吸波材料反射率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法

楊金濤，馬永光，尚柱岡

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100854）

引言

吸波材料通常由基體材料和具有吸收作用的介質(zhì)材料復(fù)合而成，能夠?qū)⑼渡涞剿砻娴碾姶挪芰课眨⑼ㄟ^(guò)材料的介質(zhì)損耗使電磁波能量轉(zhuǎn)化成為熱能或其他形式的能量。吸波材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中并不是單獨(dú)使用的，而是裝貼在屏蔽室或微波暗室的整面墻上或天花板上，用以控制電磁波的多路徑反射[1]。對(duì)于常見的天線測(cè)試以及和微波測(cè)試相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目，大多數(shù)都是在微波暗室或屏蔽室內(nèi)完成的，一般為了使微波暗室的測(cè)試環(huán)境能夠滿足實(shí)際測(cè)試和使用的要求，需要在微波暗室所有的墻面上均貼上吸波材料，以消除或減少電磁波的反射，因此在建造微波暗室或建成驗(yàn)收時(shí)需要對(duì)裝貼在墻面上的吸波材料進(jìn)行性能的測(cè)試和評(píng)估，但是吸波材料制造廠家一般給出的吸波材料的反射率，大多數(shù)只是單獨(dú)針對(duì)吸波材料進(jìn)行的測(cè)試，而將吸波材料全部安裝在屏蔽室內(nèi)，構(gòu)成微波暗室后的吸波材料的反射率并未給出，也就是說(shuō)，廠家給出的吸波材料的反射率只能僅供參考，并不代表實(shí)際安裝在微波暗室中的吸波材料的反射率。

隨著近年來(lái)微波暗室的快速發(fā)展，例如比較特殊的球面近場(chǎng)微波暗室及天線系統(tǒng)測(cè)試微波暗室，現(xiàn)在正逐步的開始評(píng)估微波暗室中所用吸波材料在實(shí)際使用環(huán)境條件下的反射率。再加上吸波材料反射率常見的測(cè)量方法都不能滿足已經(jīng)將吸波材料安裝在暗室的墻壁內(nèi)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量吸波材料反射率的要求，因此本文主要討論針對(duì)已經(jīng)將吸波材料安裝在暗室的墻壁內(nèi)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量吸波材料反射率的方法。

1 測(cè)量原理

吸波材料的反射率是表示吸波材料性能好壞的重要指標(biāo)之一，通常用來(lái)衡量吸波材料的吸波性能。吸波材料反射率的定義為，當(dāng)具有一定頻率和極化方向的電磁波以一定的角度入射時(shí)，吸波材料的反射功率與相同尺寸的金屬平板的反射功率之比定義為該吸波材料的反射率[2]。

對(duì)于微波暗室中的吸波材料，由于其反射的回波能量很弱，因此通過(guò)在微波暗室被測(cè)墻壁安裝吸波材料的前端固定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的金屬板對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)后，分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)金屬板的反射功率Pm和移走標(biāo)準(zhǔn)金屬板后安裝在墻壁上的吸波材料的反射功率Pa，按式(1)計(jì)算被測(cè)墻壁上吸波材料的反射率Γ。

式中：Γ是吸波材料反射率；Pa是被測(cè)墻壁吸波材料反射功率，W；Pm是標(biāo)準(zhǔn)金屬板的反射功率，W。

若以dB為單位表示，則反射率的計(jì)算見式(2) 。

其測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 吸波材料反射率測(cè)量原理圖

2 測(cè)量方法

測(cè)量時(shí)，用激光儀跟蹤測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)金屬板和收發(fā)天線的位置，使標(biāo)準(zhǔn)金屬板面豎直正對(duì)收發(fā)天線放置，此時(shí)的收發(fā)天線的口面需要保持豎直，并且收發(fā)天線的口面法線和標(biāo)準(zhǔn)金屬板的法線要保持平行[3]。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射信號(hào)，將通過(guò)掃頻得到標(biāo)準(zhǔn)金屬板的頻域響應(yīng)，通過(guò)矢量 網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域測(cè)量功能，將其變換到時(shí)域，再選合適的門函數(shù)，找到標(biāo)準(zhǔn)金屬板反射的峰值位置，選擇合適的時(shí)域門限值截取最大的峰值后，反變換回頻域即為標(biāo)準(zhǔn)金屬板的反射值，記錄為S21-標(biāo)準(zhǔn)金屬板。

然后移走標(biāo)準(zhǔn)金屬板，使收發(fā)天線正對(duì)被測(cè)墻面的吸波材料，同樣采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射信號(hào)，將通過(guò)掃頻得到吸波材料的頻域響應(yīng)，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域測(cè)量功能，將其變換到時(shí)域，選取剛才標(biāo)準(zhǔn)金屬板時(shí)域頻響時(shí)的時(shí)域門限值，反變換回頻域即為吸波材料的反射值，記錄為S21-吸波材料。

其實(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀并不存在實(shí)際的時(shí)域測(cè)試，而是通過(guò)對(duì)頻域的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線作傅里葉反變換得到時(shí)域的數(shù)據(jù)曲線，對(duì)時(shí)域的數(shù)據(jù)曲線加時(shí)域門，可以濾除收發(fā)天線之間的耦合及微波暗室環(huán)境中不必要的反射，再將加時(shí)域門后的時(shí)域數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行傅里葉變換從而得到較為準(zhǔn)確的頻域數(shù)據(jù)曲線[4]。

根據(jù)反射值的兩次測(cè)量結(jié)果按式(3)計(jì)算吸波材料反射率：

式中：Γ是吸波材料反射率，dB；S21-吸波材料是被測(cè)墻壁吸波材料反射值，dB；S21-標(biāo)準(zhǔn)金屬板是標(biāo)準(zhǔn)金屬板的反射值，dB。

具體的測(cè)試步驟如下：

1）用激光儀跟蹤測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)金屬板和收發(fā)天線的位置，使標(biāo)準(zhǔn)金屬板面豎直正對(duì)收發(fā)天線放置，此時(shí)的收發(fā)天線的口面需要保持豎直，并且收發(fā)天線的口面法線和標(biāo)準(zhǔn)金屬板的法線要保持平行；

2）選擇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量參數(shù)為S21，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射功率，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)金屬板的頻域響應(yīng)，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域功能，將頻域響應(yīng)變換到時(shí)域；

3）選取合適的門函數(shù)，找到標(biāo)準(zhǔn)金屬板反射的峰值位置，選擇合適的時(shí)域門限值截取最大的峰值之后，反變換回頻域，記錄此時(shí)的時(shí)域門限值；

4）將加時(shí)域門的頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)data存儲(chǔ)到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的寄存器memory中；

5）移走標(biāo)準(zhǔn)金屬板，使收發(fā)天線正對(duì)被測(cè)墻面的吸波材料，測(cè)量吸波材料的頻域響應(yīng)，再利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域功能，將頻域響應(yīng)變換到時(shí)域，選取剛才標(biāo)準(zhǔn)金屬板記錄的時(shí)間門限，反變換回頻域；

6）利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的data-memory功能進(jìn)行計(jì)算，即可得出被測(cè)墻面上吸波材料的反射率Γ。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

下面給出了在某單位的微波暗室內(nèi)進(jìn)行的吸波材料反射率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，其中天線為水平極化，測(cè)量頻率范圍為12GHz～18GHz，垂直入射，發(fā)射功率為10dBm，發(fā)射天線采用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線。

其中，吸波材料現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量布置圖如圖2所示，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

該測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，該面墻上安裝的吸波材料樣品的反射率大部分在-60dB以下，測(cè)量數(shù)據(jù)與廠家的指標(biāo)略有差異，滿足微波暗室使用方對(duì)吸波材料反射率的使用要求。

圖2 吸波材料反射率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量布置圖

圖3 吸波材料反射率測(cè)量曲線

4 結(jié)論

吸波材料反射率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法主要利用了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域門測(cè)量功能，對(duì)時(shí)域的數(shù)據(jù)曲線加時(shí)域門，通過(guò)濾除收發(fā)天線之間的耦合及微波暗室環(huán)境中不必要的反射，可以完成吸波材料反射率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。在實(shí)際的應(yīng)用測(cè)量過(guò)程中，還應(yīng)根據(jù)測(cè)試的不同頻率范圍，需要合理的設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域門限值，從而得到較為準(zhǔn)確的頻域數(shù)據(jù)曲線。同時(shí)在擺放標(biāo)準(zhǔn)金屬板時(shí)應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)金屬板的法向與收發(fā)天線口面的法向平行，否則，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]景莘慧, 蔣全興. 電波暗室用吸波材料反射系數(shù)的測(cè)試方法[J]. 測(cè)試與測(cè)量, 2002(5) : 1-3.

[2]程啟煒, 張麟兮. 吸波材料特性的測(cè)試及其改進(jìn)[J]. 電子測(cè)量技術(shù). 2007,30(9):25-27.

[3]郭芳, 胡楚鋒, 李南京. 雷達(dá)吸波材料反射率遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2007,15(7):931-932.

[4]白莉萍. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中時(shí)域測(cè)試功能的應(yīng)用[J]. 機(jī)械與電子, 2009(15):484-485.