微波暗箱反射率電平分析與測量

1 概述

無線電工程師極力尋求一個(gè)無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有任何反射干擾，換句話說，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)為無線電引信工作的自由空間。

無回波吸收室用途是相當(dāng)廣泛的，幾乎所有的無線電參數(shù)的測試工作都可在無回波吸收室內(nèi)進(jìn)行，比如天線特性測試、雷達(dá)截面測試、整機(jī)系統(tǒng)靈敏度測試等各種各樣的模擬試驗(yàn)，各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星上的無線電設(shè)備也都可以在無回波吸收室內(nèi)進(jìn)行綜合試驗(yàn)。

2 吸收材料的性能分析

無回波吸收材料，顧名思義，就是用來吸收電磁波能量的，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)趿耍欢鴽]有穿透過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，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，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?、工作頻率、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)。對于小圓柱形暗箱，由于其結(jié)構(gòu)對稱、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，它的直徑滿足下式：

式中：λ--波長，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；

ER為由反射、繞射和散射在測量點(diǎn)合成的等效反射場。

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），表明圓柱形暗箱測試滿足遠(yuǎn)場區(qū)測量條件。如果接收信號以半波長為周期振蕩變化，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。

（2） 在待測點(diǎn)端面處，上下左右移動(dòng)，或沿軸線縱向移動(dòng)以探測場強(qiáng)是否均勻，如果接收電平起伏優(yōu)于0.25dB，且上下基本對稱，表明滿足入射場錐削幅度要求。

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)無方向性探頭天線，測量空間駐波曲線，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，為此必須對公式（6）進(jìn)行修正，即天線位于φ角接收到的入射場比φ=0°時(shí)的入射場低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無規(guī)律的變化，在某取向角，如果實(shí)測空間駐波曲線的平均值出現(xiàn)無規(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試系統(tǒng)與測試步驟

（1）測試裝置的建立

微波暗箱反射率電平的測試系統(tǒng)主要由發(fā)射信號源（69347B）、接收機(jī)（MS2667C頻譜分析儀）、計(jì)算機(jī)及接收天線和測試支架組成，見框圖（7）。其中信號源為發(fā)射天線輸出一個(gè)微波直射信號，由頻譜分析儀接收來自各方向的反射及直射信號，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。天線支架用來控制測試天線的上下、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。最后通過改變接收天線取向角以獲得若干條駐波曲線，從而達(dá)到測試小圓柱型微波暗箱反射率電平的目的。

（2）測試過程

依據(jù)"VSWR"法的特點(diǎn)，我們將接收天線安裝在測試支架上，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進(jìn)行反射率電平的測試。

（3）天線測試狀態(tài)的確定

這里我們僅選擇垂直極化狀態(tài)進(jìn)行測試，其次考慮到被測箱體的限制，在測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。由于暗箱為圓柱體，因此可通過轉(zhuǎn)動(dòng)暗箱來實(shí)現(xiàn)對暗箱內(nèi)壁任意一點(diǎn)反射性能的測試，而暗箱后壁的反射性能受測試條件的局限而無法進(jìn)行測量，故暫不考慮。

（4）Z向（垂直向）的測試

Z向的測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)上測出若干條干涉曲線。垂直向的測試主要是測量暗箱上下尖劈對電磁波的反射情況。

在0°時(shí)，接收天線所獲取的曲線（數(shù)值）為Z向場幅度的均勻性。通過由頻譜儀測得的曲線，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，測出暗箱其余內(nèi)壁的反射率電平。以下是我們對802所編號為6CH-6W2的暗箱采用以上方法進(jìn)行測試，測試數(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°。

表（2）：不同取向角時(shí)的總的反射率電平

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

從以上測試數(shù)據(jù)中可以看出，被測小圓柱型微波暗箱在所選頻率上用以上方法測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)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 汪茂光. 幾何繞射原理. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1985.

［2］ 江賢祚. 天線原理. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,1993.

［3］ 毛乃宏. 天線測量手冊. 北京: 國防工業(yè)出版社,1987.