FAST工程綜合測試微波暗室設(shè)計與實現(xiàn)*

胡 浩，張海燕,2，甘恒謙,2，岳友嶺,2，黃仕杰，宋金友

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100101；2. 中國科學(xué)院FAST重點(diǎn)實驗室，北京 100101)

國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)已于2016年9月建成，正在進(jìn)行調(diào)試和試觀測，并已取得初步成果[1]。FAST的高靈敏度使得它極易受到來自自身電氣和電子設(shè)備的電磁干擾，為此望遠(yuǎn)鏡的電磁兼容設(shè)計和整改非常重要[2]。開展電磁兼容設(shè)計和整改的基礎(chǔ)，是對干擾設(shè)備的電磁兼容特性進(jìn)行測試和評估[3]，而電磁兼容測試離不開微波暗室[4]。FAST臺址位于貴州省黔南州平塘縣大窩凼洼地，地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，電波環(huán)境非常安靜，是開展天文觀測的合適地點(diǎn)。望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)和運(yùn)行需要開展一系列的電磁兼容測試維護(hù)及研究工作。FAST的電磁兼容試驗性測試及研究是長期耗時的工作。同時，為適應(yīng)開展控制設(shè)備(如配電、索驅(qū)動、促動器控制及饋源艙內(nèi)設(shè)備都必須管控認(rèn)證電磁兼容性接入許可)輻射影響檢測及FAST饋源等微波器件標(biāo)定測試的多功能需求，有效合理地利用FAST現(xiàn)場實驗室的基礎(chǔ)配套，建設(shè)多用途綜合測試微波暗室非常必要，微波暗室的建設(shè)對FAST的正常運(yùn)行提供有效支撐。

1 方案設(shè)計和實現(xiàn)

1.1 FAST綜合測試微波暗室性能指標(biāo)

FAST綜合測試微波暗室在觀測基地2號實驗室內(nèi)，規(guī)劃建筑面積12.0 m × 12.0 m，作為多用途微波暗室，需要滿足國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB151B①http://www.queshao.com/docs/366918/試驗要求，滿足民用標(biāo)準(zhǔn)3 m法電磁兼容性試驗要求，兼顧小天線測試要求。

電磁兼容微波暗室指標(biāo)要求[5]：

(1)歸一化場地衰減

3 m距離測試時，直徑2 m、高度2 m的靜區(qū)內(nèi)從30 MHz至1 GHz測量的歸一化場地衰減與理論值的偏差在 ± 4 dB之內(nèi)。

(2)場地電壓駐波比

在1 GHz～18 GHz頻率范圍內(nèi)，測試距離3 m、直徑2 m、高度2 m的靜區(qū)駐波比 ≤6.0 dB。

(3)場地均勻性

在1.5 m × 1.5 m假想垂直面上75%的場強(qiáng)幅值偏差應(yīng)在0～6 dB。

(4)背景噪聲

在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測試時，受試設(shè)備斷電而輔助設(shè)備通電，測得的內(nèi)部電磁環(huán)境電平比GJB151A-97[注]http://vdisk.weibo.com/s/BFKsVH5m9spBq規(guī)定的極限值低6 dB或CISPR 22/CLASS-B規(guī)定的極限值低10 dB。

天線微波暗室指標(biāo)要求：

(1)微波暗室靜區(qū)性能(表1)

微波暗室在滿足3 m法電磁兼容測試的前提下兼顧天線遠(yuǎn)場測試，具體要求如下：

(500 MHz以下不作要求)：

500 M～1 GHz：優(yōu)于20 dB； 1～3 GHz：優(yōu)于25 dB； 3～6 GHz：優(yōu)于35 dB；

6～10 GHz：優(yōu)于45 dB； 10～18 Hz：優(yōu)于50 dB。

(2)靜區(qū)交叉極化電平：≤-25 dB (≥1 GHz)。

(3)場幅均勻性：縱向 ± 2 dB，橫向 ± 1 dB。

1.2 天線測試的吸波布局設(shè)計

1.2.1 微波暗室技術(shù)指標(biāo)：

◆工作頻率：0.5～18 GHz； ◆微波暗室尺寸(長 × 寬 × 高)：11 m × 8 m × 7.2 m；

◆微波暗室最大測試距離：R=5 m； ◆靜區(qū)尺寸：1.0 m × 1.0 m × 1.0 m；

◆發(fā)射天線增益(表2)

表1 微波暗室靜區(qū)性能Table 1 Microwave darkroom Quiet zone performance

表2 采用的發(fā)射天線增益表Table 2 The launch antenna gain table is adopted

1.2.2 遠(yuǎn)場測試微波暗室仿真計算：

(1)靜區(qū)性能計算條件

◆工作頻率：0.5～18 GHz； ◆微波暗室尺寸(長 × 寬 × 高)：11 m × 8 m × 7.2 m；

◆靜區(qū)尺寸：1.0 m × 1.0 m × 1.0 m； ◆測試距離：R=5 m；

◆微波暗室可測最大天線口徑(表3)

表3 不同頻率下可測最大天線口徑Table 3 The maximum antenna aperture can be measured at different frequencies

(2)靜區(qū)性能仿真計算

微波暗室靜區(qū)性能設(shè)計，采用國際通用的射線跟蹤法進(jìn)行仿真計算。根據(jù)微波暗室的大小、吸波材料的布局、發(fā)射接收天線的位置等相關(guān)參數(shù)代入微波暗室性能仿真計算軟件，對微波暗室的性能進(jìn)行評估。

(a)微波暗室靜區(qū)中心和主反射區(qū)吸波材料高度的確定

通過設(shè)定不同的微波暗室靜區(qū)中心位置和不同高度的吸波材料，進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計，最終確定靜區(qū)中心到后墻的距離為3.6 m，高度2.5 m。微波暗室的墻面、天花板采用FAH-1600吸波材料，地面費(fèi)涅爾區(qū)選用700 mm高的FA-700高性能角錐吸波材料，其它區(qū)域選用500 mm高的FA-500高性能角錐吸波材料。

(b)微波暗室靜區(qū)性能的仿真設(shè)計結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)計算優(yōu)化，最后確定微波暗室的靜區(qū)性能計算結(jié)果見表4。

表4 微波暗室靜區(qū)性能計算結(jié)果Table 4 Performance calculation results of microwave darkroom

1.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)方面，綜合測試微波暗室包括3 m法微波暗室屏蔽房，另配2個輔助屏蔽室(測量控制室和功放室)，各室形狀為矩形，布局圖及結(jié)構(gòu)尺寸如圖1。綜合微波暗室內(nèi)還包括供電系統(tǒng)、信號濾波器、電源濾波器、尖劈吸波材料、鐵氧體、轉(zhuǎn)臺及控制系統(tǒng)、天線升降臺及控制系統(tǒng)、消防、視頻監(jiān)控等。各屏蔽室共壁，以便減少信號轉(zhuǎn)接板的數(shù)量與信號電纜的長度。

整個六面體的網(wǎng)格框架構(gòu)成了屏蔽微波暗室主體自支撐結(jié)構(gòu)。主體框架的設(shè)計經(jīng)過了詳細(xì)、可靠的結(jié)構(gòu)計算，考慮了框架變形控制和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，并且充分考慮了按8級烈度抗震設(shè)計。

圖1 綜合測試微波暗室布局
Fig.1 Comprehensive test microwave darkroom layout

1.3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

FAST綜合測試微波暗室作為多用途微波暗室。其設(shè)計難點(diǎn)是：

電磁兼容性微波暗室試驗具有超寬頻帶。輻射性能測試：軍標(biāo)80 MHz～40 GHz；民標(biāo)30 MHz～18 GHz。為了滿足與開闊場比對的誤差要求，電磁兼容性測試對微波暗室的吸波性能相對天線測試的要求低，整個測試頻帶吸波性能在-15～-20 dB就可以；而天線測試頻帶相對較窄，靜區(qū)反射電平要求盡量低，對吸波性能要求高，要在-30 dB以上，甚至要達(dá)到-55 dB。

目前，國內(nèi)外微波暗室用吸波材料主要有兩種：(1)電介質(zhì)材料，即角錐吸波材料；(2)磁性材料，即鐵氧體瓦。角錐材料從低頻(30 MHz)到高頻(300 GHz)，都可以做成高吸收性能(可達(dá)-55 dB)，但要滿足30 MHz吸波性能-15 dB，其高度約3 m。鐵氧體瓦在低頻(30 MHz～1 GHz)具有很好的吸波性能，高頻性能很差(見圖2)，厚度只有6.5 mm左右，相對角錐材料的厚度，幾乎可以忽略不計。在0.8 GHz以上頻率吸波性能不能滿足天線測試的需要，所以幾乎沒有天線微波暗室采用鐵氧體瓦。

圖2 鐵氧體瓦的吸波性能曲線
Fig.2 The absorption performance curve of ferrite tiles

將電磁兼容性測試和天線測試組合在一起，建設(shè)微波暗室不是最佳選擇。為了滿足FAST測試的特殊需要，使用大型空心截錐吸波材料，對截錐吸波材料進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，特別是高頻吸波性能的優(yōu)化，使其在低頻(30 MHz)吸波性能達(dá)-15 dB，達(dá)到鐵氧體瓦的吸波性能；高頻(500 MHz以上)吸波性能-30 dB以上，即可滿足3 m法電磁兼容性試驗，也可兼顧天線測試需要的新型截錐吸波材料FAH-1600，吸波性能測試結(jié)果見圖3。從測試曲線看：FAH-1600截錐吸波材料的吸波性能達(dá)到或超過鐵氧體瓦的吸波性能，完全可以滿足3 m法綜合微波暗室的建設(shè)需求。

綜合以上分析，在電磁屏蔽室所有墻面和天花板鋪設(shè)高度為1 600 mm的吸波材料，型號FAH-1600角錐吸波材料，地面部分鋪設(shè)可移動式材料14.4 m2，高度300 mm，型號FA-300高性能角錐吸波材料, 用于CISPR16-1-4(2007)[注]http://www.doc88.com/p-8942910143727.html標(biāo)準(zhǔn)對滿足場地電壓駐波比的測試，可滿足FAST綜合測試微波暗室的性能指標(biāo)要求。

1.4 FAST綜合測試微波暗室工程實現(xiàn)

FAST綜合測試微波暗室工程包括5方面。

(1)微波暗室建設(shè)在室內(nèi)，空間狹小，所有鋼材在使用前進(jìn)行除銹防腐處理，施工過程中同步進(jìn)行防腐補(bǔ)漆，保證工程質(zhì)量。

(2)吸波工程：微波暗室屏蔽體及附屬設(shè)施安裝完成后，屏蔽檢測合格，進(jìn)行墻面及屋頂?shù)募馀ú牧习惭b。

(3)裝飾工程：控制室及功放室屏蔽檢測合格后進(jìn)行室內(nèi)裝修。

(4)附屬設(shè)施：包含消防報警系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、信號濾波器及接口裝置、電視監(jiān)視系統(tǒng)、燈光照明系統(tǒng)、接地系統(tǒng)。

(5)配套設(shè)備：包含轉(zhuǎn)臺、天線塔、升降臺。

圖3 FAH-1600吸波材料測試曲線
Fig.3 FAH-1600 absorbent material test curve

2 綜合測試微波暗室性能檢測

綜合測試微波暗室建設(shè)完成后，進(jìn)行微波暗室性能測試，測試結(jié)果達(dá)到優(yōu)秀水平，測試情況如圖4。

圖4 綜合測試微波暗室性能檢測
Fig.4 Comprehensive test microwave darkroom performance

2.1 歸一化場地衰減

按照標(biāo)準(zhǔn)GB9245-2008 《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》 規(guī)定的測試方法進(jìn)行歸一化場地衰減的垂直極化和水平極化測量，垂直極化測試結(jié)果見圖5。

2.2 場地電壓駐波比

指標(biāo)要求：在1～18 GHz頻率范圍內(nèi)，測試距離3 m、直徑2 m、高度2 m的靜區(qū)駐波比 ≤ 6.0 dB。

測試方法：按照 CISPR16-1-4：2008-01標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測試距離3 m、直徑1.5 m、高度2 m的靜區(qū)場地電壓駐波比不大于6 dB。要求驗收測試發(fā)射天線為全向天線，測試接收天線為對數(shù)周期偶極子天線。測試結(jié)果見圖6，滿足設(shè)計要求 ≤ 6.0 dB(在12.5 GHz附近存在兩點(diǎn)凸起，由測試設(shè)備不匹配引起)。

圖5 垂直極化歸一化場地衰減
Fig.5 Vertical polarization normalized site attenuation

圖6 場地電壓駐波比
Fig.6 Field voltage standing wave ratio

2.3 場地均勻性

按照 GB/T17626.3-2006 《電磁兼容試驗和測量技術(shù)射頻電磁場輻射抗擾度試驗》[注]http://www.doc88.com/p-7406216680356.html要求，在測試轉(zhuǎn)臺上 0.8～2.3 m范圍1.5 m × 1.5 m的垂直平面內(nèi)，16 個測試點(diǎn)中75%(1～18 GHz頻率范圍為4個端點(diǎn)100%)的點(diǎn)場地均勻性在0～+6 dB之間，滿足測試要求。測試結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 場地均勻性垂直極化75%
Fig.7 The uniformity of the site is 75% vertically polarized

圖8 場地均勻性垂直極化100%
Fig.8 The uniformity of the site is 100% vertically polarized

2.4 背景噪聲

在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測試時，受試設(shè)備斷電而輔助設(shè)備通電，測得的內(nèi)部電磁環(huán)境電平比GJB151A-97規(guī)定的極限值低14 dB或CISPR 22/CLASS-B規(guī)定的極限值低18 dB。

2.5 電磁屏蔽效能檢測

測試方法：GB/T12190-2006電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法[注]http://vdisk.weibo.com/s/A1mu6NaFruByS。

測試頻點(diǎn)：30 MHz，100 MHz，345 MHz，500 MHz，1 GHz，2.575 GHz，18 GHz。測試結(jié)果見表5。

表5 暗室屏蔽效能檢測結(jié)果Table 5 Detection results of dark room shielding effectiveness

2.6 微波暗室靜區(qū)性能

測試方法：按照GJB6780-2009 微波暗室性能測試方法[注]https://www.antpedia.com/standard/6158947-1.html。

測試頻點(diǎn)：500 MHz，2 GHz，5 GHz，10 GHz，18 GHz。

本微波暗室在滿足3 m法電磁兼容測試的前提下兼顧天線遠(yuǎn)場測試，實測數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求，測試結(jié)果如下：

(a)靜區(qū)性能 (500 MHz以下不作要求)：

500 M～1 GHz：優(yōu)于20.6 dB； 1～3 GHz：優(yōu)于25.5 dB； 3～6 GHz：優(yōu)于35.7 dB；

6～10 GHz：優(yōu)于50.8 dB； 10～18 Hz：優(yōu)于50.9 dB。

(b)靜區(qū)交叉極化電平：≤-29 dB (≥1 GHz)。

(c)場幅均勻性：縱向 ± 1.76 dB，橫向 ± 0.89 dB。

3 結(jié) 論

FAST綜合測試微波暗室通過尖劈吸波材料的優(yōu)化設(shè)計，選用1 600 mm高(FAH-1600)大型空心截錐吸波材料鋪設(shè)所有墻面及天花板，地面部分鋪設(shè)可移動式高性能復(fù)合型角錐吸波材料：高度300 mm/500 mm/700 mm，型號FA-300/FA-500/FA-700，在有限的室內(nèi)空間實現(xiàn)了集電磁兼容測試微波暗室和天線測試微波暗室于一體，滿足望遠(yuǎn)鏡特殊的測試需求。微波暗室各屏蔽室共壁，減少信號轉(zhuǎn)接板的數(shù)量與信號電纜的長度，通過合理的布局和嚴(yán)格的施工過程管控，綜合測試微波暗室性能通過測試，性能指標(biāo)達(dá)到優(yōu)秀水平。綜合測試微波暗室內(nèi)配備的測試平臺、儀器設(shè)備包括了電磁兼容測試系統(tǒng)和天線測試系統(tǒng)，主要設(shè)備由國外進(jìn)口，部分器件共用，在8 GHz以下頻率范圍均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測試要求。