微波暗室性能的低頻三維電磁分析

???? 眾所周知，微波暗室與室外場(chǎng)相比在進(jìn)行天線測(cè)量時(shí)具有安全、無(wú)輻射干擾及不受天氣因素影響的優(yōu)點(diǎn)。典型的微波暗室包括內(nèi)表面覆蓋有吸波材料的屏蔽體，源天線及被測(cè)體（DUT）和可通過(guò)旋轉(zhuǎn)以獲得被測(cè)體（DUT）天線方向圖的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)。屏蔽殼體尺寸大小主要是取決于最低工作頻率，當(dāng)暗室工作在VHF和UHF頻段時(shí)其所需尺寸顯著增大，因而增加了暗室結(jié)構(gòu)和所需吸波材料的費(fèi)用，暗室的最低工作頻率到VHF和UHF頻段時(shí)同室外場(chǎng)相比其優(yōu)點(diǎn)就喪失了。在這種情況下人們關(guān)注的是暗室結(jié)構(gòu)實(shí)際上真正的需求，而選擇了通過(guò)減小暗室尺寸降低造價(jià)和增加暗室尺寸以保證最起碼的性能水平的一個(gè)折衷，為了保證天線測(cè)量精度的最小水平，DUT測(cè)試區(qū)中照射波質(zhì)量和暗室內(nèi)各處反射都需達(dá)標(biāo)，這就特別需要暗室供應(yīng)商能夠精確分析暗室性能，使設(shè)計(jì)的暗室性價(jià)比最高。長(zhǎng)期以來(lái)暗室的工程分析一直是采用射線跟蹤法，但在最低工作頻率時(shí)暗室尺寸僅幾個(gè)波長(zhǎng)，因而精度很差，造成精度差的因素有以下幾點(diǎn)：

● 鏡像區(qū)的反射足以影響DUT測(cè)試區(qū)的品質(zhì)，而鏡像區(qū)的特性尺寸有幾個(gè)波長(zhǎng)，其表面覆蓋的吸波材料在VHF和UHF頻段時(shí)它的尺寸甚至超過(guò)暗室側(cè)墻、頂棚和地面的特性尺寸。
● 有效鏡區(qū)面積較大，在使用射線跟蹤法時(shí)難以確定鏡像的準(zhǔn)確入射角。
● 在低頻時(shí)難以精確地預(yù)判或預(yù)測(cè)墻面吸波材料在偏離垂直投射時(shí)的反射系數(shù)。
● 難以精確測(cè)量吸波材料的反射系數(shù)的相位。因而僅能計(jì)算DUT測(cè)試區(qū)場(chǎng)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頻段，許多情況都是基于吸波材料在2GHz以上斜入射時(shí)反射系數(shù)的遞減曲線來(lái)近似的，這種外推法對(duì)許多暗室就相當(dāng)不精確。

??? 最有效的常用的對(duì)射線跟蹤法的改進(jìn)是口徑積分法，即從側(cè)墻反射進(jìn)入測(cè)試區(qū)的反射場(chǎng)是用整個(gè)口徑的基爾霍夫（Kirchhoff）積分計(jì)算（包括側(cè)墻、頂棚或地面），測(cè)試區(qū)內(nèi)場(chǎng)是反射場(chǎng)與源天線輻射場(chǎng)的疊加。雖然這種方法比較好的適用于暗室的分析，但所得到的精度仍受到限制，這是由于所用的吸波材料垂直和斜投射時(shí)反射系數(shù)的信息(兩個(gè)交叉極化的幅度和相位)的限制。如前所述，對(duì)UHF和VHF頻段就更成問(wèn)題了。此外，無(wú)論口徑積分法還是射線跟蹤法對(duì)此頻段的暗室內(nèi)多重反射都是無(wú)法計(jì)算，但這又是很重要的。

一不精確的暗室分析的后果

??? 由于缺乏對(duì)暗室性能的精度預(yù)估可能導(dǎo)致暗室的設(shè)計(jì)不是最佳。然而是不是最佳性能也不總是能判斷出來(lái)的，例如在測(cè)試區(qū)內(nèi)場(chǎng)探測(cè)也可能表示不出場(chǎng)變化和起伏的全貌，那是由于在低頻時(shí)室內(nèi)表面反射和直射造成的干涉圖的波動(dòng)周期較長(zhǎng)的緣故。為了保證適當(dāng)?shù)陌凳倚阅?，暗室?chǎng)強(qiáng)探測(cè)應(yīng)在盡可能的整個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行，在測(cè)試區(qū)內(nèi)整個(gè)頻帶上的場(chǎng)強(qiáng)鋸齒形起伏變化應(yīng)加以標(biāo)注，多次匹配調(diào)整收發(fā)極化時(shí)在整個(gè)頻帶內(nèi)記錄下來(lái)的信號(hào)起伏小就說(shuō)明了暗室的性能比較好。

二三維電磁仿真

??? 前述的分析技術(shù)對(duì)低頻來(lái)說(shuō)是有限制性，顯然需要嚴(yán)格地進(jìn)行綜合分析，比較合適的分析就是下述的三維電磁仿真法。

??? 不久前尚無(wú)用于解決此類問(wèn)題的暗室三維定量分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，但近來(lái)隨著PC計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，有了用時(shí)域法技術(shù)的三維電磁分析的計(jì)算仿真軟件包，使此種分析變成可能。

??? ORBIT/FR公司用商用變換解算軟件包完美的完成了低頻暗室的性能仿真。采用三維時(shí)域技術(shù)計(jì)算仿真的低頻暗室性能典型的仿真結(jié)果如下所述。

??? 主要的分析是對(duì)室內(nèi)感興趣地點(diǎn)的場(chǎng)均勻性進(jìn)行分析，譬如DUT測(cè)試區(qū)及隨后決定的暗室內(nèi)的幅度錐削及紋波、相位變化和導(dǎo)致的交叉極化電平。這些量都是與如下參數(shù)有關(guān)：

??????? ● 吸波材料的布局與品質(zhì)。
?????? ?● 源天線／DUT的間距。
??????? ● 工作頻率。
??????? ● 源天線波束寬度。
??????? ● DUT轉(zhuǎn)臺(tái)情況。
??????? ● DUT支撐結(jié)構(gòu)形狀和材料情況。
??? 通過(guò)這些分析就能提供出關(guān)于源天線與DUT的距離和位置、吸波材料的布局情況的信息，以致于能夠做到達(dá)到所需性能的暗室最小尺寸。
三暗室的模型法
??? 對(duì)于暗室模擬最有效的方法就是建立各種不同類型吸波材料的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，如角錐材料、楔型材料、復(fù)合材料（如角錐背面復(fù)合鐵氧體瓦）、吸波地板材料等。每種類型材料都有不同尺寸，如角錐材料有從5厘米高到2.4米的高度，對(duì)UHF和VHF頻段有更高的高度，典型的有0.9～2.4米。把材料的負(fù)載特性輸入并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，這是基于整個(gè)頻段材料特性ε′（f）、ε″（f）、μ′（f）、μ″（f）的測(cè)量而來(lái)的。材料的精確特性是用于模擬的最重要的參數(shù)之一。