無(wú)線電吸波暗室的反射電平（上）

高選正

【摘 ? ?要】給出了天線方向圖比較法和自由空間電壓駐波比法兩者的對(duì)照，這2種方法可用于評(píng)估無(wú)線電吸波暗室的反射電平。在分析這2種方法之后，指出了哪些參數(shù)會(huì)影響反射電平的測(cè)量值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照，揭示了為什么在采用這2種方法時(shí)會(huì)得到不盡一致和不相關(guān)聯(lián)的結(jié)果，進(jìn)而還表明當(dāng)吸波暗室性能獲得改進(jìn)之后，如何利用反射電平來(lái)衡量這種改進(jìn)?；谀壳暗难芯砍晒枋隽宋ò凳倚阅艿脑u(píng)估步驟。同時(shí)，還通過(guò)舉例指出有必要開展進(jìn)一步的研究，以便歸納出滿意的評(píng)估步驟。

【關(guān)鍵詞】吸波暗室 ? ?反射電平 ? ?天線測(cè)量 ? ?遠(yuǎn)場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TN929.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1006-1010（2014）-22-0031-06

Reflectivity Level of Radio Anechoic Chambers

GAO Xuan-zheng1， FU De-min2

（1. Xi'an Branch Academy， China Academy of Space Technology， Xi'an 710061， China;

2. Xidian University， Xi'an 710071， China）

[Abstract]A comparison between the antenna-pattern comparison technique and the free-space voltage standing-wave ratio technique for evaluating the reflectivity level of radio anechoic chambers is presented. Based on an analysis of the two techniques， it is pointed out which parameters influence the measured value of the reflectivity level. The comparison is illustrated with experimental results and it is explained why inconsistent and uncorrelated results may be found when the two methods are used. Furthermore， it is demonstrated， by introducing improvements in a chamber， how the reflectivity level can be used to measure the improvements. This work is inspired by the current discussion of finding a figure of merit for anechoic chambers. Based on the results， an evaluation procedure for anechoic chambers is indicated. However， it is pointed out and illustrated by examples that further investigations are necessary before a satisfactory procedure can be outlined.

[Key words]anechoic chambers ? ?reflectivity level ? ?antenna measurement ? ?far field

1 ? 導(dǎo)論

五十年代初期，第一個(gè)無(wú)線電吸波暗室問(wèn)世，隨后天線和散射研究不斷發(fā)展，對(duì)室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)的關(guān)注也與日俱增。無(wú)線電吸波暗室的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)明確可控的條件進(jìn)行天線測(cè)量，例如：測(cè)試過(guò)程不再受天氣的限制;測(cè)試區(qū)域基本消除了反射信號(hào);外來(lái)干擾信號(hào)得到了有效屏蔽。

從第一個(gè)吸波暗室開始，為了獲得更好的吸波性能和更高的測(cè)量精度，人們一直饒有興趣地研究表征吸波暗室品質(zhì)因素的方法。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于不同的測(cè)量類型，有必要使用不同的求解品質(zhì)因素的方法。本文討論了用于天線方向圖測(cè)量的無(wú)線電吸波暗室的品質(zhì)因素主題。品質(zhì)因素即為反射電平，同時(shí)它也表征著方向圖電平的測(cè)量誤差，而這些測(cè)量誤差的來(lái)源包括：鋪設(shè)有吸波材料的吸波暗室墻壁、地板、天花板，它們都存在無(wú)可避免的小量反射。

眾所周知，吸波暗室的構(gòu)建可以有很多種，被測(cè)天線的輻射特性也是千差萬(wàn)別的。因此，在各種情況下，想只用反射電平一個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估測(cè)量精度也許是不可能的。由于問(wèn)題的復(fù)雜性，建議通過(guò)多種不同的方法來(lái)獲取反射電平。前人的工作包括：Hiatt等人[1]給出了有關(guān)吸波暗室前十年最重要的評(píng)估方法綜述，自從他們給出數(shù)據(jù)和曲線用于設(shè)計(jì)及分析吸波暗室性能以來(lái)，有3種方法認(rèn)為比較滿意。此后的進(jìn)展表明，這3種方法中有2種為公眾所認(rèn)可，分別是天線方向圖比較法（APC法）和自由空間電壓駐波比法（VSWR法）。常有人認(rèn)為這2種方法本質(zhì)上是一樣的，但目前還缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[1-2]。Rethmeyer和Price[3]建議采用上述2種方法的組合。但Kummer和Villeneuve[4]對(duì)2種方法作了對(duì)照，發(fā)現(xiàn)得到了不一致的結(jié)果。Hiatt等人[1]使用APC法并采用吸波材料鋪設(shè)吸波暗室的模型評(píng)估了反射電平，他們發(fā)現(xiàn)所得的反射電平和吸波率之間的關(guān)聯(lián)性較小。為了充分照射所有的吸波暗室墻面，Clarke和Breithaupt[5]在他們的吸波暗室VSWR法評(píng)估中采用了檢波裝置和帶有波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換法蘭盤的天線。事實(shí)上，由于反射電平所得結(jié)果很依賴于天線增益，Hollman[6]建議釆用具有全向方向圖的探針天線來(lái)完成不同的吸波暗室之間的性能比較。endprint

本文有三個(gè)目的：第一個(gè)目的是給出APC法和VSWR法的對(duì)照。在給出對(duì)照之前，首先討論求解反射電平的基本問(wèn)題;然后詳細(xì)描述這2種方法，給出前述的不一致性和不相關(guān)性的可能理由。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，如果使用恰當(dāng)，這2種方法提供的結(jié)果本質(zhì)上沒(méi)有差別。本文作者報(bào)告了這種早期比較的某些工作[7]，但這只能算是實(shí)驗(yàn)室的報(bào)告，因?yàn)樗÷粤藨?yīng)用這種方法的某些問(wèn)題。第二個(gè)目的是表明這種方法可用于評(píng)估無(wú)線電吸波暗室的改進(jìn)。第三個(gè)目的是描述反射電平評(píng)估的技術(shù)狀態(tài)。

還應(yīng)該指出，在得到反射電平有價(jià)值的詳細(xì)信息之前，作者已做了有關(guān)反射電平與測(cè)試參數(shù)關(guān)系的很多有意義的工作。但愿讀者們能廣泛地吸取這些背景知識(shí)，并應(yīng)用于制定吸波暗室的規(guī)范，從而評(píng)估其測(cè)量誤差的精度。另外，對(duì)于要評(píng)估暗室測(cè)試場(chǎng)地的人們來(lái)說(shuō)，可根據(jù)他們的要求，處理好他們的測(cè)試程序。本文還將通過(guò)一些例子來(lái)闡明反射電平測(cè)量值與哪些參數(shù)相關(guān)，這是十分有益的一件事。

2 ? 基本考慮

從基本考慮出發(fā)，先觀察如圖1所示的通用測(cè)試裝置。在吸波暗室的一端墻面附近放置發(fā)射天線，天線方向圖的主瓣指向吸波暗室的軸線方向。接收天線放置在此軸線上，與發(fā)射天線保持適當(dāng)距離。通常接收天線可以按不同的方式做出旋轉(zhuǎn)，以記錄輻射方向圖。另外，為了實(shí)現(xiàn)本文所述的實(shí)驗(yàn)，接收天線的支撐體必須是可以移動(dòng)的。

圖1 ? ?記錄方向圖的通用設(shè)備

當(dāng)發(fā)射天線輻射時(shí)，空間各點(diǎn)存在的信號(hào)由來(lái)自發(fā)射天線的直射信號(hào)Ed和來(lái)自吸波暗室表面的反射信號(hào)Er所組成。在通常的情況下，直射信號(hào)的大小取決于與發(fā)射天線分開的距離，而反射信號(hào)的大小隨采樣點(diǎn)的位置而改變，所以情況比較復(fù)雜。這種復(fù)雜的變化是由于墻上的每一點(diǎn)和吸波暗室中的其它物體都會(huì)反射信號(hào)。另外，入射信號(hào)的組成包括來(lái)自發(fā)射天線的信號(hào)以及來(lái)自吸波暗室墻面各點(diǎn)的反射信號(hào)，甚至來(lái)自接收天線的反射信號(hào)。

在吸波暗室的測(cè)量中，反射信號(hào)會(huì)引起測(cè)量誤差。在吸波暗室中尋找Er和Ed所構(gòu)成的總干涉圖形屬于復(fù)雜的繞射問(wèn)題，做理論上的誤差評(píng)估時(shí)應(yīng)避免這一點(diǎn)。為了用實(shí)驗(yàn)來(lái)確定誤差，需要耗費(fèi)很多的時(shí)間，這是因?yàn)榉瓷鋱?chǎng)的測(cè)量需要有足夠多的點(diǎn)，然后才有可能在這些指定區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)上導(dǎo)出Ed和Er的相消或相加的干涉圖形。這個(gè)區(qū)域是實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工作區(qū)間，也即吸波暗室的所謂靜區(qū)。靜區(qū)就是吸波暗室內(nèi)電場(chǎng)均勻性滿足規(guī)范要求的空間區(qū)域，其尺寸范圍由靜區(qū)中心和邊緣的電場(chǎng)Ed的幅度及相位差別的量級(jí)來(lái)決定，其“靜度”取決于吸波暗室墻壁的反射電平量級(jí)。

可以用反射功率密度與直射功率密度之比來(lái)作為靜區(qū)某一點(diǎn)反射能量的量度。由于上述反射信號(hào)的復(fù)雜變化，造成了這個(gè)比值各點(diǎn)的變化。要得到比值變化的完整圖形，需要耗費(fèi)很多的測(cè)試時(shí)間。另外，由于吸波暗室中的反射場(chǎng)是來(lái)自吸波暗室各點(diǎn)的反射場(chǎng)的矢量和，所以不可能用記錄天線方向圖的通用測(cè)試設(shè)備來(lái)確定反射場(chǎng)的大小。如圖2所示，為了簡(jiǎn)化，假設(shè)只有一個(gè)幅度為Er的反射信號(hào)以及一個(gè)幅度為Ed的直射信號(hào)，令反射信號(hào)的傳播方向沿接收天線軸線并與發(fā)射天線構(gòu)成夾角ν。接下來(lái)的章節(jié)將會(huì)清晰地顯示，Er和Ed的比值可通過(guò)移動(dòng)接收天線所記錄的相消或相加的干涉圖形來(lái)確定。但是由于反射場(chǎng)不止一個(gè)，所以它并不能表示所確定的反射場(chǎng)的大小，因?yàn)閳D2中很明顯存在Er不沿接收天線軸線傳播的情況。實(shí)際確定的Er是個(gè)等效信號(hào)，它是沿接收天線軸線傳播時(shí)引起的變化的觀測(cè)值，通常稱為反射信號(hào)。

圖2 ? ?評(píng)估吸波暗室的實(shí)驗(yàn)安排

求解等效信號(hào)的重要性需要繼續(xù)討論。如前所示，等效信號(hào)并非反射總場(chǎng)的大小。而當(dāng)取得圖形時(shí)，它顯示了出現(xiàn)誤差的大小。從下一節(jié)來(lái)看，等效信號(hào)顯然是由觀察記錄圖形的極限來(lái)獲取的。

應(yīng)該注意，當(dāng)記錄不同位置的接收天線方向圖時(shí)，對(duì)于發(fā)射和接收天線的不同距離，方向圖的變化存在三方面的影響：第一個(gè)影響是前述的反射信號(hào)與直射信號(hào)之間的相消或相加干涉;第二個(gè)影響是直射信號(hào)或反射信號(hào)本身幅度的變化;第三個(gè)影響是記錄的方向圖的變化，其影響來(lái)自于以平面波照射的接收天線的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，該遠(yuǎn)場(chǎng)條件有可能只在一定的程度上得到滿足，它取決于測(cè)試場(chǎng)的長(zhǎng)度。下一節(jié)將會(huì)看到，第一個(gè)和第二個(gè)影響將會(huì)根據(jù)實(shí)際工程以不同的方式加以考慮。而根據(jù)作者的知識(shí)，在評(píng)估測(cè)試場(chǎng)時(shí)第三個(gè)影響總是加以忽略。要做到這一點(diǎn)，測(cè)試天線之間的距離應(yīng)該足夠大。遠(yuǎn)場(chǎng)條件的最小距離由天線尺寸和工作頻率來(lái)確定。但是，在某些情況下，第三個(gè)影響可能會(huì)導(dǎo)致反射電平的變化，此時(shí)該因素不能被忽視。這是由于只有滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，才能保證天線方向圖記錄達(dá)到一定的精度。

如第1節(jié)所述，只用一種特性來(lái)描述吸波暗室的性能存在困難，所以產(chǎn)生了幾種測(cè)試方法。采用一些測(cè)試參數(shù)來(lái)描述測(cè)試過(guò)程和實(shí)驗(yàn)方案，可得到相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，各種方法莫不如此。在討論反射電平與測(cè)試參數(shù)的關(guān)系之前，以及在為測(cè)試過(guò)程提出方案之前，先考慮2種常用的方法，即APC法和VSWR法。

為了說(shuō)明這2種方法的差別，參考圖3和圖4所示。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，建議忽略Ed隨距離的變化，并假定發(fā)射天線為全向性點(diǎn)源。還設(shè)定平面波反射源只有一個(gè)，且對(duì)主瓣方向圖的影響可以忽略，即影響小于0.1dB。由圖3可以看出，如果在位置A和B疊加記錄的方向圖，則在方位角v所檢測(cè)到的反射能量就會(huì)改變。另一方面，由圖4可以看出，在接收天線連續(xù)移動(dòng)時(shí)，如果試圖保持檢測(cè)的反射電平不變，則在方向圖掃描時(shí)檢測(cè)到的入射信號(hào)電平就會(huì)改變。

通過(guò)上述2種情況來(lái)嘗試評(píng)估反射對(duì)方向圖電平的影響。事實(shí)上，這2種方法就是APC法（圖3）和VSWR法（圖4）。在進(jìn)行方法的對(duì)照之前，接下來(lái)就給予這2種方法的詳細(xì)描述，并考察相關(guān)結(jié)果。

3 ? 天線方向圖比較法

3.1 ?理論

采取通用的測(cè)量裝置，在橫貫靜區(qū)的釆樣線上從一些離散的點(diǎn)記錄接收天線的方向圖，由此得到小量波動(dòng)的變化曲線。根據(jù)這些波動(dòng)變化的量級(jí)，可以確定出方向圖的測(cè)試誤差。endprint

再考慮圖2的情況，只取一個(gè)反射信號(hào)，假設(shè)方向圖電平（單位為dB）在角度v上為a，令直射信號(hào)Ed、反射信號(hào)Er分別同相和反向，令檢測(cè)到的場(chǎng)為b、c，則有：

（1）

（2）

（3）

其中，R為反射電平，即反射信號(hào)與直射信號(hào)之比（單位為dB）。為了得到b和c，將所有實(shí)測(cè)方向圖疊加到一起，使它們的主瓣峰值電平彼此重合，參見(jiàn)圖5。采用這種方式就可以得到極限值b和c，然后根據(jù)文獻(xiàn)[7]和[8]中的曲線或表格，即可計(jì)算出R值。根據(jù)前述設(shè)定可以理解，R不是被測(cè)空間內(nèi)的反射總能量與入射總能量之比，但它與這個(gè)比值有某種復(fù)雜的相關(guān)性。進(jìn)一步，由于R是方向圖隨接收天線位置變化的度量，因此可用于表征吸波暗室的性能。

圖5 ? ?天線方向圖比較法的測(cè)試圖形示范

根據(jù)上述討論，所得到的R值很明顯地與推導(dǎo)時(shí)所處的方向圖電平位置有關(guān)。在APC法中，R值往往以不同的方式取平均，這與操作的工程師有關(guān)。由于R值表征了吸波暗室中方向圖的測(cè)量精度，所以R的最大值就意味著最大的測(cè)試誤差，暗室所宣稱的測(cè)量精度水平也就由此給出。

除了R有不同的方式求取平均之外，方向圖的疊加方式也有不同。這主要是由于在測(cè)量期間，可以釆用以下的一種或兩種調(diào)整方式：

（1）通常的測(cè)試安排為圖紙上的0度相應(yīng)于接收天線指向平行于吸波暗室軸線。也可能按某種方式來(lái)調(diào)整方向圖記錄，使圖紙上的0度相應(yīng)于接收天線指向發(fā)射天線。在文獻(xiàn)[3]中描述了當(dāng)接收天線移動(dòng)和偏離吸波暗室軸線并作調(diào)整的情況。在反射的量級(jí)很大時(shí)，主瓣的方向會(huì)發(fā)生改變，于是需要做出調(diào)整以避免記錄的方向圖出現(xiàn)不正確的疊加。

（2）在測(cè)量期間，通過(guò)改變接收機(jī)的增益，不同方向圖的主瓣在圖紙上調(diào)整到了相同電平。調(diào)整的目的是認(rèn)為天線方向圖掃描和天線間距離的變化并不改變直射信號(hào)。應(yīng)該注意，在反射很大并足以影響到主瓣的情況時(shí)，這樣的調(diào)整不能達(dá)到目的。通過(guò)在吸波暗室軸線連續(xù)移動(dòng)接收天線來(lái)檢測(cè)主瓣電平，可以觀察到大反射的情況。如果觀察到的波動(dòng)明顯達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)分貝，就屬于大反射。在這種情況下，VSWR法作為一種更好的方法被推薦為用于檢測(cè)反射電平。

進(jìn)行上述調(diào)整的意義在文獻(xiàn)中還沒(méi)有見(jiàn)到研究。很明顯，調(diào)整對(duì)最終結(jié)果的影響程度取決于實(shí)驗(yàn)裝置以及反射電平的幅度。接下來(lái)將描述常用的測(cè)量過(guò)程。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用APC法評(píng)估了尺寸為2×4×4m3的吸波暗室，在10GHz頻率，使用了典型的16dBi標(biāo)準(zhǔn)增益天線，在發(fā)射采用垂直極化時(shí)測(cè)試方位方向圖。通過(guò)在吸波暗室軸線移動(dòng)被測(cè)天線來(lái)測(cè)量主瓣電平，觀察到由于反射引起的振蕩小于0.2dB。接收機(jī)增益做了調(diào)整，使不同方向圖的主瓣電平在圖紙上有相同的電平。在分析中，讓主瓣彼此覆蓋來(lái)疊加顯示所記錄的方向圖，記錄方向圖的測(cè)試點(diǎn)位取自垂直于接收天線和發(fā)射天線連線的水平線。測(cè)試點(diǎn)位的間隔取半個(gè)波長(zhǎng)，共記錄了17個(gè)離散點(diǎn)位的方向圖。其中，暗室軸線上有1個(gè)方向圖，軸線左右兩邊各有8個(gè)方向圖，這意味著檢測(cè)區(qū)域的直徑擴(kuò)展到24cm。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，發(fā)射天線基本上建立起了平面波照射。事實(shí)上，當(dāng)收發(fā)天線之間的距離為240cm時(shí)，入射場(chǎng)的相位變化約為λ/10。本次APC法的幾條掃描線取自距離發(fā)射天線2～3m的范圍內(nèi)，由記錄在掃描線上的17個(gè)方向圖從-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的方向圖電平位置求解R值，這些方向圖電平相對(duì)應(yīng)的角度約為50°、60°、70°、75°。對(duì)于16dBi的定向天線，取水平面的H切面方向圖來(lái)求解R值，并選取其最大值來(lái)表征-90°<Ф<90°范圍內(nèi)的最大反射，部分結(jié)果顯示在第5節(jié)中。

4 ? 自由空間VSWR法

4.1 ?理論

在做VSWR測(cè)試時(shí)，發(fā)射和接收天線的安排與APC法相同。對(duì)于給定的方向角Ф，接收天線在掃描線上連續(xù)移動(dòng)。通過(guò)耦合接收天線的線性運(yùn)動(dòng)到記錄儀，來(lái)記錄通常類似于駐波比曲線測(cè)試的干涉方向圖。如圖6所示，該曲線顯示了直射信號(hào)與反射信號(hào)之間的干涉，它來(lái)源于反射的振蕩并疊加到直射信號(hào)之上的合成效果。有2種變化類型被觀察到，振蕩的幅度隨反射場(chǎng)位置的復(fù)雜變化而變化。由于2個(gè)天線掃描的變化、天線之間距離的變化以及遠(yuǎn)場(chǎng)條件的變化，干涉圖形的平均電平也隨之發(fā)生變化。在圖6的情況下，直射信號(hào)的變化主要源于天線方向圖的掃描，參考圖4可以較容易理解這一點(diǎn)，在圖中人為地設(shè)置了檢測(cè)到的反射信號(hào)并使其能量保持恒定。

圖6 ? ?記錄的駐波曲線示例（頻率10GHz、方向角Ф=70°）

駐波曲線的分析基于以下探討，作一個(gè)方向圖，相應(yīng)于角度Ф的方向圖電平為a，它的誤差由記錄的最大VSWR來(lái)確定，參見(jiàn)圖6。和APC法一樣，反射電平R由b和c來(lái)確定。為求b和c，畫出如圖6所示的包絡(luò)線，大致分為兩條，一條連接最大值，另一條連接最小值，選取極限的b和c值以便獲取R的最大值電平。由圖6可以看出，R的最大值出現(xiàn)在a=-36.3dB的方向圖電平上。圖7表明，有可能從圖上找出反射電平低于方向圖電平的dB值。由于a=-36.3dB，得到R為-45.7dB。很明顯，對(duì)于同樣的b-c值，R值隨方向圖電平而增加。

假設(shè)檢測(cè)到的反射信號(hào)小于直射信號(hào)。從圖4可以看出，不會(huì)總是這種情況。很明顯，由于方向圖的零點(diǎn)在某些位置和某些方向角上，直射信號(hào)可能小于反射信號(hào)。為了描述在這樣的情況下干涉方向圖的分析方法，可參考圖8的示例：

圖8 ? ?干涉方向圖示例（3GHz、a

圖8中，振蕩的幅度隨直射信號(hào)的變化而變化，而干涉方向圖的平均電平隨反射場(chǎng)的復(fù)雜變化而變化。通過(guò)在干涉方向圖的最大電平處來(lái)分析，R的最大值可由干涉方向圖的平均電平來(lái)確定。在實(shí)現(xiàn)這樣的分析之前，有必要鑒別干涉方向圖的直射信號(hào)是否小于反射信號(hào)。當(dāng)然，如果天線方向圖是事先已知的，這樣的鑒別不難。如果情況不是這樣，也許可考慮放棄該方向角的信息。但是，作為例子，可通過(guò)釆用以下方法來(lái)解決這樣的模糊問(wèn)題：

（1）干涉方向圖考慮在不同的電平上進(jìn)行3次分析，如圖8所示。每次分析可獲取2個(gè)數(shù)。由于檢測(cè)到的直射信號(hào)通常呈比較規(guī)則地緩慢變化，所以通常可以從得到的6個(gè)數(shù)中指定3個(gè)作為檢測(cè)到的直射信號(hào)電平[9]。

（2）將所得到的檢測(cè)方向圖電平以及反射電平的原始數(shù)據(jù)，與靠近所考慮的方向角所得到的同類數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，依據(jù)R和方向圖電平變化的連續(xù)性原理可以解決這個(gè)問(wèn)題。

（3）可以利用反射電平或者方向圖電平的對(duì)稱性。

（4）通過(guò)引入金屬板或移動(dòng)吸波材料使反射電平改變，而方向圖電平則被認(rèn)為是不變的參數(shù)。

應(yīng)該指出，上述的方法可用于識(shí)別方向圖電平低于反射電平的情況[9]。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

VSWR法的實(shí)驗(yàn)裝置與APC法相同。接收天線沿垂直于接收天線與發(fā)射天線連線的水平線移動(dòng)，掃描長(zhǎng)度為24cm。由于方向圖分別為-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的電平對(duì)應(yīng)的指向角約為50°、60°、70°、75°，于是在這些角度上做駐波記錄。這樣做是為了便于將VSWR法所得結(jié)果與前述APC法的情況進(jìn)行對(duì)照。相應(yīng)的結(jié)果在第5節(jié)中予以描述。

（后文詳見(jiàn)第24期）endprint

再考慮圖2的情況，只取一個(gè)反射信號(hào)，假設(shè)方向圖電平（單位為dB）在角度v上為a，令直射信號(hào)Ed、反射信號(hào)Er分別同相和反向，令檢測(cè)到的場(chǎng)為b、c，則有：

（1）

（2）

（3）

其中，R為反射電平，即反射信號(hào)與直射信號(hào)之比（單位為dB）。為了得到b和c，將所有實(shí)測(cè)方向圖疊加到一起，使它們的主瓣峰值電平彼此重合，參見(jiàn)圖5。采用這種方式就可以得到極限值b和c，然后根據(jù)文獻(xiàn)[7]和[8]中的曲線或表格，即可計(jì)算出R值。根據(jù)前述設(shè)定可以理解，R不是被測(cè)空間內(nèi)的反射總能量與入射總能量之比，但它與這個(gè)比值有某種復(fù)雜的相關(guān)性。進(jìn)一步，由于R是方向圖隨接收天線位置變化的度量，因此可用于表征吸波暗室的性能。

圖5 ? ?天線方向圖比較法的測(cè)試圖形示范

根據(jù)上述討論，所得到的R值很明顯地與推導(dǎo)時(shí)所處的方向圖電平位置有關(guān)。在APC法中，R值往往以不同的方式取平均，這與操作的工程師有關(guān)。由于R值表征了吸波暗室中方向圖的測(cè)量精度，所以R的最大值就意味著最大的測(cè)試誤差，暗室所宣稱的測(cè)量精度水平也就由此給出。

除了R有不同的方式求取平均之外，方向圖的疊加方式也有不同。這主要是由于在測(cè)量期間，可以釆用以下的一種或兩種調(diào)整方式：

（1）通常的測(cè)試安排為圖紙上的0度相應(yīng)于接收天線指向平行于吸波暗室軸線。也可能按某種方式來(lái)調(diào)整方向圖記錄，使圖紙上的0度相應(yīng)于接收天線指向發(fā)射天線。在文獻(xiàn)[3]中描述了當(dāng)接收天線移動(dòng)和偏離吸波暗室軸線并作調(diào)整的情況。在反射的量級(jí)很大時(shí)，主瓣的方向會(huì)發(fā)生改變，于是需要做出調(diào)整以避免記錄的方向圖出現(xiàn)不正確的疊加。

（2）在測(cè)量期間，通過(guò)改變接收機(jī)的增益，不同方向圖的主瓣在圖紙上調(diào)整到了相同電平。調(diào)整的目的是認(rèn)為天線方向圖掃描和天線間距離的變化并不改變直射信號(hào)。應(yīng)該注意，在反射很大并足以影響到主瓣的情況時(shí)，這樣的調(diào)整不能達(dá)到目的。通過(guò)在吸波暗室軸線連續(xù)移動(dòng)接收天線來(lái)檢測(cè)主瓣電平，可以觀察到大反射的情況。如果觀察到的波動(dòng)明顯達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)分貝，就屬于大反射。在這種情況下，VSWR法作為一種更好的方法被推薦為用于檢測(cè)反射電平。

進(jìn)行上述調(diào)整的意義在文獻(xiàn)中還沒(méi)有見(jiàn)到研究。很明顯，調(diào)整對(duì)最終結(jié)果的影響程度取決于實(shí)驗(yàn)裝置以及反射電平的幅度。接下來(lái)將描述常用的測(cè)量過(guò)程。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用APC法評(píng)估了尺寸為2×4×4m3的吸波暗室，在10GHz頻率，使用了典型的16dBi標(biāo)準(zhǔn)增益天線，在發(fā)射采用垂直極化時(shí)測(cè)試方位方向圖。通過(guò)在吸波暗室軸線移動(dòng)被測(cè)天線來(lái)測(cè)量主瓣電平，觀察到由于反射引起的振蕩小于0.2dB。接收機(jī)增益做了調(diào)整，使不同方向圖的主瓣電平在圖紙上有相同的電平。在分析中，讓主瓣彼此覆蓋來(lái)疊加顯示所記錄的方向圖，記錄方向圖的測(cè)試點(diǎn)位取自垂直于接收天線和發(fā)射天線連線的水平線。測(cè)試點(diǎn)位的間隔取半個(gè)波長(zhǎng)，共記錄了17個(gè)離散點(diǎn)位的方向圖。其中，暗室軸線上有1個(gè)方向圖，軸線左右兩邊各有8個(gè)方向圖，這意味著檢測(cè)區(qū)域的直徑擴(kuò)展到24cm。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，發(fā)射天線基本上建立起了平面波照射。事實(shí)上，當(dāng)收發(fā)天線之間的距離為240cm時(shí)，入射場(chǎng)的相位變化約為λ/10。本次APC法的幾條掃描線取自距離發(fā)射天線2～3m的范圍內(nèi)，由記錄在掃描線上的17個(gè)方向圖從-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的方向圖電平位置求解R值，這些方向圖電平相對(duì)應(yīng)的角度約為50°、60°、70°、75°。對(duì)于16dBi的定向天線，取水平面的H切面方向圖來(lái)求解R值，并選取其最大值來(lái)表征-90°<Ф<90°范圍內(nèi)的最大反射，部分結(jié)果顯示在第5節(jié)中。

4 ? 自由空間VSWR法

4.1 ?理論

在做VSWR測(cè)試時(shí)，發(fā)射和接收天線的安排與APC法相同。對(duì)于給定的方向角Ф，接收天線在掃描線上連續(xù)移動(dòng)。通過(guò)耦合接收天線的線性運(yùn)動(dòng)到記錄儀，來(lái)記錄通常類似于駐波比曲線測(cè)試的干涉方向圖。如圖6所示，該曲線顯示了直射信號(hào)與反射信號(hào)之間的干涉，它來(lái)源于反射的振蕩并疊加到直射信號(hào)之上的合成效果。有2種變化類型被觀察到，振蕩的幅度隨反射場(chǎng)位置的復(fù)雜變化而變化。由于2個(gè)天線掃描的變化、天線之間距離的變化以及遠(yuǎn)場(chǎng)條件的變化，干涉圖形的平均電平也隨之發(fā)生變化。在圖6的情況下，直射信號(hào)的變化主要源于天線方向圖的掃描，參考圖4可以較容易理解這一點(diǎn)，在圖中人為地設(shè)置了檢測(cè)到的反射信號(hào)并使其能量保持恒定。

圖6 ? ?記錄的駐波曲線示例（頻率10GHz、方向角Ф=70°）

駐波曲線的分析基于以下探討，作一個(gè)方向圖，相應(yīng)于角度Ф的方向圖電平為a，它的誤差由記錄的最大VSWR來(lái)確定，參見(jiàn)圖6。和APC法一樣，反射電平R由b和c來(lái)確定。為求b和c，畫出如圖6所示的包絡(luò)線，大致分為兩條，一條連接最大值，另一條連接最小值，選取極限的b和c值以便獲取R的最大值電平。由圖6可以看出，R的最大值出現(xiàn)在a=-36.3dB的方向圖電平上。圖7表明，有可能從圖上找出反射電平低于方向圖電平的dB值。由于a=-36.3dB，得到R為-45.7dB。很明顯，對(duì)于同樣的b-c值，R值隨方向圖電平而增加。

假設(shè)檢測(cè)到的反射信號(hào)小于直射信號(hào)。從圖4可以看出，不會(huì)總是這種情況。很明顯，由于方向圖的零點(diǎn)在某些位置和某些方向角上，直射信號(hào)可能小于反射信號(hào)。為了描述在這樣的情況下干涉方向圖的分析方法，可參考圖8的示例：

圖8 ? ?干涉方向圖示例（3GHz、a

圖8中，振蕩的幅度隨直射信號(hào)的變化而變化，而干涉方向圖的平均電平隨反射場(chǎng)的復(fù)雜變化而變化。通過(guò)在干涉方向圖的最大電平處來(lái)分析，R的最大值可由干涉方向圖的平均電平來(lái)確定。在實(shí)現(xiàn)這樣的分析之前，有必要鑒別干涉方向圖的直射信號(hào)是否小于反射信號(hào)。當(dāng)然，如果天線方向圖是事先已知的，這樣的鑒別不難。如果情況不是這樣，也許可考慮放棄該方向角的信息。但是，作為例子，可通過(guò)釆用以下方法來(lái)解決這樣的模糊問(wèn)題：

（1）干涉方向圖考慮在不同的電平上進(jìn)行3次分析，如圖8所示。每次分析可獲取2個(gè)數(shù)。由于檢測(cè)到的直射信號(hào)通常呈比較規(guī)則地緩慢變化，所以通?？梢詮牡玫降?個(gè)數(shù)中指定3個(gè)作為檢測(cè)到的直射信號(hào)電平[9]。

（2）將所得到的檢測(cè)方向圖電平以及反射電平的原始數(shù)據(jù)，與靠近所考慮的方向角所得到的同類數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，依據(jù)R和方向圖電平變化的連續(xù)性原理可以解決這個(gè)問(wèn)題。

（3）可以利用反射電平或者方向圖電平的對(duì)稱性。

（4）通過(guò)引入金屬板或移動(dòng)吸波材料使反射電平改變，而方向圖電平則被認(rèn)為是不變的參數(shù)。

應(yīng)該指出，上述的方法可用于識(shí)別方向圖電平低于反射電平的情況[9]。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

VSWR法的實(shí)驗(yàn)裝置與APC法相同。接收天線沿垂直于接收天線與發(fā)射天線連線的水平線移動(dòng)，掃描長(zhǎng)度為24cm。由于方向圖分別為-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的電平對(duì)應(yīng)的指向角約為50°、60°、70°、75°，于是在這些角度上做駐波記錄。這樣做是為了便于將VSWR法所得結(jié)果與前述APC法的情況進(jìn)行對(duì)照。相應(yīng)的結(jié)果在第5節(jié)中予以描述。

（后文詳見(jiàn)第24期）endprint

再考慮圖2的情況，只取一個(gè)反射信號(hào)，假設(shè)方向圖電平（單位為dB）在角度v上為a，令直射信號(hào)Ed、反射信號(hào)Er分別同相和反向，令檢測(cè)到的場(chǎng)為b、c，則有：

（1）

（2）

（3）

其中，R為反射電平，即反射信號(hào)與直射信號(hào)之比（單位為dB）。為了得到b和c，將所有實(shí)測(cè)方向圖疊加到一起，使它們的主瓣峰值電平彼此重合，參見(jiàn)圖5。采用這種方式就可以得到極限值b和c，然后根據(jù)文獻(xiàn)[7]和[8]中的曲線或表格，即可計(jì)算出R值。根據(jù)前述設(shè)定可以理解，R不是被測(cè)空間內(nèi)的反射總能量與入射總能量之比，但它與這個(gè)比值有某種復(fù)雜的相關(guān)性。進(jìn)一步，由于R是方向圖隨接收天線位置變化的度量，因此可用于表征吸波暗室的性能。

圖5 ? ?天線方向圖比較法的測(cè)試圖形示范

根據(jù)上述討論，所得到的R值很明顯地與推導(dǎo)時(shí)所處的方向圖電平位置有關(guān)。在APC法中，R值往往以不同的方式取平均，這與操作的工程師有關(guān)。由于R值表征了吸波暗室中方向圖的測(cè)量精度，所以R的最大值就意味著最大的測(cè)試誤差，暗室所宣稱的測(cè)量精度水平也就由此給出。

除了R有不同的方式求取平均之外，方向圖的疊加方式也有不同。這主要是由于在測(cè)量期間，可以釆用以下的一種或兩種調(diào)整方式：

（1）通常的測(cè)試安排為圖紙上的0度相應(yīng)于接收天線指向平行于吸波暗室軸線。也可能按某種方式來(lái)調(diào)整方向圖記錄，使圖紙上的0度相應(yīng)于接收天線指向發(fā)射天線。在文獻(xiàn)[3]中描述了當(dāng)接收天線移動(dòng)和偏離吸波暗室軸線并作調(diào)整的情況。在反射的量級(jí)很大時(shí)，主瓣的方向會(huì)發(fā)生改變，于是需要做出調(diào)整以避免記錄的方向圖出現(xiàn)不正確的疊加。

（2）在測(cè)量期間，通過(guò)改變接收機(jī)的增益，不同方向圖的主瓣在圖紙上調(diào)整到了相同電平。調(diào)整的目的是認(rèn)為天線方向圖掃描和天線間距離的變化并不改變直射信號(hào)。應(yīng)該注意，在反射很大并足以影響到主瓣的情況時(shí)，這樣的調(diào)整不能達(dá)到目的。通過(guò)在吸波暗室軸線連續(xù)移動(dòng)接收天線來(lái)檢測(cè)主瓣電平，可以觀察到大反射的情況。如果觀察到的波動(dòng)明顯達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)分貝，就屬于大反射。在這種情況下，VSWR法作為一種更好的方法被推薦為用于檢測(cè)反射電平。

進(jìn)行上述調(diào)整的意義在文獻(xiàn)中還沒(méi)有見(jiàn)到研究。很明顯，調(diào)整對(duì)最終結(jié)果的影響程度取決于實(shí)驗(yàn)裝置以及反射電平的幅度。接下來(lái)將描述常用的測(cè)量過(guò)程。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用APC法評(píng)估了尺寸為2×4×4m3的吸波暗室，在10GHz頻率，使用了典型的16dBi標(biāo)準(zhǔn)增益天線，在發(fā)射采用垂直極化時(shí)測(cè)試方位方向圖。通過(guò)在吸波暗室軸線移動(dòng)被測(cè)天線來(lái)測(cè)量主瓣電平，觀察到由于反射引起的振蕩小于0.2dB。接收機(jī)增益做了調(diào)整，使不同方向圖的主瓣電平在圖紙上有相同的電平。在分析中，讓主瓣彼此覆蓋來(lái)疊加顯示所記錄的方向圖，記錄方向圖的測(cè)試點(diǎn)位取自垂直于接收天線和發(fā)射天線連線的水平線。測(cè)試點(diǎn)位的間隔取半個(gè)波長(zhǎng)，共記錄了17個(gè)離散點(diǎn)位的方向圖。其中，暗室軸線上有1個(gè)方向圖，軸線左右兩邊各有8個(gè)方向圖，這意味著檢測(cè)區(qū)域的直徑擴(kuò)展到24cm。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，發(fā)射天線基本上建立起了平面波照射。事實(shí)上，當(dāng)收發(fā)天線之間的距離為240cm時(shí)，入射場(chǎng)的相位變化約為λ/10。本次APC法的幾條掃描線取自距離發(fā)射天線2～3m的范圍內(nèi)，由記錄在掃描線上的17個(gè)方向圖從-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的方向圖電平位置求解R值，這些方向圖電平相對(duì)應(yīng)的角度約為50°、60°、70°、75°。對(duì)于16dBi的定向天線，取水平面的H切面方向圖來(lái)求解R值，并選取其最大值來(lái)表征-90°<Ф<90°范圍內(nèi)的最大反射，部分結(jié)果顯示在第5節(jié)中。

4 ? 自由空間VSWR法

4.1 ?理論

在做VSWR測(cè)試時(shí)，發(fā)射和接收天線的安排與APC法相同。對(duì)于給定的方向角Ф，接收天線在掃描線上連續(xù)移動(dòng)。通過(guò)耦合接收天線的線性運(yùn)動(dòng)到記錄儀，來(lái)記錄通常類似于駐波比曲線測(cè)試的干涉方向圖。如圖6所示，該曲線顯示了直射信號(hào)與反射信號(hào)之間的干涉，它來(lái)源于反射的振蕩并疊加到直射信號(hào)之上的合成效果。有2種變化類型被觀察到，振蕩的幅度隨反射場(chǎng)位置的復(fù)雜變化而變化。由于2個(gè)天線掃描的變化、天線之間距離的變化以及遠(yuǎn)場(chǎng)條件的變化，干涉圖形的平均電平也隨之發(fā)生變化。在圖6的情況下，直射信號(hào)的變化主要源于天線方向圖的掃描，參考圖4可以較容易理解這一點(diǎn)，在圖中人為地設(shè)置了檢測(cè)到的反射信號(hào)并使其能量保持恒定。

圖6 ? ?記錄的駐波曲線示例（頻率10GHz、方向角Ф=70°）

駐波曲線的分析基于以下探討，作一個(gè)方向圖，相應(yīng)于角度Ф的方向圖電平為a，它的誤差由記錄的最大VSWR來(lái)確定，參見(jiàn)圖6。和APC法一樣，反射電平R由b和c來(lái)確定。為求b和c，畫出如圖6所示的包絡(luò)線，大致分為兩條，一條連接最大值，另一條連接最小值，選取極限的b和c值以便獲取R的最大值電平。由圖6可以看出，R的最大值出現(xiàn)在a=-36.3dB的方向圖電平上。圖7表明，有可能從圖上找出反射電平低于方向圖電平的dB值。由于a=-36.3dB，得到R為-45.7dB。很明顯，對(duì)于同樣的b-c值，R值隨方向圖電平而增加。

假設(shè)檢測(cè)到的反射信號(hào)小于直射信號(hào)。從圖4可以看出，不會(huì)總是這種情況。很明顯，由于方向圖的零點(diǎn)在某些位置和某些方向角上，直射信號(hào)可能小于反射信號(hào)。為了描述在這樣的情況下干涉方向圖的分析方法，可參考圖8的示例：

圖8 ? ?干涉方向圖示例（3GHz、a

圖8中，振蕩的幅度隨直射信號(hào)的變化而變化，而干涉方向圖的平均電平隨反射場(chǎng)的復(fù)雜變化而變化。通過(guò)在干涉方向圖的最大電平處來(lái)分析，R的最大值可由干涉方向圖的平均電平來(lái)確定。在實(shí)現(xiàn)這樣的分析之前，有必要鑒別干涉方向圖的直射信號(hào)是否小于反射信號(hào)。當(dāng)然，如果天線方向圖是事先已知的，這樣的鑒別不難。如果情況不是這樣，也許可考慮放棄該方向角的信息。但是，作為例子，可通過(guò)釆用以下方法來(lái)解決這樣的模糊問(wèn)題：

（1）干涉方向圖考慮在不同的電平上進(jìn)行3次分析，如圖8所示。每次分析可獲取2個(gè)數(shù)。由于檢測(cè)到的直射信號(hào)通常呈比較規(guī)則地緩慢變化，所以通常可以從得到的6個(gè)數(shù)中指定3個(gè)作為檢測(cè)到的直射信號(hào)電平[9]。

（2）將所得到的檢測(cè)方向圖電平以及反射電平的原始數(shù)據(jù)，與靠近所考慮的方向角所得到的同類數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，依據(jù)R和方向圖電平變化的連續(xù)性原理可以解決這個(gè)問(wèn)題。

（3）可以利用反射電平或者方向圖電平的對(duì)稱性。

（4）通過(guò)引入金屬板或移動(dòng)吸波材料使反射電平改變，而方向圖電平則被認(rèn)為是不變的參數(shù)。

應(yīng)該指出，上述的方法可用于識(shí)別方向圖電平低于反射電平的情況[9]。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

VSWR法的實(shí)驗(yàn)裝置與APC法相同。接收天線沿垂直于接收天線與發(fā)射天線連線的水平線移動(dòng)，掃描長(zhǎng)度為24cm。由于方向圖分別為-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的電平對(duì)應(yīng)的指向角約為50°、60°、70°、75°，于是在這些角度上做駐波記錄。這樣做是為了便于將VSWR法所得結(jié)果與前述APC法的情況進(jìn)行對(duì)照。相應(yīng)的結(jié)果在第5節(jié)中予以描述。

（后文詳見(jiàn)第24期）endprint