微波暗室的设计准则【紧缩场暗室和3米法半电波暗室】
2015-12-28 10:50阅读：
微波暗室是进行天线参数测试及电磁波辐射、散射特性测试的理想场所。介绍了微波暗室设计的基本原理，给出了部分参数的选取准则，并分析了其原因。作为暗室建设的例子，详细介绍了一座紧缩场暗室的硬件构成及其测量控制和数据处理软件系统，并指出了其不足之处及改进思路。
随着以信息技术为代表的高新技术的迅猛发展和广泛应用，无论是军事还是民用领域都出现了对电磁测试的巨大需求，雷达、通信设备的天线参数和导弹及各种飞行目标电磁散射特性等，除了理论分析计算之外，更多的要依赖于实测数据进行验证和完善。
在自然环境中，要实现远场测试条件几乎是不可能的。微波暗室是一个能够屏蔽外界电磁干扰、
抑制内部电磁多路径反射干扰、对来波能够几乎全部吸收的电磁测量环境，是进行天线参数测试及电磁波辐射、散射特性测试的理想场所。它具有工作频带宽、信号电平稳定、易于保密、可全天候工作、不
受外界电磁环境干扰等一系列优点。而紧缩场是在较小的微波暗室里模拟远场的平面波电磁环境，利用常规的远场测试设备和方法，进行多项测量和研
究，如天线方向图测量、增益比较、雷达散射截面测量、微波成像等，同时可进行微波电路、元器件的网络参数测量和高频场仿真等。
频域测量只能给出天线系统关于频率的综合特 性，而无法判断或分离出其他因素对测量系数的影
响。如方向图测量中环境的反射、阻抗测量中的不连续性等。这对天线分析、诊断极为不利，时域测量可弥补这点不足。
国内外从事电磁产品开发和技术研究的多家公司及科研院所都建立了自己的暗室。有的是紧缩场暗室，有的是普通的电波暗室。美国科学亚特兰大
(SA)公司2090系列RCS测试系统可以提供室内 和室外两种情况的快速RCS测量，其中室内是一套
紧缩场测试装置。俄亥俄州立大学电子实验室安装 的RCS测量系统使用的也是Scientific
At
lantic的
紧缩场反射器，使用计算机控制测量过程和记录数
据，通过IEEE
488总线和发射、接收机及目标定位
系统相连[1]。北京海石花实业开发公司、深圳先声
科技发展有限公司等可以承接各种型号的电波暗室
建设项目，工作频段覆盖15MHz到40GHz。空军
工程大学导弹学院采取横向联合的方式开发建设，
于2001年底建成了一座大型微波暗室[2]。西安海
天天线科技股份有限公司、南京电子技术研究所、西
安恒达微波技术开发公司、航空工业规划设计研究
院等公司及科研院所都建有自己的暗室。北京航空
航天大学、中科院大连化学物理研究所等单位有专
门研究大型电波暗室理论的课题组。
2.微波暗室的设计准则
2．1微波暗室的结构
暗室的结构形式主要有以下几种：
其中，(a)全封闭矩形暗室，(b)全封闭锥形暗 室，(c)半开口矩形暗室，(d)半开口锥形暗室，(e)抬
高的半开口矩形暗室，(f)垂直方向开口的矩形暗 室。
矩形暗室的尺寸选择如图2所示，其长度L。由 下式确定：
L。一2D2／又+w／2+R1
其中，D为静区直径，W为暗室宽度，R，为发射天 线到墙的距离，通常有1m
当入射角口一70。时，宽度应满足W≥R／2．75。暗室的高度应该等于其宽度，以保证暗室的对称性，
从而降低交叉极化电平。矩形暗室结构简单、易于建设、通用性好，可进行双向多源或移动源测量。其
缺点是低频性能较差，建设成本高。
锥形暗室的尺寸选择如图3所示，其低频特性比 矩形暗室的要好(1GHz以下频段更为突出)。例如，
反射电平为一40dB时，矩形暗室的最低工作频率为
1GHz，而锥形暗室的工作频率可以低到30MHz。锥形暗室的顶角一般为26。左右。但锥形暗室不适合
双站RCS测量；由于空间传输损耗与自由空间的损 耗不同，在高频端只能用比较法测量天线的增益；它
的极化特性也较差。
2．2暗室设计的一般考虑
静区，是指暗室内受各种杂波(含反射、散射和 绕射波等)干扰最小且满足远区条件的测试区域。
静区的大小和形状与暗室的类型、工作频率、吸波材 料特性、要求的反射电平等因素有关。
频率范围，工作频率的下限取决于暗室的宽度 和吸波材料的厚度，上限由暗室的长度和静区决定。
反射率电平，定义为等效反射场与直接照射场 之比。而等效反射场是指室内反射、绕射和散射等
杂波的总干扰场。
交叉极化，是指电磁波在传输过程中产生的与 原极化特性相交的极化分量之大小，它表征了电磁
波的极化纯度。
多路径损耗的均匀特性，是指暗室内电磁波传 输路径损耗的不均匀特性，这对于圆极化天线的测
量尤为重要。
幅度的均匀性，是指源天线照射置于静区内的 待测天线时，孔径上场强振幅的不均匀程度。通常
要求静区横向幅值变化不超过土0．25dB，纵向幅值 变化不超过士2dB。
微波暗室性能的优劣除与设计是否合理有关 外，还与吸波材料的选择息息相关。吸波材料应具
有表面反射小、内部损耗大的特点，尽可能大地衰减 投射到其表面的电磁波。在暗室后墙、侧墙、地板和
天棚的前20个菲涅耳区应铺设性能较好的材料，而 其他次要部位可使用稍差的材料以节约成本。暗室
拐角处可采用小角度渐变过渡的方法减小反射[4]
3.紧缩场暗室
下面给出一个微波暗室的实例。AMCCC(Au— tomatic Measurement
and Calculation Collimator
Complex)是国防科技大学从俄罗斯引进的一套先 进的时域超宽带紧缩场测量系统。该系统利用一定
条件下的窄脉冲经切割抛物面反射器反射在近区形 成平面波这一特性，进行天线电气特性和目标RCS
的测量，并可以通过强大的计算软件进行逆合成孔 径雷达定位成像(RLI)。整套系统通过数字采样头
和相关控制输入／输出接口实现计算机自动测量与 控制‘51。 万方数据。
该系统的反射器包括一套校准仪器和自动聚焦系统；频带范围是50MHz～37．5GHz，静区尺寸为
2．5X2．5m*。PC接口采用IEEE-488或其它GPIB
协议标准。发射与接收辐射器分为五个频段。发射 机的主要部件是窄脉冲发生器，它可以产生频谱很
宽的ps(皮秒)级超短脉冲。超宽带采样接收机的 作用是接收被测目标返回的信号并进行高速采样，
把回波信息数字化以供PC处理，其采样过程与普 通高速采样示波器工作过程基本一致。PC及配套
软件控制整个系统的同步以及目标和天线平台的转
动、平移，同时完成数据处理和显示任务。
超宽带时域紧缩场原理框图如图4所示。系统
工作流程为：计算机程控转台和接收机，设置转台并形成同步脉冲给发射机。后者通过馈源发射短脉冲
到反射器；同时，稳相接收天线接收到探测信号进入 取样头的第二端口，校直反射器把球面波转换为平
面波，照射到目标。目标反射回波信号到反射器，经 接收机接收，再经超宽带放大器放大后进人取样头
的第一端口，并转换成数字码，存储在计算机中。接 收机形成下一个选通触发脉冲再次触发发射机，同
时，接收机每隔T+dt形成下一个探测脉冲(T为 脉冲重复周期，dt为取样间隔)，把取样头以后脉冲
的取样信号不断存人计算机RAM，直到测量结束， 计算机再设置目标的方位角并控制转台，测量结束
后再对数据进行处理。
在以上分析中，接收机传给PC的是一个窄脉 冲信号，要获得人们习惯使用的频域电气参量，需先
对采样信号进行快速傅立叶变换(FFT)，因此这是 一套时域测量系统。
本系统的测控软件由三部分组成，分别是主监 控程序、天线测量子程序、雷达目标特性测量子程
序。软件系统主要完成测量触发信号的产生、数据 采集和数据处理任务，是整个测量系统的重要组成
部分。主系统管理软件用来调整、管理和从采样接 收器采集的时域原始数据。本程序主要包含两类窗
口：DPMS控制程序主窗口和参数管理窗口。信号 图形窗口实时显示时域采样接收信号，用于直观监
视测量进程，确保测量的正常进行。参数管理窗口 包括扫描控制窗口、显示设置窗口、校准窗口、稳相
窗口、采集窗口和主控面板等，通过点击对应的菜单
或工具条命令，进行相关参量的设置。
天线特性测量子程序为测量天线的幅度方向 图、相位方向图、复增益和驻波系数而设计，其主界
面如图5所示。通过它可以设定天线测量的信号、 角度等参数，同时可对测量结果(如天线方向图)进
行多种样式(直角坐标、极坐标等)的可视化显示。 图6为绘图显示窗口之一。雷达目标特性测量子程
序的作用是进行雷达目标RCS测量、雷达定位成像
(RLI)以及不同目标谐振频率的计算。通过它可以获得频率响应与冲激响应、极化散射矩阵、目标散射
的幅度、相位方向图和目标成像。
该系统自投入运行以来，已经在教学与科研中 发挥了巨大的作用，完成了多种规格的天线特性的
测试任务，有力地推动了超宽带技术的相关研究，整 体运行状况良好。但也存在一些不足之处，比如有
时对ps(皮秒)级超短脉冲采样的稳定性和可重复 性无法保证；系统软件部分基于当时推出不久的
Windows 95操作系统编写，运行可靠性及计算精度
都有待于提高，且近年来计算机技术和数字信号处 理理论都有了长足的发展。鉴于此，对该系统进行
维护和改造，计划用Tektronix公司的高性能数字 采样示波器TDS8000B代替原系统采样头，基于
National Instruments公司的图形化虚拟仪器编程
语言LabVIEW重新编写测量控制及数据处理软件
及接口程序，充分发挥二者分别在硬件和软件编程方面的优势，相信可以使暗室的性能有较为明显的
提高。
4.
3米法半电波暗室建设涉及的几个方面
1.一般的暗室在建造时，都会涉及以下几个方面：
1.1.电波暗室的尺寸。你应该清楚你所要建造的暗室是标准10米法半电波暗室还是标准3米法半电波暗室或是根据你的场地要求定制尺寸的电波暗室；电波暗室是否要配套修建屏蔽的控制室及放大器室，它们各自的长、宽、高尺寸是多少，它们建造在暗室的哪个方向。
1.2.屏蔽门的类型、尺寸和数量。屏蔽门分单刀、双刀、三刀等不同类型，并有电动、气动和手动三种。你要根据你将来的被测设备和人员进出方便程度以及屏蔽门的屏蔽性能、耐用性、可靠性、易维护性等多方面综合考虑来选择它们。
1.3.屏蔽板的类型和连接方式。由于各暗室制造厂商用来建造暗室的屏蔽板类型不同，屏蔽板之间的连接方式和工艺也不相同。为了保证好的接触紧密性和电连续性，应该注意对他们选用的屏蔽板及屏蔽板之间的连接方式进行了解和比较。
1.4.屏蔽室屏蔽性能。应该让暗室制造厂商提供其电磁屏蔽室可以达到的具体的屏蔽性能指标（给出具体数值），其中应该包括不同频率段（从低频段到高频段）对磁场、电场、平面波、微波的屏蔽性能指标。
1.5.吸波材料。注意暗室制造厂商所采用的吸波材料的生产厂家和型号（包括铁氧体吸波材料和尖劈吸波材料）；注意吸波材料的组成结构及它的抗高温、高湿性能和阻燃性能；了解其长期使用是否易变形以及各种吸波材料在不同频带内的吸波性能，了解它们在暗室中的铺设方式和铺设位置及作用。
1.6.电源线和信号线滤波器。考虑好暗室将来要使用的电源类型和它们的最大功率，如测试设备、受试设备和辅助设备以及照明系统等是否要使用380V、220V、110V交流电压，是否有需要直流供电的测试和受试设备，它们的数量是多少，是否有特殊的测试设备和辅助设备需要特殊的滤波器等，这些都需要考虑周全，以便供应商提前准备好这些电源线和信号线滤波器。
1.7.信导板和波导通风窗。暗室内需要安装波导通风窗与排气扇或空调系统进行连接。注意波导通风窗的频段设计，其屏蔽性能要符合屏蔽室的屏蔽性能。信导板用来安装不能直接通过屏蔽墙体进行安装的端子或信号接口；信导板的安装数量、位置以及其上的端子的数量和类型要和测试设备供应厂商一起进行商讨来决定。
1.8.火情报警装置和照明设施。注意选择不会产生任何无线电干扰的照明设施；火情报警装置的安装应该不会影响暗室的性能。
1.9.暗室内的自动化装置。暗室内的自动化装置包括天线升降塔、转台和监测系统及可对它们进行控制的控制器。天线升降塔的选择要考虑生产厂家、型号及是否有安装天线的适配器，是否受到测试设备的支持（即与它相连接的测试设备的测试软件是否有支持它的驱动程序）；转台同样应该受到测试设备的支持并根据受试设备的大小来确定转台的尺寸及承载能力，同时要考虑转台的旋转角度和定位精度；监控系统包括安装在暗室中的摄像机和安放在控制室内的监视器，可根据实际使用情况来选择摄像机和监视器的数量，摄象机要选择可在宽的频率范围和高的场强下正常工作且不会产生射频干扰信号的机种，并将其安装在无饭射区域。
1.10.暗室的性能测试和保修培训。由于暗室不仅适用于EMC中的EMI测试，还可用于EMS中的辐射抗扰度测试。因此，暗室的性能检测要包括暗室屏蔽体建成后的屏蔽性能测试和暗室全部建造完成后的场地衰减测试和场均匀测试。这些测试要根据合同要求和国际上暗室建造验收的有关标准来进行。要选择有知名度的和经过权威机构认可的测试机构。暗室的保修和配套设备、部件的保修以及培训要写进合同中去。
4.信息技术设备测试用暗室需增加的功能
根据测试信息类设备的需求，需要在一般暗室所具有功能的基础上增加一些信息类设备专用接口。这些接口包括：标准显示器接口、并行打印接口、ＲＳ２３２串行通信接口、ＵＳＢ接口、ＰＳ／２接口、视频音频接口、ＩＥＥＥ４８８并行接口等。增加了这些接口，以后对这些接口设备进行单独测试就很方便，为区分和分析骚扰源以及隔离其他设备
5.暗室建造过程中需注意的问题
建造暗室是一个大的工程，需花费很大一笔经费，许多技术细节需要考虑，稍有不周，将带来人力、财力、物力上的损失，为今后的工作留下许多后患。根据我中心3米法半电波暗室的建造经验，需要在如下几个方面加以注意：
(1).技术标书的对比
合同签订前，要多找几个暗室建造厂商，对它们的技术标书进行仔细的对比，分别与他们就技术标书的内容进行细致的探讨和询问，对标书中的细节了解的越清楚越好。
(2)了解暗室建造厂商的实力
了解暗室建造厂商的背景和技术实力，让他们提供国内、国外暗室建造的实例，最好能到他们建好的同类暗室去实地进行考察。
(3).与提供测试设备的生产厂商的协调与配合
将来暗室中采用的测试设备生产厂家的确定，最好能在签订暗室建造合同之后。因为测试设备与暗室的设备有许多需要联结的地方，测试设备相关线缆的长短和辅助设备的摆放，信号导板上联结端子的数量和类型等都和暗室的设计密切相关。因此，暗室建造过程中一定要找齐测试设备生产厂家一起讨论相关技术和确定连接细节，协调好他们之间的关系，明确各自的责任。
(4).施工人员的经验和素质
现场施工人员的经验和素质也非常重要，经过培训的高素质的施工人员是建好暗室的重要保证。在每一阶段的施工过程中，要多注意查看屏蔽体连接处连接的紧密性和电气连接性，注意查看滤波器、屏蔽通道及信导板螺钉的紧固程度，这些都将影响暗室屏蔽腔体建好后屏蔽性能的好坏。粘贴铁氧体瓦时要注意保持屏蔽腔体的温度，注意检查粘贴铁氧体瓦用的胶是否刷的足够和均匀，防止将来铁氧体瓦片从屏蔽腔体上脱落，造成人身伤害。
(5)防火、防水及安全处理措施
暗室与安装暗室的建筑场地有绝缘层。因此千万要注意防水，否则绝缘层将被破坏。同时还要做好防火处理。为预防以外，防患于未然，最好与暗室厂协商，在暗室天花板上拉一个安全防护网，防止铁氧体瓦掉下，伤害人员和设施。
(6)最后的验收工作
暗室建造完成后，要注意督促暗室厂商与测试设备生产厂家一起完成测试设备与暗室设备的安装调试工作，使整个系统能够正常工作。要进行背景噪声的测试，满足合同的要求。要向暗室厂商索要暗室相关设备的使用说明书和相关设备、电源插座等的安装布置图（因它们大部分都安装在高架地板之下），作为将来查找和检修的依据。同时还应让暗室厂商多留些易损备件，让他们提供足够快的维修服务响应。
二.信息技术设备EMI测试技术实践
信息技术设备的EMI（电磁骚扰）测试包括两个方面：辐射骚扰和传导骚扰测试。辐射骚扰是在空间传播而传导骚扰则通过电源线向公共电网中传播。我国现行信息技术设备无线电骚扰测试标准是GB9254-1998，该标准等同采用国际标准CISPR
22，与欧洲标准EN 55022相同。
3米法半电波暗室和EMI测试技术是EMC测试中很重要的部分，它们即相互独立又相互关联。高标准高质量的检测环境（3米法电波暗室）和检测人员丰富的EMI检测经验，是提高EMC检测质量的重要因素。
