微波暗室設計研究

易鳴鏑，王 迪

（北京環球信息應用開發中心，北京100094）

0 引 言

微波暗室，又稱電波無反射室或者吸波室。微波暗室是通過對來波盡可能多的吸收以提供一個能夠抑制內部電磁多路徑反射干擾、屏蔽外界電磁干擾的相對寂靜的電磁測量環境。近年來，隨著通信技術、仿真試驗技術、隱身技術以及各種電子戰武器裝備的發展，微波暗室受到普遍關注與重視，并廣泛應用于通信、雷達、微波技術、導彈、航空等領域。微波暗室可以節約人力、物力，縮短產品的試驗周期，具有明顯的經濟價值和社會意義［1，2］。

1 國內外微波暗室設計技術的發展

20世紀50年代初，美國麻省理工學院把微波吸納材料應用于輻射實驗室，從此微波暗室技術開始發展起來。在同一時期，美國海軍實驗室、德國哥廷根大學、瑞士郵電部等也建立了微波暗室。1958年，日本東京大學建立了日本第一個微波暗室，并發展迅速。

在國外，一般的微波暗室靜區反射率電平為－30 dB～－40 dB，可以滿足一般的微波工程試驗，但是有些精密實驗則要求－50 dB～－70 dB的反射率電平。美國加利福尼亞州火箭導彈中心的微波暗室的靜區可以達到－65 dB，前蘇聯也有－60 dB～－70 dB的微波暗室［3］。

微波暗室性能的好壞，在很大程度上受到微波吸納材料的性能的影響，美國和日本在微波吸納材料方面做了大量的研究。20世紀50年代初，微波吸納材料只有－20 dB的水平；但是到50年代末，就達到了－40 dB的水平；60年代中期，就有了吸納衰減可以達到－60 dB的材料。微波吸納材料的發展，為微波暗室設計提供了重要基礎。對于微波暗室的結構造型，研究人員也進行了很多研究，設計出矩形、錐形、橫向隔板形、縱向隔板形、孔徑形、半圓形等，通過不同的造型以達到提高微波暗室靜區的性能，從而提高測試精度。

雖然微波暗室的投資比較大，但是由于微波暗室可以大幅提高實驗精度，縮短實驗時間，各國仍然大力建造微波暗室。日本已經建立了幾十個微波暗室，美國則建立了400多個微波暗室。

我國早在20世紀60年代初期就開始了微波暗室的研究，但是由于發展過程比較曲折，目前與國外還有一定差距。60年代末，我國只有少量的微波暗室，并且性能也不高，只能適用于喇叭天線和天線單元的測試。從70年代末開始，為了滿足火箭、人造衛星、宇航技術等的需要，大連中山化工廠、南京14所等單位相繼研制了高性能吸納材料，吸收衰減可以達到－50 dB～－60 dB。目前，我國已經建立了80多個微波暗室，結構形狀以矩形、錐形為主，吸波材料主要選用尖劈形、橡膠圓錐形、角錐形等。南京14所的微波暗室，長26 m、寬18 m、高16 m，內部鋪設角錐形吸波材料，重要區域鋪設800 mm高的雙錐形吸波材料，其性能達到了較高水平［4，5］。此外，西安電子科技大學、南京航空航天大學、北京航空航天大學等單位也建立了微波暗室。

在微波暗室內進行的測量方法一般可以分為近場測量與遠場測量兩種。在距離天線口徑3到10個波長的距離進行的測量稱為近場測量，近場測量由于受到實時性等因素的制約，加上需要成本較高的專用配套測試系統，因而在應用上很受限制；在天線的輻射遠場區直接進行的測量稱為遠場測量，遠場測量由于簡單易行，并且測試系統的組建也比較方便，因此應用非常廣泛。

在菲涅爾過渡區，先要將此天線饋源在微波暗室里的離散測量值用初等函數精確擬合，再由專用程序定量求出過渡區CINRAD天線輻射場的方向圖，考慮到CINRAD的工作方式后進行預處理；得到某被測點由CINRAD電磁輻射造成的環境影響。

2 微波暗室設計的研究

2．1 微波暗室幾何大小的選擇

根據不同的實驗需要以及遠區場的條件，微波暗室的長度一般在數米到數十米。下面以比較常見的矩形微波暗室為例，說明微波暗室的幾何大小的選擇。

（1）微波暗室的長度選擇

通常根據被試驗物體的尺寸以及被使用的最高頻率來確定微波暗室的設計長度，因為這些因素決定了平面波照射的遠場特點。設兩天線之間的距離為R，被測物體的口徑為D，工作波長為λ，由于在天線口面上電磁波的最大相位差一般不應超過π／8，可以得出被測物體與發射源之間的最小距離滿足式（1）。設微波暗室的總長度為L，發射端與接收端到相鄰墻壁的距離分別為a、b，則微波暗室的總長滿足式（2）［6］。

（2）微波暗室的寬度與高度選擇

從已建造的微波暗室的現狀來看，暗室的長寬比一般都在3：1到2：1之間。微波暗室的寬度選擇要滿足鏡反射點在一定的范圍內，并使入射角限制在使反射能量處于所需要的精度上，由于吸波材料在入射角超過60°時性能會變差，為了盡可能有效地應用吸波材料，入射角一般小于60°，微波暗室的寬度W 一般應滿足式（3）［6］。

微波暗室的高度選擇與寬度選擇原則一致，為了減少較差極化分量的產生，降低通路損耗的不均勻性，微波暗室的高度一般與寬度相同或者相近。

2．2 屏蔽層的設計

為了防止能量泄漏以及外來電磁波的干擾，微波暗室除了在室內表面覆蓋吸波材料以外，還對暗室進行屏蔽隔離。屏蔽隔離一般是在吸波材料的背面貼上金屬薄板屏蔽層可以把未經吸波材料吸收的能量再反射回去，從而可以進行多次吸收，提高能量的吸收率。屏蔽層材料一般選用鋼板、銅板、銅網等材料［7］。

由于增加了屏蔽層，會對微波暗室的設計、成本、建造等方面提出新的要求。對于吸波材料的間隙也要求不能太大，否則會導致入射的電磁波未被吸波材料吸收而被屏蔽層反射回來，從而影響微波暗室的性能［8，9］。

屏蔽層的接地也是重要的考慮因素。接地電阻不能過大，否則會影響屏蔽效果。屏蔽層接地有單點接地與多點接地兩種形式，常用的是單點接地。另外，對屏蔽門、觀察窗、通風口等也需要認真設計，對所有進入微波暗室的電源以及相關設備儀器的地線，都應該采取濾波措施。

2．3 吸波材料的選用

吸波材料作為微波暗室的關鍵部分，主要用來減少或者消除微波的反射與散射。微波暗室的性能好壞在很大程度上取決于吸波材料的吸波性、形狀、厚度、頻帶特性、種類等。吸波材料的吸收率越高，則反射性越小，周圍環境也就越接近自由空間，微波暗室的作用效果也就越明顯。

吸波材料的性能可以用反射率電平、散射率電平、比吸收功率、工作頻率、允許的入射角范圍等五項電氣參數來評價。吸波材料的選用和設計一般按照微波暗室的設計要求進行，吸波材料可以選擇復合吸波材料與異形結構，以提高吸波效果［10，11］。

目前微波暗室主要采用微波、毫米波超寬帶微波吸波體。超寬帶吸波體一般采用多層結構，并選用楔形或者錐形，從而使入射波能量能夠逐步被吸收，材料一般選用碳、聚丙烯、聚乙烯等有機材料合成。

2．4 靜區的設計

微波暗室中反射信號低于直射信號某一技術指標的區域稱為靜區。在靜區中的內部或邊緣的任何一點，從天花板、墻壁、地板等反射回來的電磁波都小于到達該點的直射信號的某個指標值，比如－40 dB。衡量靜區性能的指標為靜度，可以由反射系數或者反射率電平來確定，如式（4）所示，靜度的單位為dB［2，9］。

式中，Emax＝ED＋ER；Emin＝ED－ER；ED為直射信號；ER為反射信號。

靜區的形狀有球形、圓柱形、正方形、長方形等。靜區的性能考慮主要包括靜區的位置、范圍、形狀等，而這些又取決于微波暗室的形狀、大小、被測物體的大小、工作頻率、以及吸波材料的性能等因素。在測量天線的輻射參數時，靜區就是滿足遠區條件的測試區，靜區的直徑d必須不小于待測天線的直徑，一般可以用式（5）來表示。

3 結 論

根據不同的實驗需要以及遠區場的條件，微波暗室的長度一般在數米到數十米。微波暗室的長度選擇通常根據被試驗物體的尺寸以及被使用的最高頻率來確定，暗室的長寬比一般都在3：1到2：1之間，微波暗室的高度選擇與寬度選擇原則一致，為了減少較差極化分量的產生，降低通路損耗的不均勻性，微波暗室的高度一般與寬度相同或者相近。

為了防止能量泄漏以及外來電磁波的干擾，微波暗室除了在室內表面覆蓋吸波材料以外，還對暗室進行屏蔽隔離。屏蔽層需要考慮屏蔽層的材料、結構、成本、接地等方面。

吸波材料作為微波暗室的關鍵部分，主要用來減少或者消除微波的反射與散射。吸波材料的性能可以用反射率電平、散射率電平、比吸收功率、工作頻率、允許的入射角范圍等五項電氣參數來評價。

衡量靜區性能的指標為靜度，可以由反射系數或者反射率電平來確定。

［1］ 秦 毅，藍朝良．暗室工程的概念設計［J］．電子信息對抗技術，2009，（1）：70－73．

［2］ 段榮春．微波暗室的設計［J］．大連海運學院學報，1992，（4）：360－364．

［3］ 趙 雷．微波暗室靜區反射率電平的設計仿真［D］．西安：西安電子科技大學，2006．

［4］ 董國華．微波暗室天線自動化測試系統及誤差分析［D］．南京：南京理工大學，2005．

［5］ 貢志鋒．微波暗室運動平臺系統設計［D］．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011．

［6］ 王光保．微波暗室的設計方法綜述［J］．戰術導彈技術，1980，（1）：35－42．

［7］ 劉鳳培．微波暗室屏蔽層接地的考慮［J］．航空電子技術，1996，（2）：33－36．