微波暗室反射率電平論述分析

黃方祥

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南省洛陽市 471000）

微波暗室是 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)和 CTIA 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的 OTA測量系統(tǒng)硬件的重要構(gòu)成部分[1]。微波暗室本身是從消聲室發(fā)展形成的，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境產(chǎn)生很好的屏蔽作用，從而讓無電磁干擾環(huán)境產(chǎn)生[2]。微波暗室一般都是具備遠(yuǎn)場測試條件的。一般情況下，被測試物體越大，測試產(chǎn)生頻率越高，微波暗室就需要更大。如果運行頻率在300MHz ～6GHZ 設(shè)備，微波暗室大小需要為45×20×20m，被測量天線最大半徑可以大于1m[3]。但是，具體使用過程中，這種暗室使用成本很高，需要較大占地面積，導(dǎo)致大型暗室基本上難以得到全面普及。從實際測試過程分析，只要對微波暗室測試空間進行合理控制，就可以對暗室大小進行縮減。因此，在現(xiàn)代通信行業(yè)中，應(yīng)當(dāng)對微波暗室進行合理使用，衡量出通信設(shè)備的效率和質(zhì)量，有利于保障我國通信行業(yè)健康發(fā)展。

1 微波暗室概述

微波暗室本身是從消聲室產(chǎn)生的。微波暗室是使用無線電波吸收材料形成內(nèi)壁的空間，通過對這種特點空間的有效利用，可以對射入的電磁波進行最大程度吸收，也可以實現(xiàn)最小程度反射，并且能夠在限定空間范圍內(nèi)形成“自由空間條件”的無回波區(qū)域。一般情況下，這種特點更多使用靜區(qū)特點進行表示，并且靜區(qū)特點也可以是靜區(qū)大小，主要使用發(fā)射率電平、交叉極化度、場均勻性、運行頻率等參數(shù)進行體現(xiàn)[4]。其中，發(fā)射率電平是對微波暗室評價的主要指標(biāo)之一?，F(xiàn)階段微波暗室應(yīng)用范圍很廣，既可以對測量天線等無源器件，也可以借助測量儀器對有源設(shè)備進行全面測試。并且，CTIA和3GPP 標(biāo)準(zhǔn)影響下，OTA 測試過程需要在微波暗室中進行[5]。這源于微波暗室有著很好保密安全性、全天候、超寬頻帶等優(yōu)勢，并且在近三十年得到很好發(fā)展。微波暗室在使用過程中，能夠?qū)Χ鄠€內(nèi)容進行測試，如遠(yuǎn)場測量、近場測量、緊縮場測量等。在微波暗室評價性能指標(biāo)中，包括發(fā)射電平測試、交叉極化隔離度測試、多路徑損耗均勻性測試、場幅均勻性測試等。其中，最為重要的是發(fā)射電平測量，而其又有空間駐波比法、天線波瓣圖比較法兩種。其中，空間駐波法是國家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的推薦用法。另外，CTIA 標(biāo)準(zhǔn)提出了 SSD 紋波測量的方法來衡量 OTA 暗室的靜區(qū)性能[6]。

微波暗室屬于室內(nèi)天線測量場。腔體內(nèi)都會覆蓋有特殊的電磁波吸波材料。室內(nèi)測量場因測試條件更容易得到控制所以比室外測量場更受歡迎。吸波材料往往被設(shè)計成鋸齒狀的，會照射在材料上面的電磁波往隨機方向擴散，而這些不規(guī)則反射進行不連貫疊加會進一步抑制反射。除過吸波材料，暗室還包括金屬屏蔽殼、轉(zhuǎn)臺、測量天線、通信天線[7]。

2 微波暗室反射率電平分析

反射率電平是微波暗室某個位置的等效發(fā)射場和入射場之比。微波暗室中存在的駐波信號是非常復(fù)雜的，既有四個側(cè)壁的發(fā)射比波，也有上下兩端的發(fā)射波。并且，工作頻率不同，反射信號也是不同的，隨意一處的反射率電平大小往往會隨著工作頻率產(chǎn)生相應(yīng)變化。如圖1所示，微波暗室射入波和反射波。

在整個靜區(qū)中，反射率電平R 能夠使用公式（1）進行表示。

在上式中，Ed是微波暗室軸線位置的射入場；Er是發(fā)射場；其他射入形式，如散射、繞射等位置分散于整個區(qū)域中；&d、&r分別是Ed和Er與暗室軸線位置產(chǎn)生的夾角。

2.1 反射率電平測量原理

從反射率電平測量過程分析，主要使用到空間駐波比法、天線波瓣圖比較法等。其中，空間駐波比法也是對空間電磁駐波特點的測量方法。通過對電磁波傳播理論進行使用，其測量原理是在微波暗室中，直射信號被吸收材料進行吸收，少量發(fā)射信號和直射信號因矢量作用下產(chǎn)生駐波，借助對駐波峰谷的測量，能夠?qū)﹄姶艌鲴v波特點進行全面分析，從而得到發(fā)射電平模型。并且，通過對兩種不同射入方式的變化程度比值進行確定，能夠可以得到諸多影響參數(shù)，如運行頻率、測量天線角度等。反射率電平在測量過程，應(yīng)當(dāng)具備遠(yuǎn)場條件和射入場0.25DB 的幅度要求。

（1）從射入場軸線位置上，吸收到的信號雖然為呈現(xiàn)出變化，也充分說明滿足測量需求。一旦接收信號按照半波長為標(biāo)準(zhǔn)，進行周期內(nèi)振蕩反應(yīng)，這說明天線間有著很強的耦合關(guān)系。如果震動時間超過一個周期，往往代表測量線路上存在多個發(fā)射信號。

（2）在測試過程中，往往需要進行移動，從而對探測強度分布均勻進行判斷，一旦電平起伏高于0.25DB，基本上可以說明符合射入場變化趨勢的要求。

一般情況下，通過對微波暗室軸線進行移動后，能夠?qū)μ炀€變化程度進行測量，也可以得到駐波最大值和最小值，從而對發(fā)射率電平進行確定。基于天線有著很強的方向性，往往需要在測量中調(diào)整，確保天線所在角度可以對相應(yīng)信號進行接收，以此保證駐波信號的精確獲取。在理想情況下，微波暗室往往只有直射波，其他波形是不存在的，而投射到吸收材料上的大部分電磁波基本上會被吸收，但是也有少量雜波是沒有被吸收的，如反射波、繞射波等，這些相互干擾波束往往會在極化相同環(huán)境下，如果兩波間相位差異是3nπ，此時就會產(chǎn)生波峰，如果相位差異是3（n+1）π，這時兩波會進行抵消或者部分抵消，從而形成波節(jié)，在微波暗室空間駐波曲線圖中會產(chǎn)生波峰、波節(jié)等，以此形成非常復(fù)雜的場結(jié)構(gòu)。在靜區(qū)范圍中存在的反射率電平往往會比其他空間產(chǎn)生的反射率電平小。

2.2 微波暗室發(fā)射率電平測量步驟

第一步，測量過程中，應(yīng)當(dāng)在接收天線的方向圖上找出方位角&，并且標(biāo)記出方向圖電平a。

第二步，找出接收天線最大覆蓋方向，將其調(diào)整到&角，通過橫向移動天線3—5^，并且對空間干涉波曲線進行記錄。

第三步，在不同角度上，按照第一步和第二步進行反復(fù)測試，能夠得到很多空間駐波曲線，再結(jié)合駐波曲線包絡(luò)可以將Δab 得到，通過對公式（2）使用后可以得到不同位置的反射率電平。如果Ed沒有超過Er，就應(yīng)當(dāng)使用公式（3）計算出具體反射電平。

第四步，在測量軸線位置上的反射電平中，天線口需要反向設(shè)置，口面需要對準(zhǔn)后壁，這是A 時天線方向圖圖瓣和主瓣電平差，將其縱向移動±3^，能夠得到最大的電平值。基于在最大發(fā)射位置上對其進行校準(zhǔn)，這是&=0，場強最大值和最小值間的差異程度需要使用Δ進行表示，利用公式（4）計算。一般情況下，Ed會和天線移動情況相同，也會呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，Er在移動過程沒有什么規(guī)律性，呈現(xiàn)出隨意性波動，在某個位置選擇角度后，一旦具體測試的空間駐波曲線平均值也呈現(xiàn)出無規(guī)律現(xiàn)象，就可以判斷出Ed沒有超過Er，也可以在此角度上，對駐波曲線情況進行假設(shè)，如平均電平值超過方向圖電平高，從而Ed沒有超過Er。

3 微波暗室反射率電平測試方法分析

3.1 無源測試方法

從測試原理而言，首先將整個測試范圍中的喇叭天線全部更換成全向天線。這源于以往使用的天線尺寸大，但是微波暗室測試空間有限，難以滿足測試過程需要的移動需求。結(jié)合天線互易定理，需要將dipole 天線轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射天線，微波暗室測量天線需要充當(dāng)接收天線。通過在微波暗室中放入適當(dāng)?shù)膁ipole 天線，能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)域的空間駐波進行計算。

借助仿真試驗進行驗證，使用三維電磁仿真軟件對其進行模擬。仿真頻率需要設(shè)置到700MHz，從坐標(biāo)原點為重點沿著z 軸構(gòu)建理想偶極子，長度是波長1/2，這種偶極子使用測量天線，能夠有效降低反射干擾的強度。偶極子沿著Y 軸0.6 米持續(xù)復(fù)制，需要設(shè)置為可以移動的發(fā)射天線，移動過程需要沿著Y 軸從0.6 米到1.2米，并且每0.012 米進行記錄一次，在這種仿真模擬過程可以對無反射自由空間接收功率的變化趨勢進行有效呈現(xiàn)。此外，也需要建立對照組，在前一基礎(chǔ)上加入金屬板對有反射現(xiàn)象進行模擬，金屬板寬度需要為0.02 米、長度0.2 米、高度0.5 米。整個仿真試驗需要對兩個方面關(guān)注。一方面，應(yīng)當(dāng)關(guān)注到仿真試驗的縱軸，這代表接收天線和發(fā)射天線間的功率比。在此種情況下發(fā)射天線功率是不會產(chǎn)生任何變化的，且該數(shù)值變化更多是功率上的改變。這就需要在反射電平數(shù)據(jù)處理中，使用接收功率數(shù)值可以得到不同結(jié)果。另一方面，一般情況下，只有移動距離超過干擾波長23/4 后才能得到非常明顯的駐波峰值。而且，測量間距往往不能超過1/8 波長。在這種要求下，仿真試驗將行動距離設(shè)置為3 米，測量間距為0.012 米。

結(jié)合仿真結(jié)果可知，沒有設(shè)置金屬板的功率和201og（d）不存在線性關(guān)系。但是，有部分駐波產(chǎn)生明顯關(guān)系，這是源于dipole 天線反射形成的。再對整個仿真曲線進行擬合可以得到Y(jié)=-0.72x-25.31。有金屬板的功率曲線呈現(xiàn)出波動態(tài)勢，對其擬合后得到Y(jié)=-0.76x-25.45。從整體趨勢分析，兩個曲線趨勢是相同嗎，這說明測試方法是合理的。通過對使用金屬板的反射電平進行計算，選擇出駐波最大的位置，將天線接收功率進行有效計算，可以得到駐波大小是0.45dB，也可以得到反射電平數(shù)值為-25.12dB。

從具體測試測量分析，需要通過六個步驟完成測試。

（1）在微波暗室中設(shè)置固定的dipole 天線，但是需要關(guān)注到dipole 天線設(shè)置方向應(yīng)當(dāng)和測量天線對應(yīng)，將dipole 相位核心區(qū)域和測量天線核心區(qū)域進行正對。

（2）沿著移動路段對dipole 天線進行移動，需要記錄到1/8 波長時間的測量和接收天線的功率數(shù)值，其中移動路段是測量天線直射的方向，長度需要超過3/4波長，移動路段中心是微波暗室核心區(qū)域。

（3）測量過程所得到的功率數(shù)值使用201og（d）擬合，并且結(jié)合過程需要使用功率值減去離散駐波曲線，也要選擇駐波點最大的位置進行擬合，從而可以得到駐波峰值參數(shù)。

（4）對反射電平進行計算。

（5）對極化進行調(diào)整，將dipole 天線當(dāng)做測量天線的直射方向，并且順時針旋轉(zhuǎn)90°，對前四個步驟進行循環(huán)。

（6）對測量天線進行調(diào)整，對前面五個步驟進行循環(huán)，并且theta 方位上本身有很多個探頭的微波暗室需要對所有探頭進行測試，才能覆蓋全部區(qū)域。

3.2 有源測試方法

微波暗室反射電平測試主要是對接收天線功率變化大小和移動距離變化間的關(guān)系分析。要想確保其測量更為準(zhǔn)確，應(yīng)當(dāng)讓其處于自由無反射空間中，并且對傳輸路徑進行有效補償下，確保測量儀器收集到的信號穩(wěn)定。在以往使用無源測試方法過程中，使用矢量網(wǎng)絡(luò)對接收信號進行獲取。如果發(fā)射信號沒有產(chǎn)生變化，接收和發(fā)射信號進行的比值會產(chǎn)生變化。結(jié)合Friss 公式，二者比值數(shù)值大小和收發(fā)天線的增益有關(guān)系，頻率產(chǎn)生和兩個天線間的距離有關(guān)系。一般情況下，頻率和距離是可以知道的，就可以得到準(zhǔn)確的反射電平，這源于反射電平對收發(fā)天線增益形成了干擾導(dǎo)致二者比值產(chǎn)生變化。通過對二者比值波動就可以得到有效反射電平。無源測試方案往往得到的數(shù)值不夠精確，這源于線纜姿態(tài)產(chǎn)生變化對收發(fā)天線增益造成影響，增大二者比值波動程度。但是，如果使用有源測試方法，就可以有效滿足精確性，然而需要滿足三個條件才能實現(xiàn)。

（1）需要接受到準(zhǔn)確的功率變化數(shù)值；

（2）頻率和收發(fā)天線距離可知；

（3）在沒有反射干擾中，應(yīng)當(dāng)保障收發(fā)天線增益穩(wěn)定。

CTIA 在使用過程中，有SISIO OTA 測試作為兩個主要的設(shè)備射頻性測試項目，需要從靈敏度、總輻射功率兩個方面進行測試。總輻射功率可以有效體現(xiàn)輻射性能，也可以評價出最大的輻射數(shù)值。靈敏度可以對接收性能進行衡量，也可以體現(xiàn)出設(shè)備在三維空間的靈敏度分布程度，其結(jié)果和天線輻射方向有著密切關(guān)系。如果微波暗室存在電磁反射時，接收功率會隨著201og（d）進行線性變化。一旦微波暗室產(chǎn)生相應(yīng)電磁反射時，接收功率數(shù)值就會產(chǎn)生相應(yīng)變化，這就可以得到?jīng)]有反射狀態(tài)下的接收功率隨著移動距離的變化曲線。

在有源微波暗室反射電平測試過程中，和無源測試最大的不同是將靜區(qū)中存在的無源天線更換有源的無線輻射器件，也會將微波暗室測試系統(tǒng)更換為TRP 測試系統(tǒng) 。從具體測試分析，需要分為六步，才能對整個測試完成。

（1）構(gòu)建TRP 測試系統(tǒng)，將設(shè)備放置于微波暗室的轉(zhuǎn)臺上，并且需要使用夾具進行固定，也需要將設(shè)備和模擬基站進行連接，確保測試通路順暢。

（2）將測試設(shè)備功率調(diào)整到TRP 測試模式，利用模擬基站對接收功率進行獲取。

（3）對接收功率數(shù)值進行計算。

（4）結(jié)合極化及角度變化對前三個步驟進行循環(huán)，從而得到測試設(shè)備的輻射方向圖。

（5）在輻射方向圖上，應(yīng)當(dāng)明確最大角度將其作為后續(xù)反射電平測試的角度，也可以將其作為待測試角度。一旦這種幅度變化最大方向波動很大，需要對輻射方向進行更換，也需要設(shè)置補償值。并且，補償值應(yīng)當(dāng)是被測角度和方向圖間的差值。這種原理和標(biāo)準(zhǔn)測試中規(guī)定是相同的，補償方式?jīng)]有差異。

（6）將測試設(shè)備角度進行調(diào)整，讓其可以和微波暗室測量天線核心區(qū)域進行對應(yīng)，利用模擬基站對接收功率進行持續(xù)獲取，每隔20 秒可以得到數(shù)據(jù)100 次，讀取時間需要大于30 分鐘，且對數(shù)據(jù)進行記錄。但是，整個測試過程應(yīng)當(dāng)注意的是，因反射電平測試過程是需要對測試設(shè)備進行移動的，這就需要測試設(shè)備一直都是和測量天線進行對應(yīng)的。在選取方向圖幅度數(shù)值大小中，需要提供更大的容錯范圍，能夠避免測試設(shè)備沒有對準(zhǔn)產(chǎn)生的差異。此外，在最后步驟中，測試設(shè)備輻射功率需要選取穩(wěn)定的，波動程度不能大于0.1dB，才能更好保障整個測試結(jié)果的精確性。

4 結(jié)束語

微波暗室最為關(guān)鍵的功能是能夠形成沒有干擾電磁的測試環(huán)境，這對通信設(shè)備測試有著重大意義。并且，靜區(qū)性能測試是對微波暗室進行評價的主要指標(biāo)。通過對微波暗室進行使用，能夠利用發(fā)射率電平測量方法對反射率電平進行精確性的測量，從而可以衡量出微波暗室是否滿足工作要求。一般情況下，反射率電平數(shù)值越小越好，往往都是可以達到-35dB 反射率電平。因此，在實際使用過程中，應(yīng)當(dāng)對當(dāng)前微波暗室測量方法進行明確，了解各個測量方法的優(yōu)缺點，嚴(yán)格按照測量步驟進行操作，并且對其中存在的差異問題進行全面分析，逐步對發(fā)射率電平進行計算，有利于判斷出微波暗室的設(shè)計合理性。