电子质量2020年第03期(总第396期)高性能天线远场测量暗室设计及实现DesignandRealizationofHighPerformanceAnechoicChamberforAntennaFar-FieldMeasurement刘本东1,刘安邦2,张宇桥1,季岳1(1.南京曼杰科电子工程有限公司,江苏南京210007;2.南京富斯坦电子科技有限公司,江苏南京210023)LiuBen-dong1,LiuAn-bang2,ZhangYu-qiao1,JiYue1(1.NanjingMJKElectronicsEngineeringCo.Ltd,JiangsuNanjing210007;2.NanjingFSTElectronicTechnologyCo.Ltd,JiangsuNanjing210023)从而将摘要：该文给出了高性能天线远场测量暗室设计方法：把暗室菲涅尔区吸波材料成波浪渐变布设，在需要的中心频点使多区域漫散射矢量相消，达暗室菲涅尔区进入静区的镜面反射变成了多区域漫散射，测试结果表明，较常规暗室静区性能可到暗室静区的高性能。这种设计思路在某暗室工程中得到了应用，以提高一个层次。微波暗室关键词：矢量相消；高性能；中图分类号：TN820文献标识码：A文章编号：1003-0107(2020)03-0067-05Abstract:Inthispaper,thedesignmethodofhighperformanceantennafarfieldmeasurementanechoicchamberhasbeengiven.TheabsorbingmaterialinFresnelzoneofanechoicchamberisarrangedaswavegradient,sothatthespecularreflectionfromFresnelzoneintoquietzoneischangedintomulti-zonediffusescattering,andthemulti-zonediffusescatteringvectorisneutralizedattherequiredcenterfrequencypointtoachievethehighperformanceofanechoicchamberquietzone.Thisdesignideahasbeenappliedinananechoicchamberproject,andthetestresultsshowthattheperformanceofthequietzoneoftheanechoicchambercanbeimprovedbyonelevelcomparedwiththeconventionalanechoicchamber.Keywords:vectorcancellation;highperformance;anechoicchamberCLCnumber:TN820Documentcode:AArticleID：1003-0107(2020)03-0067-050引言移动通信技术的发展对天线的性能要求越来越高，天线设计和天线测量是天线特性研究的两个重要方面，天线测量可分为远它们相辅相成，相互影响、相互制约。场和近场测量，无论何种测量主要目的是为了获得天线远场辐射特性。天线远场辐射特性中增益和副瓣电平(含前后比)是关键指标[1]。天线远场测量时天线增益和副瓣电平(含前后比)测量误差项中暗室静区性能是主要因素，其关系分别如下式所示：暗室静区反射电平对天线增益测量精度的影响为：天线增益测量误差主要在暗室内进行天线增益测量时，是由空间驻波产生的，增益测量的最大误差为：驻GmaxdB=20lg(1±10(祝/20))式(1)中，祝为静区反射电平。由式(1)计算可得：暗室静区反射电平对天线增益测量精度的影响如表1所示。(1)作者简介院刘本东(1966-)，男，河南周口人，高级工程师，主要研究吸波材料及暗室设计建造；刘安邦(1990-)，男，江苏南京人，硕士，主要研究天线测试与暗室设计建造；张宇桥(1967-)，女，浙江临安人，工程师，主要研究吸波材料及暗室设计建造；季岳(1993-)，男，江苏泰兴人，助理工程师，主要研究微波暗室设计建造。67表1增益测量精度与静区反射电平间关系表测量精度(dB)1.00.50.250.150.1祝需求量(dB)-20-25-30-35-40暗室静区反射电平对天线副瓣测量精度的影响为：在暗室中进行天线方向图测量时，天线副瓣测量最大误差为：ΔE(dB)=20lg(1±10((祝-A)/20))(2)式(2)中，祝为静区反射电平；A为天线方向图副瓣电平。由式(2)计算可得：相应副瓣处方向图测量误差与静区反射电平间关系如图1所示。图1暗室静区性能和天线副瓣测量精度关系图因此，为了提高天线远场测量精度就必须建造高性能的天线远场测量微波暗室，设计建造高性能微波暗室是天线测量的基础工程，是提高天线测量精度的现实所需。1微波暗室静区性能微波暗室的电性能主要由静区的特性来表征，静区的特性又以静区的大小、静区反射电平、交叉极化度、场均匀性、多路径损耗及工作频率范围等参数来表述。暗室静区是指暗室内某区域，该区域受各种杂散波干扰最小。暗室静区的大小除受限于暗室几何尺寸、使用频率、吸收材料的反射损耗外，还同所要求的静区反射电平、静区的形状等有关。静区反射电平，可以用式(3)描述：祝=20log|E|ER|D|(3)其中：ED为暗室直射波入射场；ER为由反射、绕射和散射在测量点合成的等效反射场。微波暗室电性能的核心指标是静区反射电平，其它指标本质上均与静区反射电平有关，静区反射电平大小与暗室设计技术、暗室布局、吸收材料性能及源天线的增益有关，但总体来说，最低工作频率静区反射电平最难达到要求。天线测试的环境干扰主要是由暗室墙体、转台、源天线支架、受试产品支架等的散射和源天线泄漏引起的。转台和受试产品支架，作特殊吸波处理来消除其散射影响[2]。源天线泄漏由铺设在后墙的吸波材料来解决。墙体是暗室的主体，通过铺设合适的吸波材料及合理的材料布局，可使墙体的散射降低到允许的范围。静区反射电平的计算思路是：应用几何光学原理，设定微波吸收材料性能模拟函数(吸收性能随入射角变化)及源天线方向性模拟函数(以所提供的发射天线参数为依据进行拟合)，计算暗室各壁反射电平在静区内同相相加的最差性能，然后根据同相迭加概率得到静区反射电平分布。暗室顶棚、地面和侧墙的反射干扰同静区中直射波间的几何关系如图2所示。图2反射波路径和静区几何关系渍=tan-1(Ld)(4)兹=tan-1(dL)(5)d=B-酌(6)式(4)、式(5)、式(6)中，L(米)为天线收发间距；B为(米)暗室的高(或宽)；酌为(米)顶棚和地面吸波材料等效反射面厚度之和。暗室顶棚、地面和侧墙反射条件下的静区反射电平为：祝i(Qzreflectivity)=Rat渍+Gat兹+20Lgcos兹(7)式(7)中，Rat渍为墙面吸波材料反射损耗(以实测数据为依据)；Gat兹为源天线方向性系数。暗室主墙反射条件下的静区反射电平应优于：祝j(Qzreflectivity)=R(8)式(8)中R为主墙吸波材料反射损耗。暗室静区反射电平为：祝(Qz4reflectivity)=移i=1祝i+祝j(9)由上述论述可知，当暗室空间尺寸和源天线选定后，暗室静区性能的优劣取决于吸波材料的吸波性能，理论计算和工程实践表明：常规矩形暗室1GHz频段时静区反68电子质量2020年第03期(总第396期)射电平仅能达到-40dB[3]。当暗室静区反射电平由-40dB提升了5dB时：暗室干扰引起的天线增益测量误差将成为小量，暗室干扰对天线-12dB副瓣测量时引起的误差将由±0.35dB减小到±0.20dB，此副瓣测试精度提高了43%。因此，建设高性能天线远场测量暗室是天线测量的迫切需要。2微波暗室设计微波暗室设计仿真计算基本使用几何光学及几何绕射理论，两者都属于射线理论，几何光学主要用于镜面反射波的计算，几何绕射主要用于物体边缘产生的绕射波的计算。当采用某些措施消除镜面反射波对静区性能的影响后，则要考虑物体产生的绕射波对静区性能的影响。绕射波的影响是不能完全消除的，可采用措施尽量减小。反射波是已知的和可控的，而绕射波不确定性强。因此，暗室设计要避免绕射波的出现。2.1主反射区尺寸的选取对于矩形微波暗室，其顶棚、地面和两侧墙主反射区均为椭圆面，椭圆面长半轴aN和短半轴bN是由频率、天线收发间距、暗室尺寸及几何关系等所确定的，各参数空间几何关系定义如图3所示。图3菲涅尔区几何关系2aN=R伊F20.51×(1+F2-2×F3)(10)2bF22N=R伊((1-1)×(1+F2-2×F3))0.5(11)追=tg-1(HA+HT)/R(12)F1=(N伊姿)/(2伊R)+Sec追(13)F2222=(HT-HA)/[(F1-1)伊R2](14)F23=(HT+H22A)/[(F1-1)×R2](15)式(10)~式(15)中，R-天线收发间距，单位m；追-反射线同反射面间的夹角，单位(°)；姿-电波波长，单位m；HA-发射天线至反射面距离，单位m；HT-接收天线至反射面距离，单位m；N-菲涅尔带数目，取自然数。69由暗室结构尺寸可计算得椭圆反射面长半轴aN和短半轴bN，该椭圆反射面为此墙面电波的主要反射区域。此处反射波处理得当与否是暗室设计成败的关键。2.2主区吸波材料的选取暗室吸波材料吸波性能是暗室静区性能指标实现的基础，角锥型吸波材料的吸波性能取决于参数D/姿，其中D是角锥型吸波材料的高度，姿是波长。吸波材料测试曲线表明，D/姿越大，吸波性能越好。此外，电波入射角对吸波材料的性能也有重大影响。吸波材料吸波性能测试曲线还表明，入射角越大，吸波性能越差，尤其是当入射角大于60毅以后，性能急剧下降。角锥吸波材料吸波性能是吸波材料电高度和电波入射角的函数。其基本规律如图4和图5所示。图4电波垂直入射材料吸波性能图图5电波斜入射时材料吸波性能图按照暗室静区性能要求，选用合适高度的吸波材料，一般情况主墙吸波材料吸波性能要优于静区性能3～5dB。2.3主区吸波材料布局赋形\"高效费比\"矩形暗室菲涅尔区电波入射角一般接近60，此时1m高角锥吸波材料吸波性能在1GHz时仅能到-30dB左右。在L波段的低频段，仅靠吸波材料吸波无法保障暗室静区反射电平的需求，而在2GHz以上频段，吸波材料电厚度增加1倍以上，吸波性能增强；同时天线方向性增强，从而可保证暗室静区性能要求。所以暗室设计在选定吸波材料品种后保证低频段吸波性能是关键点，本暗室设计思路是将菲涅尔区镜面反射改变为多点散射，通过设计使菲涅尔区吸波材料波浪型渐变布设，让不同路径反散射波波程差为0.5姿，使不同路径的反散射波矢量对消，从而达到提升静区性能目的。由几何光学原理可知，源天线发射的电波经二次及其以上反射进入静区的能量相对于一次反射属小量，其影响不作考虑。主要考虑一次反散射，源天线发射的电波经菲涅尔区一次反散射进入静区某点路径如图6所示。图6菲涅尔区多点反散射关系示意1号电波路径与3号电波路径波程相同。角锥吸波材料可等效为平板多层吸波材料，通过设计吸波材料波浪形渐变布设，刚好使1号和3号波路径与2号波路径波程差为0.5λ，反散射波在静区内矢量相消，从而提升暗室静区性能。2.4暗室静区性能仿真计算按照上述思路，采用PD算法，对某微波暗室建立数学模型，如图7、图8所示。图7源天线尧静区处于暗室关系示意图图8单面菲涅尔区散射场强路径关系图在静区中P点的场强关系，如公式(16)所示。E仔Rd/姿21(P)=E(D)[e-j2+C(RRde-j2πR/姿+PRd-j2仔R/姿1e2R1+PR32Rde-j2仔R/姿)](16)3其中，E(D)=直射波场强(源天线设定为点源)；Rd=直射波路径长；R2和R1、R3为反散射波路径长；C和P1、P2代表了暗室侧墙的反散射系数。静区反射电平仿真计算结果如表2所示。表2暗室静区反射电平仿真计算结果列表频率(GHz) 0.7 1 3 6 天线收发间距(m) 37 37 37 37 暗室宽*高(m) 23*23 23*23 23*23 23*23 静区反射电平(dB) -44.2 -47.5 -51.7 -52.8 上述理论计算表明，通过矢量对消在设计的谐振频点附近可提升暗室静区性能10dB以上。3结论采用上述方法和措施设计的微波暗室，在某暗室工程中获得了成功应用。经有资质的权威测试单位检测鉴定，暗室静区反射电平达到了-46dB@0.79GHz～0.96GHz[4]，实现了预定的设计目标，将\"测试场地\"暗室提升为了\"校准场地\"暗室[5]。该高性能暗室工程设计施工获得了编号为ZL201610298980.7和ZL201620406479.3的两个国家专利[6-7］。高性能微波暗室设计方法及思路对\"高效费比\"微波暗室的设计建造具有良好的借鉴性和指导性。下转74页704结论分析本文对常用的数据链抗干扰手段进行了介绍，并结合导弹外形，了相控阵天线用于数据链通信的优势，设计了一种与弹体共形的圆锥形相控阵天线模型，选用平面型螺旋天线作为本相控阵天线模型的天线单元。经对比普通仿真，该相控阵天线模型副瓣抑制大于17dB，定波束天线，较大提高了弹载数据链的抗干扰能力。[2]赵鸿燕.国外相控阵雷达导引头技术发展研究[J].航空兵器,2018,(3):11-17.[3]孙亚楠.软件抗干扰技术[J].电子质量,2010,(8):84-85.[4]汪坤.空域自适应抗干扰在数据链通信中的应用[J].电子质量,2018,(12):121-123.[5]陈志坤,乔晓林,李风从.基于极化波束形成的相控阵雷达导引头抗干扰技术研究[J].航空兵器,2016,(6):16-20.[6]胡志慧,姜永华,凌祥,等.毫米波锥面共形相控阵天线的仿真与优化[J].微波学报,2014,30(4):34-39.参考文献：[1]吕卫华,徐大专.弹载数据链抗干扰性能分析[J].南京航空航天大学学报,2015,47(3):392-396.上接70页参考文献：[1]刘安邦,张宇桥,刘本东,等.提高天线增益标定精度方法研究和误差评估[J].微波学报,2012,(6):112-114.[2]杨文麟,刘本东.微波暗室性能的低频三维电磁分析[J].电磁干扰与兼容,2009,(1).[3]李高升,刘继斌,何建国.微波暗室设计原理的研究与应用[J].电波科学学报,2004,19(S1):285-288.[4]广州京信微波暗室静区性能检测报告[R].北京:中国航天科工集团二院203所,2010.[5]YD/T2868-2015.移动通信系统无源天线测量方法[S].[6]刘本东,张宇桥,毛莹,等.高性能天线远场测量暗室及设计方法[P].中国专利:ZL201610298980.7,2019-04-16.[7]刘本东,张宇桥,毛莹,等.一种高性能天线远场测量暗室[P].中国专利:ZL201620406479.3,2016-09-28.74
