱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)暗箱內(nèi)壁任意一點(diǎn)反射性能的測(cè)試，而暗箱后壁的反射性能受測(cè)試條件的局限而無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，故暫不考慮。
（4）Z向（垂直向）的測(cè)試
Z向的測(cè)試是接收天線離后壁尖劈15cm處，以箱體軸線作垂直向的上下移動(dòng)，其上下移動(dòng)的高度為±3λ（±9cm），天線的取向角為±20°，±35°，在這些點(diǎn)上測(cè)出若干條干涉曲線。垂直向的測(cè)試主要是測(cè)量暗箱上下尖劈對(duì)電磁波的反射情況。
在0°時(shí)，接收天線所獲取的曲線（數(shù)值）為Z向場(chǎng)幅度的均勻性。通過(guò)由頻譜儀測(cè)得的曲線，求出其最大電平變化值（Δab），及曲線的平均值（Ai）以得到天線在該取向角θ時(shí)的方向圖電平值。
（5）將微波暗箱旋轉(zhuǎn)至所需要的角度φi，重復(fù)（3）、（4）步驟，測(cè)出暗箱其余內(nèi)壁的反射率電平。以下是我們對(duì)802所編號(hào)為6CH-6W2的暗箱采用以上方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：
表（1）：接收天線作上下移動(dòng)時(shí)電平的變化值測(cè)試頻率：10.125GHz，接收天線距離暗箱中心軸5cm處定義為移動(dòng)的起始位置，接收天線分別取俯仰角+20°、-20°。

方位角+20°-20°方向圖電平值A(chǔ)(dB)1010最大電平變化值Δ（dB）0.640.62總的反射率電平值R（dB）-38.7-39.0
從以上測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，被測(cè)小圓柱型微波暗箱在所選頻率上用以上方法測(cè)量其反射率電平均優(yōu)于設(shè)計(jì)所要求的-30dB的技術(shù)指標(biāo)。