便攜式微波測(cè)試暗盒的設(shè)計(jì)

郭國(guó)君 申建華

摘要

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通服務(wù)，搭載北斗的導(dǎo)航終端數(shù)量實(shí)現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)而終端測(cè)試時(shí)，往往需要電磁環(huán)境純凈的微波暗室。暗室建設(shè)的數(shù)量限制了蓬勃發(fā)展的終端對(duì)無(wú)線測(cè)試的要求。本文設(shè)計(jì)仿真了一種便攜式微波測(cè)試暗盒，解決了導(dǎo)航終端日常調(diào)試時(shí)對(duì)無(wú)線測(cè)試的需求。本文設(shè)計(jì)的便攜式微波測(cè)試暗盒覆蓋頻段1GHz-3GHz，暗盒內(nèi)增益測(cè)試準(zhǔn)確度約2dB。

【關(guān)鍵詞】天線測(cè)試 微波暗箱 場(chǎng)分布 遠(yuǎn)場(chǎng)

2012年底北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通服務(wù)。在系統(tǒng)建設(shè)和市場(chǎng)應(yīng)用的雙重驅(qū)動(dòng)下，以用戶終端為核心的北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈正以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。產(chǎn)業(yè)主體涉及高校、研究所、大型軍工企業(yè)單位和高新技術(shù)民用企業(yè)等軍地各類單位，產(chǎn)品數(shù)量規(guī)模更是呈井噴式迅猛增長(zhǎng)。

專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)需要經(jīng)過(guò)計(jì)量的用戶批量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、入網(wǎng)認(rèn)證。建設(shè)一套定位終端測(cè)試系統(tǒng)費(fèi)用昂貴，且系統(tǒng)建設(shè)周期都比較長(zhǎng)。但廠家常規(guī)調(diào)試測(cè)試，沒(méi)有可能也不是必須要在專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試。因此需要研制一套小型的便于量產(chǎn)的用戶終端測(cè)試設(shè)備，其中最關(guān)鍵的設(shè)備為微波測(cè)試暗盒。該設(shè)備的研制使用戶終端的無(wú)線測(cè)試由大型微波暗室搬到常規(guī)調(diào)試平臺(tái)上。

1 工作原理

小型暗盒可搭配模擬源組成小型用戶機(jī)調(diào)試系統(tǒng)。小型暗盒的外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

小型暗盒主要由三部分組成：頂面及頂面天線、屏蔽盒體、測(cè)試底面。頂面及頂面天線為信號(hào)的發(fā)射面，主要采用標(biāo)準(zhǔn)天線將需要發(fā)射的信號(hào)發(fā)射到微波暗盒內(nèi)。屏蔽盒體主要由金屬屏蔽盒和內(nèi)部粘貼的吸波材料組成，保證測(cè)試不受外部干擾，同時(shí)內(nèi)部形成一個(gè)無(wú)反射的類自由空間。測(cè)試底面主要安裝被測(cè)試天線。

2 小型暗盒設(shè)計(jì)原則

2.1 近似遠(yuǎn)場(chǎng)輻射條件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)輻射條件可歸納為：2D²/λ。由于測(cè)試對(duì)象的天線口徑都比較小，天線口徑面積一般小于λ¹/2。應(yīng)用在暗盒內(nèi)的天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射距離應(yīng)不小于1v.需要注意的是，該輻射條件僅作用于一個(gè)天線。在本測(cè)試環(huán)境中同時(shí)存在發(fā)射天線、接收天線，因此天線間距離d滿足遠(yuǎn)場(chǎng)輻射條件時(shí)應(yīng)符合：

d>d_inc+d_rec≈2λ

因此設(shè)計(jì)暗盒尺寸在縱向上長(zhǎng)度至少保證2），即2*0.25m（最低工作頻率1.2GHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)），約0.5m。考慮到暗盒設(shè)計(jì)時(shí)其它設(shè)備對(duì)空間的占用，因此暗盒實(shí)際高度約0.6m比較合理。

2.2 優(yōu)化暗盒側(cè)面反射對(duì)輻射特性的影響

電磁波輻射到暗盒側(cè)壁上，由于稀薄材料的不理想性，導(dǎo)致部分電磁波被反射回暗盒內(nèi)部空間。并且，測(cè)量用天線的增益較低，波束一般都比較寬，這既降低了天線主波束方向?qū)Ω蓴_的抑制能力，又使得被反射回暗盒的干擾電磁波功率比較高。因此，暗盒側(cè)壁的反射電磁波將會(huì)是影響暗盒工作性能的重要因素。通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)的吸波材料，提高暗盒側(cè)壁對(duì)電磁波的吸收效率。

2.3 優(yōu)化暗盒底面散射對(duì)輻射特性的影響

暗盒底面處，即接收天線的安裝，會(huì)對(duì)發(fā)射天線輻射場(chǎng)產(chǎn)生一定的散射。這部分散射場(chǎng)不僅會(huì)改變天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向性，也會(huì)對(duì)發(fā)射天線的工作性能產(chǎn)生一定的干擾。要求暗盒底部側(cè)面具有一定的傾斜角度，約15°～30°。傾斜的側(cè)面會(huì)約束底面處的散射場(chǎng)的作用范圍，屏蔽其對(duì)發(fā)射天線工作性能的干擾。

3 小型暗箱設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

本文對(duì)暗盒進(jìn)行了準(zhǔn)確的建模仿真，通過(guò)設(shè)置暗盒模型中內(nèi)腔的深度、側(cè)壁的反射系數(shù)，對(duì)暗盒工作性能得到了更為清晰明確的認(rèn)識(shí)。仿真過(guò)程中，設(shè)置暗盒內(nèi)腔深度變化從100mm到600mm不等，暗盒截面尺寸直徑250mm。側(cè)壁反射系數(shù)-10dB，即側(cè)壁吸波材料吸收效率10dB。不同暗盒內(nèi)腔深度下的仿真結(jié)果如圖2所示，由于顯示原因，顯示結(jié)果為250mm*250mm的正方形區(qū)域，完全包括了暗盒的截面。

4 設(shè)計(jì)仿真結(jié)果分析

4.1 截面內(nèi)場(chǎng)分布波紋抖動(dòng)

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著暗盒深度的增加，截面內(nèi)電磁場(chǎng)波紋抖動(dòng)逐漸降低，具體抖動(dòng)數(shù)值如表1所示。從表1波紋抖動(dòng)數(shù)值明顯可以發(fā)現(xiàn)，波紋抖動(dòng)在近場(chǎng)范圍內(nèi)是比較劇烈的，而隨著截而深度的增加，波紋抖動(dòng)幅度快速下降，當(dāng)截面位置達(dá)到600mm以上時(shí)，波紋抖動(dòng)的變化基本趨于平緩狀態(tài)。必須指出的是，該仿真僅針對(duì)發(fā)射天線，由于實(shí)際測(cè)量過(guò)程中收發(fā)天線同時(shí)存在，根據(jù)我們的分析，最佳的暗盒長(zhǎng)度應(yīng)為二者之和，因此本方案采用大于600mm長(zhǎng)度暗盒是合理的，而且是必須的。

另外，從表1中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暗盒深度達(dá)到一定條件后，隨著暗盒深度的增加，波紋的抖動(dòng)幅度逐漸趨近于某一固定值，本仿真結(jié)果為3dB左右。不難理解，當(dāng)發(fā)射天線位于理想的自由空間內(nèi)時(shí)，距離發(fā)射天線足夠距離處的截面內(nèi)，其電磁場(chǎng)分布可看做是平面波，波紋抖動(dòng)可逼近0dB。因此，本次仿真得到的3dB抖動(dòng)為實(shí)際吸波材料的吸收效率不足，導(dǎo)致的反射波疊加在原入射波上，一定程度的改變了天線的輻射特性。這是因?yàn)椋ǔＧ闆r下，吸波材料的吸收效率不僅與材料的特性有關(guān)，與電磁波入射的方向也有較大的關(guān)系。暗盒使用過(guò)程中，電磁波的方向是任意的，因此吸波材料10dB的吸收效率難以得到充分的發(fā)揮。繼續(xù)提高吸波材料的吸收效率的收益也是逐漸下降的，而且成本則大幅上升。表2所示為15dB吸收效率時(shí)的不同暗盒深度的電場(chǎng)分布波紋抖動(dòng)，電場(chǎng)波紋抖動(dòng)優(yōu)化效果明顯。

4.2 接收天線口徑范圍內(nèi)的電場(chǎng)等效為平面波

仔細(xì)觀測(cè)圖2中隨深度變化的截面電場(chǎng)分布，可以發(fā)現(xiàn)隨距離的增加，截面中心處的電場(chǎng)分布平穩(wěn)度逐漸增加，而且該平穩(wěn)區(qū)域的面積也逐漸增加，在超過(guò)600mm后，該區(qū)域保持恒定。可以說(shuō)明，截而中心區(qū)域處一定范圍內(nèi)是可以實(shí)現(xiàn)等效的平面波入射的。仿真得到的該區(qū)域的大小約為70mm*50mm的區(qū)域（具體數(shù)值與發(fā)射天線形式選擇有關(guān)），但接收天線的實(shí)際有效口徑一般小于60mm*60mm@1.2GHz，因此該區(qū)域面積是基本能保證測(cè)量需求的。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，截面中心區(qū)域的波紋抖動(dòng)是比較低的，而且受吸波材料吸收效率的影響也比較小

5 結(jié)束語(yǔ)

最后，綜合前文的分析，針對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線暗盒，有如下結(jié)論：

（1）天線暗盒在600mm附近測(cè)試的效果是比較良好的;

（2）在截面中心區(qū)域處，可近似得到平面波入射的效果，區(qū)域面積基本覆蓋接收天線口徑，口徑面上的平面波波紋抖動(dòng)約0.5dB。

（3）綜合評(píng)估暗盒的測(cè)試效果，暗盒的天線增益測(cè)試準(zhǔn)確度約2dB左右。

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