無線電吸波暗室的反射電平（下）

高選正++傅德民

5 2種方法的比較

5.1 理論

以上對2種方法做了詳細描述，接下來的探討將繼續(xù)展開。2種方法的主要差別在于：APC法是在分立的點位上進行連續(xù)的天線旋轉；而VSWR法是固定于不同的方向角，然后沿一掃描線做連續(xù)移動。在2種方法中，并未觀察到反射電平R的最大值。在天線方向圖法中，這個問題可以通過提取大量的方向圖來解決，但實驗的耗時和分析的工作是相當大。在VSWR法中，R可以每隔10°一個來確定，并表示為方向角的函數(shù)。在R看起來可能最大的某些角度上，可以多測量一些干涉方向圖，這樣就可以用圖示法得到高精度的R最大值。APC法的優(yōu)點是：做一套測試，幾張方向圖很容易以圖示的方式把它們的頂部疊加記錄在同一張紙上，因此給天線工程師提供了對測量精度的一個初步的直覺判斷。但是，如果天線工程師希望知道最大的測量誤差，則推薦采用VSWR法。因此，目前的吸波暗室測試規(guī)范中，普遍采用VSWR法來確定反射電平的最大值。

為了表明至少在理論上2種方法可以給出相同結果，可回顧圖3和圖4。由描述APC法的圖3可以看出，當接收天線指向發(fā)射天線時，它的方向角為0°，也即通常一致定義中的0°方向角。在描述VSWR法的圖4中，接收天線的指向與吸波暗室軸線平行時，習慣上稱為0°方向角。由于方向角的定義不同，在采用前述的APC法和VSWR法中意味著未能分析同一干涉方向圖。但讀者可以想象，有多種方法來解決這一問題，并檢測到相同的干涉方向圖，這意味著采用APC法或VSWR法可以得到一致的結果。但是，對于給定的方向角，為了檢測最大到反射所致干涉的最壞情況，需要作很多方向圖。進一步，為了精確分析相干方向圖，需要由方向圖來提取駐波曲線。事實上，在首次描述APC法時就提出了此建議，并被某些釆用這種方法的用戶所實施。但是，方向圖通常只在間隔半波長的點位上做記錄，這往往是不夠充分的。另外，在與VSWR法作比較時，忽略了方向角定義的差別和方向圖疊加的問題。還有，用APC法所得的結果以不同的方式作了平均。實際上，這種平均會引起2種方法的結果出現(xiàn)很大的差別，因為在VSWR法中，通常所給出的是反射電平R的最大值。

由前述和本節(jié)所作的討論可以得出結論：APC法便于給出測量精度的初步指示，但測量精度最壞的情況可能會錯失掉，而且在解釋干涉方向圖方面也存在問題；VSWR法只需花費很少的時間就可以找到最大的反射電平，而且還易于研究干涉方向圖，并查驗出吸波暗室指定區(qū)域內(nèi)的反射詳情。

5.2 結果

為了比較用2種方法所得到的結果，采用第3、4節(jié)中所述的測試方案評估了上述的吸波暗室。圖9顯示了反射電平隨天線間距d的變化函數(shù)，距離d從200cm變到260cm。

圖9 反射電平隨天線間距d的變化函數(shù)

圖中的連續(xù)曲線來自VSWR法?？梢钥闯觯S著距離增加，入射場強度減小，R值趨于增加。但需注意到，距離上的細小變化也會引起反射電平的很大變化。因此，當距離d從208cm增加6cm時，R增加了5dB。

用×符號標注的離散點是APC法得到的結果。在進行測試時，從d=220cm起算，取10cm的測試間隔為距離增量。另外，在d=208cm和d=214cm位置處進行了APC法的補充測試，因為在這兩處點位的VSWR法分別得到了相對的最小值與最大值。對照圖9所示的結果可以看出，相比VSWR所得到的結果，APC法給出的結果所對應的暗室性能看起來顯得偏好5dB。2種方法的差別導致了上述結果上的差別。

在d=210cm處觀察到反射電平劇烈增加，于是在方向角40°～90°范圍內(nèi)以5°角度為間隔做駐波曲線記錄，完成了進一步的研究，由此，在d=208cm和d=214cm兩處，反射電平R作為方向角Ф的函數(shù)被確定。分析表明，在40°<Ф<90°的范圍內(nèi)，R最大值的變化約有4dB；對于小于40°的情況，由于駐波曲線只有很小的波動變化（最大0.1dB），于是R值沒有再求解的必要，這等效地意味著，對于-40°<Ф<40°的區(qū)域，記錄的方向圖將是非常精確的。

6 反射電平用于指導吸波暗室的改進

本節(jié)的目的是想表明用VSWR法所得的反射電平，可用于指導無線電吸波暗室的性能改進。在3種不同的測試條件下，對圖10所示的吸波暗室進行了反射電平R的測量。圖10顯示了一個12×14×16m3的矩形吸波暗室的縱截面，它鋪設有2m長度的角錐形吸波材料。在463塊地面吸波材料中裝有木桿，用于52塊地板的支撐。發(fā)射天線T置于吸波暗室的一端，接收天線R安裝在一個模型塔上并能完成三維天線方向圖測量。模型塔通過塔的基座B裝在方位轉臺P之上，它們都放置于一個小車C之上，小車可以在凹槽中的軌道上運行。采用水平極化20dBi的標準增益喇叭測試了H面反射電平與θ角的函數(shù)關系，這意味著反射電平R的測試是在垂直面內(nèi)，因此當接收天線指向塔基（θ=270°）或者地面的鏡像反射點（θ=310°）時，可能出現(xiàn)大反射。為了屏蔽來自塔的基座和凹槽的反射，在塔基之上放置了一些吸波材料A。通過移除一些地板，可以減小地面反射。R的測量在以下3種不同的條件下進行：

（1）地板在位，塔基吸波材料移除；

（2）地板和塔基吸波材料都在位；

（3）塔基吸波材料在位，而吸波暗室中間位置的地板2到地板6移除。

圖10 吸波暗室

在圖11中，反射電平表示為θ角的函數(shù)，吸波暗室條件?。?）和（3）。在條件（1）的情況下可以看出，在θ=270°的位置，由于塔支撐機構未屏蔽，形成了大反射，最大值約為-37dB。而當塔基吸波材料在位且地板2到地板6移除時，反射電平低于-60dB。因此可以看出，在吸波暗室由條件（1）改進到條件（3）時，反射電平有明顯減小。同理，這種方法也可以用于小改進的檢測。在條件（2）的情況下，在θ=270°的位置，測量到反射電平減小了18dB。但在這種情況下，在310°的位置由于地板的鏡像反射，存在R=-48dB的最大值。endprint

圖11 垂直面的反射電平

7 反射電平對測試參數(shù)的依賴性

由上述討論可以很明顯地看出，R的最大值依賴于以下測試參數(shù)：

（1）頻率；

（2）發(fā)射和接收天線的方向性；

（3）場的極化；

（4）測量R的測試平面；

（5）記錄干涉方向圖的掃描線方式；

（6）天線的支架方式；

（7）天線在吸波暗室中的位置，特別是與吸波暗室各墻面的距離；

（8）干涉方向圖記錄的數(shù)量；

（9）干涉方向圖的合理解釋；

（10）測量設備的適用性。

根據(jù)作者的知識，有關反射電平對所有測試參數(shù)的依賴性的詳細信息似乎還未有完全列出。也許這是由于R對測試參數(shù)的依賴性，而這些參數(shù)對于不同的吸波暗室又是各具特色的。但無論如何，有些相關性在某種程度上還是已知的。比如說，R隨接收天線離開背墻距離的增加而減小，由圖9可以獲知這一解釋的正確性。在一定程度上，隨著離開背墻距離的增加，也就是說隨著d的減小，測量的R值趨于減小。但是，正如上面所討論的，曲線有很大的變化。其它已知的相關性還包括：隨著工作頻率和天線方向性的增加，R趨于減小。

為了表明R對某些測試參數(shù)的依賴性，對圖10所示的吸波暗室在3GHz頻率進行了評估，并采用了方向性為2dBi、15dBi、20dBi這3種類型的天線，結果如表1所示。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，吸波暗室的評估在水平面和垂直面內(nèi)分別測試了水平極化與垂直極化。垂直面的評估根據(jù)前節(jié)所述的條件（1）和條件（3）的情況進行，對于每一組測試參數(shù)，R作為方向角的函數(shù)來測量。表1給出了每一組測試參數(shù)中R的最大值，同時也顯示，當吸波暗室從條件（1）到條件（3）作重新布置時，也就是吸波暗室作改進時，觀察到的R最大值是減小的。

表1 反射電平與方向性、極化和天線測試平面的關系（3GHz）

方向性

極化 水平面 垂直面

條件（1） 條件（1） 條件（3） 改進

2dBi 水平 -23.1 -22.0 -32.0 10.0

垂直 -22.0 -24.0 -29.2 5.2

15dBi 水平 -45.6 -36.2 -52.4 16.2

垂直 -37.8 -36.0 -42.8 6.8

20dBi 水平 -54.4 -37.2 -61.8 24.6

垂直 -45.9 -40.5 -54.8 14.3

注：條件（1）：地板在位，塔基吸波材料移除；條件（3）：地板移除，塔基吸波材料在位。

本文未對所涉及的其它因素做出詳細解釋，比如應該考慮天線波束寬度與吸波暗室形狀等相關因素。但還是可以從表1中觀察到以下的影響：

（1）反射電平隨天線方向性的增加而減小。當方向性分別從2dBi增加到15dBi以及從15dBi增加到20dBi時，反射電平平均減少了16.4dB和7.3dB。

（2）反射電平依賴于極化。例如，在條件（3）的15dBi天線的情況下，對于垂直和水平極化，R值約有10dB的差別。

（3）對高增益天線來說改進最大。對水平極化的20dBi天線改進達到24.6dB，對低增益天線改進只有10dB。

（4）在水平面內(nèi)分析表明，來自背墻的反射最大。

（5）在條件（1）的情況下，在垂直面和水平面的反射電平各不相同。對于高增益天線，差別最大。

（6）對于給定方向性分別為2dBi、15dBi、20dBi的天線，R隨測試參數(shù)的最大變化為2dB、9.6dB、17.2dB。

這些結果取自上述尺寸為12×14×16m3的矩形吸波暗室。

綜上可以理解，評估吸波暗室的測試方案取決于需求。各種各樣的吸波暗室，需要對多種天線的多種極化在多個測試平面的情況下進行評估。另外，接收天線除了沿幾條縱向線移動以外，還需沿幾條水平和垂直掃描線移動。當方向性和頻率給定時，對3個主平面、3條主掃描線和2個主極化來說，基本上存在18種組合。因此，作完整的評估是很耗時的。

為了看一下是否能夠減少時間，可以再考慮表1給出的結果?？梢钥闯?，在條件（1）的情況下，有4種不同的組合來評估吸波暗室，對于方向性分別為2dBi、15dBi、20dBi的天線，反射電平有2dB、9.6dB、17.2dB的變化。根據(jù)這些結果，假定從18種可能性中任選一種組合來評估吸波暗室，所得的R值可能與最壞情況有10～20dB的差別。但是，從18種可能性中合理地選取一種組合，可以想象R的測量值與最大值的偏差不會大于5～10dB。因此，如果在確定R最大值時可以接受這樣的誤差精度水平，那么從測試平面、極化、掃描線中選擇一種適當?shù)慕M合來評估吸波暗室，這看起來是合理的。例如，在3個頻點采用3種類型的天線來實施，總共需測9個R值。在選擇測試參數(shù)時，應該考慮：吸波暗室的頻率范圍；吸波暗室中被測天線的類型；吸波暗室中具有最大反射預期的那些內(nèi)墻局部區(qū)域。

最后，由于采用高增益天線比采用低增益天線做測試有更大的改進，所以由高增益天線所得結果比由低增益天線所得結果更容易作為吸波暗室的比較。但是，低增益天線也會被用來檢測反射電平的最大值。

8 結論

本文描述了無線電吸波暗室反射電平評估的技術狀態(tài)。APC法和VSWR法的比對表明：APC法給出的結果比由VSWR法的結果所顯示的吸波暗室性能會偏好。這主要是由于在APC法中的方向圖記錄只發(fā)生在分立的點上。但是，如果能記錄大量的方向圖且分析得當，2種方法會給出同等的結果，但這需要花費很多的時間。根據(jù)比對可以得出結論：在實際的測量中，APC法便于給出測量精度的初步指示，而VSWR法才是測量吸波暗室反射電平更精確的方法。endprint

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，反射電平可用于表征無線電吸波暗室的改進，在吸波暗室測試期間，通過對天線支承機構做屏蔽以及通過移除地板前后進行反射電平的測量，即可達成這一目的。在采用20dBi增益天線的情況下，反射電平最大值由-37dB改進為-62dB。采用低增益天線的改進沒有采用高增益天線那么明顯。

已經(jīng)通過示例闡明了反射電平與方向圖的測試平面、天線的增益和極化等測試參數(shù)的相關性。由此表明，對于一個天線來說，R作為測試參數(shù)的函數(shù)有10～20dB的變化，而對于高增益天線的情況其變化是最大的。但本文也指出，要想對吸波暗室提出比較滿意的評估方法，還需要有更多的知識來探討有關反射電平對測試參數(shù)的相關性問題。因此，對于實際的測量來說，如果一定要精確地知道測量精度，必須采用VSWR法來評估吸波暗室。

參考文獻：

[1] R E Hiatt， E F Knott， T B A Senior. A Study of VHF Absorbers and Anechoic Room[R]. Radiation Lab.， Univ. Michigan， Tech. Rep. 5391-1-F， 1963.

[2] R R Bowman. Prevalent Methods for Evaluating Anechoic Chambers： Some Basic Limitations[C]. Presented at 1966 Measurement Seminar， Session 111， Lecture 3 of High Frequency and Microwave Field Strength Precision NBS Rep. 9229， 1966.

[3] B D Rethmeyer， W A Price. Procurement and Evaluation of Anechoic Chamber[R]. U. S. Naval Avionica Facility， Indianapolis， Ind.， Tech. Rep. 403， Jul. 1964.

[4] W H Kummer， A T Villeneuve. Experimental Evaluation of Anechoic Chambers[C]. 1966 IEEE G-AP Int. Symp. Prog. and Dig.， 1966： 301-306.

[5] B Clarke， R Breithaupt. Test Measurements on a 13 ft.. X 9.8 ft. x 7.5 ft. Microwave Anechoic Chamber[R]. Communicahon Res. Cent.， Nat. Space Telecommun. Lab.， CRC Tech. Note 633， Aug. 1971.

[6] H Hollman. Design and Function of Anechoic Funnel and Rectangular Chambers for Antenna Tests[R]. Fernmeldetech. Z. der Deutschen Bunhpost， A 454 TBr 13， Nov. 1971.

[7] J Appel-Hansen. Evaluation of a Microwave Anechoic Chamber for One-Way Transmission[R]. Tech. Univ. Denmark， Lyngby， Denmark， R 55， Jan. 1967.

[8] E F Buckley. Design Evaluation and Performance of Modern Microwave Anechoic Chambers for Antenna Measurements[J]. Electron. Cambonents， 1965（12）： 1119-1126.

[9] J Appel-Hansen. Experimental Methqds for Accurate Determination of Low Antenna Pattern Levels in Microwave Anechoic Chambers[R]. Radio Anechoic Chamber， Tech. Univ. Denmark， Lyngby， Denmark， R 57， Apr. 1967.endprint