微波暗室低频三维电磁特性分析

Tom Chen

微波暗室，亦称电波暗室。当电磁波入射到墙面、天棚、地面时，绝大部分电磁波被吸收，而透射、反射极少。当电磁波入射到墙面、天棚、地面时，绝大部分电磁波被吸收，而透射、反射极少。微波也有光的某些特性，借助光学暗室的含义，故取名为微波暗室。 微波暗室是采用吸波材料SA作和金属屏蔽体组建的特殊房间，它提供人为空旷的"自由空间"条件。在暗室内做天线、雷达等无线通讯产品和电子产品测试可以免受杂波干扰，提高被测设备的测试精度和效率。

随着电子技术的日益发展，微波暗室被更多的人了解和应用。微波暗室就是用吸波材料来制造一个封闭空间，这样就可在暗室内制造出一个纯净的电磁环境，以方便排除外界电磁干扰。微波暗室材料可以是一切吸波材料，主要材料是聚氨酯吸波海绵SA（高频使用），另外测试电子产品电磁兼容性时，由于频率过低也会采用铁氧体吸波材料。微波暗室的主要工作原理是根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率吸波材料引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。长期以来暗室的工程分析一直是采用射线跟踪法，但在最低工作频率时暗室尺寸仅几个波长，因而精度很差，造成精度差的因素有以下几点：

● 镜像区的反射足以影响DUT测试区的品质，而镜像区的特性尺寸有几个波长，其表面覆盖的吸波材料在VHF和UHF频段时它的尺寸甚至超过暗室侧墙、顶棚和地面的特性尺寸。
● 有效镜区面积较大，在使用射线跟踪法时难以确定镜像的准确入射角。
● 在低频时难以精确地预判或预测墙面吸波材料在偏离垂直投射时的反射系数。
● 难以精确测量吸波材料的反射系数的相位。因而仅能计算DUT测试区场的有效值（RMS）及和的平方根值（RSS），如此只能提供近似值。
● 在VHF和UHF频段，许多情况都是基于吸波材料在2GHz以上斜入射时反射系数的递减曲线来近似的，这种外推法对许多暗室就相当不精确。

最有效的常用的对射线跟踪法的改进是口径积分法，即从侧墙反射进入测试区的反射场是用整个口径的基尔霍夫（Kirchhoff）积分计算（包括侧墙、顶棚或地面），测试区内场是反射场与源天线辐射场的叠加。虽然这种方法比较好的适用于暗室的分析，但所得到的精度仍受到限制，这是由于所用的吸波材料垂直和斜投射时反射系数的信息（两个交叉极化的幅度和相位）的限制。如前所述，对UHF和VHF频段就更成问题了。此外，无论口径积分法还是射线跟踪法对此频段的暗室内多重反射都是无法计算，但这又是很重要的。

一 不精确的暗室分析的后果

由于缺乏对暗室性能的精度预估可能导致暗室的设计不是最佳。然而是不是最佳性能也不总是能判断出来的，例如在测试区内场探测也可能表示不出场变化和起伏的全貌，那是由于在低频时室内表面反射和直射造成的干涉图的波动周期较长的缘故。为了保证适当的暗室性能，暗室场强探测应在尽可能的整个频带内进行，在测试区内整个频带上的场强锯齿形起伏变化应加以标注，多次匹配调整收发极化时在整个频带内记录下来的信号起伏小就说明了暗室的性能比较好。

二 三维电磁仿真

电磁，物理概念之一，是物质所表现的电性和磁性的统称。如电磁感应、电磁波等等。电磁是法拉第发现的。电磁现象产生的原因在于电荷运动产生波动。形成磁场，因此所有的电磁现象都离不开磁场。电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。另：电磁，系日本动画《神奇宝贝》的人物之一的中文名。湖滨道馆的训练家，湖滨市太阳能塔的制造者。

ORBIT/FR公司用商用变换解算软件包完美的完成了低频暗室的性能仿真。采用三维时域技术计算仿真的低频暗室性能典型的仿真结果如下所述。
主要的分析是对室内感兴趣地点的场均匀性进行分析，譬如DUT测试区及随后决定的暗室内的幅度锥削及纹波、相位变化和导致的交叉极化电平。这些量都是与如下参数有关：
　　● 吸波材料的布局与品质。
　　● 源天线/DUT的间距。
　　● 工作频率。
　　● 源天线波束宽度。
　　● DUT转台情况。
　　● DUT支撑结构形状和材料情况。
通过这些分析就能提供出关于源天线与DUT的距离和位置、吸波材料的布局情况的信息，以致于能够做到达到所需性能的暗室最小尺寸。

三 暗室的模型法

对于暗室模拟最有效的方法就是建立各种不同类型吸波材料的标准数据库，如角锥材料、楔型材料、复合材料（如角锥背面复合铁氧体瓦）、吸波地板材料等。每种类型材料都有不同尺寸，如角锥材料有从5厘米高到2.4米的高度，对UHF和VHF频段有更高的高度，典型的有0.9~2.4米。把材料的负载特性输入并储存在数据库内，这是基于整个频段材料特性ε′（f）、ε″（f）、μ′（f）、μ″（f）的测量而来的。材料的精确特性是用于模拟的最重要的参数之一。




图1 a 暗室设计的等距线观察图 b 吸波材料在地板上的布局

图1中给出一个典型暗室设计案例，吸波材料的布局包括不同类型不同级别的材料，暗室尺寸：H=6m、W=6m、L=10m,工作频率低至150MHz.地面包括安置在对角线上"镜像区"的龟背突起，在地面远端可用低档次角锥和楔状材料。转台系统是用玻璃钢纤维塔支撑DUT,走道材料也表示在布局中，当然对它们都要进行模拟。

四 吸波材料的布局和等级品质的最佳选择

此处讨论了吸波材料的布局和等级品质对测试区性能的效应，假设暗室布局与前述类似，测试区性能和比较是在两种情况下进行的。即接收端墙（暗室主墙）和"龟背突起"部分分别布设0.9米或1.2米高角锥吸波材料，测试区的场强以等值线形式在测试区中心切面表示的，仔细观察明显看出场强b状况比a状况更均匀，也就是说用1.2米高角锥更优越。也可以看出侧墙的反射（相应H面入射）比地面或顶棚反射（相应E面入射）要大，故产生在测试区的场分布形成椭圆型。


a 用0.9米角锥吸波材料

b 用1.2米角锥吸波材料

图2 以测试区中心点归算的测试区的场轨迹.

五 源天线与DUT距离对测试区性能的效应

对VHF和UHF频段来说，源天线和DUT之间的间距是一个重要的参数，它能强烈影响测试区的性能。众所周知，对微波频率（>2GHz）大入射角，譬如 65度，吸波材料的吸波性能也相当好。但对VHF和UHF频段在较大的入射角时吸波性能大大恶化。图3所示是收发天线不同间距时的暗室测试区场强等值线。


a 间距3米

b 间距6米
图3 以源天线与DUT间距为参数测试区场轨迹图

3米间距对侧墙、地板和天花板的入射角近似27度。
6米间距对侧墙、地板和天花板的入射角近似45度。
可以明显看出间距会导致不期望不要求的测试区横截面的场扰动，在测试区中心很小的地方电波场结构表现不稳定，这可导致频率速变，结果就是在测试区难以控制场的均匀性。

六 源天线波束宽度对测试区性能的效应

在设计暗室时另一个重要参数就是源天线的波束宽度。如前所述，暗室内H面的反射本征上就比E面大，能够减少源天线波束宽度来改进本来就不太大的反射。然而如果太大减少波束宽度会导致幅度锥削变大和减小测试区尺寸，对VHF和UHF频段来说减少波束宽度也不太容易，因为这需要增加源天线的尺寸，这对暗室是不实际的。源天线的最佳选择比暗室结构更重要，因而说电磁仿真是一很重要的工具。

图4 对数周期振子源天线H面方向图
a 单对数周期阵子天线 3dB BW=106°
b 双对数周期振子天线 3dB BW=73°

图4中表明了仿真实例，单对数周期振子天线和间距为半波长、双对数周期振子天线源天线所形成的测试区场等值线图和它们的差别。观察图5的等值线图可以看出双对数周期天线阵产生比较均匀的场，显示出场接近圆对称的轨迹线。

a 单队数周期振子天线，3dB BW=106°

b 双对数周期振子天线，3dB BW=73°
图5 用不同源天线获得的测试区的场轨迹图

七 转台等设备对测试区性能的效应


图6 计入转台、走道和玻璃钢纤维塔后的测试区场强图



在任何暗室内转台和走道吸波材料对操作人员接近DUT都是必须的，结果就是由于它们相当近接近测试区，就会引起不需要的和不可控制的测试区场扰动，尤其是在低频段它们在测试区内的效应通常难以或无法估算。电磁三维计算仿真就是能够事先计入和估算它们对测试区影响的工具。图6就表示出转台和支撑DUT的玻璃钢纤维塔是如何影响测试区性能的。明显的是场可能丧失最重要的对称性和造成场的峰值（或测试区的中心）向上移动甚至于到DUT位置之上。当然在转台系统上装上吸波材料可以减小这些效应。

八 结论

对于低频段VHF和UHF的三维电磁分析系统是用时域软件完成的，引入以前所用过分析方法的足够多的优点就是能获得相当准确的测试区的特性。就能做出比较好的性价比和设计高性能的暗室。可以被评价的性能因素有：
　　● 在布置上各种特性各种级别的吸波材料后对测试区性能能够全波段进行分析。
　　● 限定最佳的源天线与DUT的间距，它们是频率的函数。
　　● 源天线的最佳选择。
　　● 分析DUT设备系统所产生的效应以及吸波地板对测试区的影响。

文章来源：射频百花潭

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