（通信与信息系统专业论文）微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究.pdf

微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究摘要 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究 摘要 近年来，随着无线通信应用的日益广泛，无线终端设备如手机的射频性能测试技 术也得到更多关注。手机射频性能的测试主要包括增益、t r p ( 总辐射功率) 、t i s ( 总 全向灵敏度) 等测试。这些测试离不开微波暗室的使用。本论文主要包括微波暗室静 区的确立，测试系统的测量不确定度评定以及t i s 快速测试技术的研究三个部分。 微波暗室的电性能中，静区反射电平是反映暗室性能好坏的最主要指标之一。静 区的反射率电平越小，暗室本身引入的测试误差越小，暗室的性能也越好。因此，为 了确保手机辐射性能测试系统的测试可靠性，本文首先使用几何光学法和几何绕射理 论对测试场地的静区性能进行了仿真和实际测试，并确立出不同条件下的静区范围， 确保被测手机处于静区之内。 在此基础上，本文介绍了微波暗室中手机增益、t r p 和t i s 自动化测试系统，分 别重点讨论了影响系统测量不确定的各种因素，并对主要影响因素如测试设备、连接 失配和环境条件等进行了定量计算。根据理论分析以及长期的测试经验对如何提高测 试数据的可靠性提出了建议。 同时，由于本暗室中利用蜂窝通信与互联网协会( c t i a ) 步进测试法编写的传统 t i s 测试系统测试效率低，对速度和精度都造成影响。本文根据大量的手动测试数据， 利用数据预测法提出了一种新的t i s 测试算法。经验证该法可以极大提高测试的效率 和稳定性，有较大的实用意义。 关键字：微波暗室；静区；自动化测试系统；不确定度；数据预测 作者：张丽 指导老师：郭辉萍 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so fm i c r o w a v ea n e c h o i c c h a m b e ra n di t sa u t o m a t i ct e s ts y s t e m s a b s t r a c t r e c e n t l y ，谢t 1 1t h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h e t e s t t e c h n i q u e so ft h er ft e r m i n a le q u i p m e n t ss u c ha s t h em o b i l ep h o n ea r ep a i dm o r e a t t e n t i o n s ，w h i c hm a i n l yi n c l u d et h et e s to fg a i n , t r pf r o mr a d i a t e dp o w e r ) a n dt i s ( t o t a li s o t r o p i cs e n s i t i v i t y ) t h e s et e s tp r o c e s s e ss h o u l db ci nt h em i c r o w a v ea n e c h o i c c h a m b e r s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h a m b e ri n f l u e n c ee n o r m o u s l yo nt h et e s tr e s u l t sf o r e q u i p m e n tu n d e rt e s t ( e u t ) t h i sp a p e ri n c l u d et h ee s t a b l i s h m e n to ft h eq u i e tz o n eo f m i c r o w a v ea n e c h o i cc h a m b e r , t h ee v a l u a t i o no ft h es y s t e m s m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t ya n d t h er e s e a r c ho ft i sf a s t - m e a s u r i n gt e c h n i q u e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r si st h er e f l e c t e dl e v e lo ft h eq u i e tz o n ea m o n g t h em i c r o w a v ea n e c h o i cc h a m b e re l e c t r i cp e r f o r m a n c e s i ti n d i c a t e st h ec h a m b e rs t a n do r f a l lt oag r e a te x t e n t t h es m a l l e rt h er e f l e c t e dl e v e l ，t h el e s st h em e a s u r e m e n te r r o r , a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec h a m b e rw i l lb eb e t t e r i no r d e rt oe n s u r et h em e a s u r e m e n t r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m st e s t i n gm o b i l ep h o n er a d i a t i o np e r f o r m a n c e ，t h ei m i t a t i o na n d t h e f i e l de x p e r i m e n t sf o rt h eq u i e tz o n ep e r f o r m a n c ea r ed o n eb yu s eo fg e o m e t r yo p t i c s m e t h o da n dg t d a n dt h eq u i e tz o n ea r e ai se s t a b l i s h e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h e n , t h em e t h o d se v a l u a t i n gt h em e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yo fg a i n , t r pa n dt i s a u t o m a t i ct e s ts y s t e m si na n e c h o i cc h a m b e r 骶s t u d i e d t h em a i nf a c t o r ss u c ha st h e a c c u r a c yo fe q u i p m e n t s ，c o n n e c t i n gm i s m a t c h , e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n sa r ed i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dl o n g t e r mm e a s u r e m e n te x p g r i e n c e ， t h eg u i d a n c ef o rt h ei m p r o v e m e n to fm e a s u r e m e n t r e l i a b i l i t yi sp r o v i d e d t h et r a d i t i o n a lt e s ts y s t e mf o rt i si s t i m e - c o n s u m i n gu s i n gt h es t e p p i n gt e s t t e c h n i q u eo fc e l l u l a rt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n t e m e ta s s o c i a t i o n ( c t i a ) o nt h eb a s i so f u 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究 a b s t r a c t t h ev a s tm a n u a lt e s td a t a , an e wm e t h o db a s e do nd a t ap r e d i c a t i o ni sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r t h et e s tm s m ts h o w st h em e t h o dp r e s e n t e dh e r ei sv a l i d a t e d t h ee f f i c i e n c ya n d s t a b i l i t yo ft h em e a s u r i n ga r ei m p r o v e d t h i sn e wm e t h o dh a sg r e a tv i s u a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a n e c h o i cc h a m b e r ；q u i e tz o n e ；a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ；u n c e r t a i n t ya n a l y s i s ； f a s t - m e a s u r i n gm e t h o d w r i t t e nb yz h a n gl i s u p e r v i s e db yg u oh u i p i n g i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：继豳 日 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：盗豳 e t 翩虢帮舡日 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和目的 随着无线电技术的迅速发展，各种无线通信业务被广泛应用，一些无线终端设备， 如手机正被越来越多的人使用。因此，对无线电管理工作者提出了新的要求。为了从 源头上保证正常使用，必须加强对无线终端设备的检测。 当前在终端设备射频特性测试中越来越关注整机辐射性能的测试【l 】，这种辐射性 能的测试可以反映最终的发射和接收性能。目前主要有两种方法对辐射性能进行考 察：无源测试和有源测试。 无源测试侧重从天线的增益、效率、方向图等辐射参数方面来考察天线的辐射性 能。无源测试虽然考虑了整机环境( 比如天线周围器件、开盖和闭盖) 对天线性能的 影响，但是无法直接得知天线与整机配合之后最终的发射功率和接收灵敏度如何，测 试数据不是很直观。 因此，还需要对终端设备的整机性能进行额外的测试f 2 】，包括对手机的发射性能 进行评估的总辐射功率( t r p ：t o t a lr a d i a t e dp o w e r ) 测试和对整个辐射球面手机接收 灵敏度进行评估的总全向灵敏度( t i s ：t o t a li s o t r o p i cs e n s i t i v i t y ) i 9 1 1 试，它们被称为有 源测试。o t a ( o v e rt h ea i r ) 测试就属于有源测试，正逐渐成为手机厂家认可的测试项 目。 手机的辐射性能和接收性能需要在特定的测试环境微波暗室中进行。为了向 研发机构提供准确的测试数据，首先需要保证测试场地的可靠性。因此，需要对微波 暗室的静区性能进行研究，分析影响静区性能的各个因素，确定出不同测试要求下的 静区范围，保证手机被测时处于静区之内。 同时，根据国家实验室认可标准g b 厂r 1 5 4 8 1 - 2 0 0 0 中5 4 6 的要求，实验室要对检测 项目的测量不确定度进行评定。测量不确定度是一个合理表征测量结果分散性【3 】的参 数，研究被测量真值最有可能出现的区间及真值出现在该区间的概率。长期以来，人 们不断追求以最佳方式估计被测量的值，科学合理地评价测量结果的质量高低。经典 误差理论是以统计学理论为基础，以静态测量误差为研究对象，以服从正态分布为主 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第一章绪论 的随机误差估计和数据处理方法为特征，用测量误差来表征测量结果的质量。测量误 差是指测量值与被测量真值之差，可用测量误差= 测得值一真值表示。用测量误差表 征测量结果，是相对真值而言的，但由于真值是相对的、理论的，导致完善确定该测 量误差比较困难，而且测量误差中包含的系统误差和随机误差这两种不同性质的误差 也难以综合表征。随着经济一体化，贸易全球化的进程加快，就要求各国所进行的测 量和所得的测量结果应具有统一的评定标准，以便能相互比对，取得承认和共识。 在这种情况下，测量不确定度【3 】便应运而生。1 9 7 3 年，j e b u m s 在误差与不确 定度一文中正式提出“不确定度一词。1 9 9 3 年，国际标准化组织等颁布了测量 不确定度表示指南，建立了在测量中评定和表达不确定度的一般规则，适用于不同 准确度要求的测量领域。我国技术规范琊1 0 5 9 1 9 9 9 测量不确定度评定与表示中，对 测量不确定度的评定也做出了规定。 因此，本文的研究目的是在研究测试场地微波暗室静区性能的基础上，对暗 室内各自动化测试系统的测量不确定度进行评定。同时，对测试系统进行改进，提高 测试系统的效率和适用范围。从而尽可能地提高测试数据可靠性，满足实际科研和生 产的需要。 1 2 国内外发展情况 无线电测试的场地微波暗室技术是上世纪5 0 年代初发展起来的【4 】。由于室 内测量比起室外测量的众多优点，微波暗室测量得到越来越大的普及。 我国在上世纪6 0 年代初就开始了微波吸波材料和暗室的研制，由于诸多因素， 受到了干扰和破坏。到目前为止，微波吸波材料性能与世界水平相比，还有一段差距。 由于近几年来无线通信应用的日益广泛，越来越多的人开始关注终端设备( 如手 机、g p s 导航仪、蓝牙) 的发射和接收特性。本校建成了一个8 米4 米幸3 5 米的微 波暗室。基于这个微波暗室开发了手机增益、总辐射功率( t r p ) 和总全向灵敏度( t i s ) 等测试系统。 蜂窝通信与互联网协会( c t i a ：c e l l u l a rt e l e c o m m u n i c a t i o n s a n di n t e r a c t a s s o c i a t i o n ) 从2 0 0 1 年开始制定认证程序和测试方法，目前已公布了第二版c 1 r i a 认证程序：手机空中特性测试计划，辐射射频功率和接收机性能。在c t i a 标准中， 对测量手机的辐射功率和接收灵敏度的测试条件和方法都做出了要求，并对测试系统 2 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第一章绪论 的不确定度分析进行了指导。 1 3 论文研究内容和结构 ( 1 ) 论文研究内容与特色 本论文的提出正是基于上述背景，希望能在微波暗室内自动化测试系统这一领域 完成一套相对完整的测量不确定评定，从而应用到实际的实验室检测和科研工作中 去。本课题主要研究微波暗室内的静区性能，同时介绍各种自动化测试系统，对系统 的不确定度进行评定，并且对t i s 测试系统进行完善，提高测试效率和测试准确度。 ( 2 ) 论文的组织结构 安排如下： 第一章：绪论。 介绍本论文的学术背景、结构、研究意义以及本文的主要工作。 第二章：微波暗室的分类和电性能。 介绍微波暗室的分类，讨论微波暗室的主要电性能，如静区、反射率电平等。最 后对暗室的设计和维护方法进行了叙述。 第三章：微波暗室反射率电平的仿真和实测。 主要对本校微波暗室的反射率电平进行仿真，确定不同条件下的静区范围。同时 对暗室反射率电平进行实测，比较并分析实测结果和仿真结果的差距。这些都是保证 暗室内自动化测试系统测量可靠性的基础。 第四章：微波暗室测试系统及其测量不确定度评定。 在介绍手机增益、t r p 、t i s 自动化测试系统的基础上，主要对3 个测试系统的 测量不确定度进行了评定，得出测试结果的置信区间。 第五章：基于数据预测的t i s 快速测试方法。 基于传统数据处理方法的t i s 测试系统测试时间长，而且不适用于所有手机，经 常出现死机和数据测试不准的情况，本文提出了一种基于数据预测的数据处理方法， 将其写入t i s 测试系统后，大大提高了测试的效率和准确度，保证了测试数据的可靠 性。 第六章：总结与展望 对论文的工作进行总结，并对未来需要做的研究做出展望。 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第二章微波暗室的分类和电性能 第二章微波暗室的分类和电性能 微波暗室是指由无线电吸收材料铺设内壁，以减少墙壁反射，其内部某一区域形 成一个接近“空间的无回波区，即“静区 的房间。在微波暗室里几乎可以进行所 有类型的无线电测试，实验时间比较短，且无论白天黑夜或者任何环境下都不受限制， 测量设备容易实现自动化，测量精度大大提高。 下面介绍一下微波暗室的分类和电性能，这样有助于我们更好地了解暗室。 2 1 微波暗室的分类 微波暗室在其发展过程中，曾出现过以下几种主要结构形式【5 1 ，如喇叭形、矩形、 锥形、纵向隔板形、横向隔板形、孔径形、半圆形、扇形与复合形等形状。每一种形 状的微波暗室都有其优点与不足。近年来，随着科学技术的发展，吸波材料性能的提 高，目前设计的微波暗室主要为矩形、锥形与喇叭形三种形状。 1 喇叭形微波暗室 喇叭形微波暗室的长处是，墙壁的表面积比同类矩形微波暗室小，使用吸波材料 也少等。缺点是使用时需准确调整发射天线的位置，使用空间小，被测物只能在一个 固定地方进行测量。在某种程度上喇叭形微波暗室固有的有效散射面比矩形微波暗室 大，因此其应用范围与发展受到限制。 2 锥形微波暗室 在低频时，由于锥形暗室发散的几何形状，避免了来自侧墙、地板和天花板大角 度镜面反射，因而低频特性比矩形暗室好。矩形暗室频率低到1 g i - i z ，反射电平可以 达到- 4 0 d b ，锥形暗室达到这个电平的频率却可以低到1 0 0 m h z ，实际使用频率可以 低至3 0 m h z 。 锥形微波暗室不仅低频特性好，而且由于室内的表面积小，吸波材料用量少，因 而造价相对矩形暗室低。但锥形暗室使用的条件受到限制，第一，由于空间传输损耗 与自由空间不一样，因而只能用比较法测量天线增益。第二，只能作单端测量，不适 合测量雷达散射截面。 3 矩形微波暗室 4 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第二章微波暗室的分类和电性能 矩形与锥形微波暗室在主要的电波传播方向特性、静区的性能等方面是相同的。 如图2 1 和图2 2 所示。矩形微波暗室能避免锥形微波暗室的某些缺点，它的通用性 较好，微波暗室的两端均好使用。另外，有些实验必须在矩形微波暗室中进行。例如， 电磁兼容性实验，电子战中的一些电子设备的环境模拟实验，隐身技术中雷达截面积 测试的有关研究与发射机位置需要多元实验等。 近年来，由于使用频率向高、低两端扩展，促进了矩形、锥形暗室的发展。 掣 众， t 么i 节 w 溏k d 一 上 静区 镜 ( a ) ( b ) 图2 - 1 微波暗室静区示意图 图2 2 微波暗室电磁波传播示意图 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第二章微波暗室的分类和电性能 微波暗室按用途分类，可分为天线系统实验室、电磁兼容性与整机系统实验室、 电子战系统设备的开发研究实验室、目标模拟与模型缩比实验室。 1 天线系统实验室 通常用来测量天线系统的有关性能。如用于测量天线的方向图振幅与相位、极化 性能、增益系数、辐射阻抗以及天线相互间的耦合与匹配，并确定其有关性质。除常 规的测试外，还可运用紧缩场与近场的方法来测量天线与天线罩的参数。 2 电磁兼容性与整机系统实验室 除用作天线系统、天线罩实验外，还可以进行电磁兼容性研究与整机系统的实验。 如传导干扰、辐射干扰、干扰灵敏度、有效辐射功率、有关定向系统的校准、传输随 动系统的误差等方面的实验。 3 电子战系统设备开发研究实验室 随着电子设备的发展，被用来进行电子对抗设备的实验与多种目标散射特性的测 量日趋增多。如美国格鲁门公司曾利用微波暗室研制出一种电子对抗设备。 4 目标模拟与模型缩比实验室【6 】 随着科学技术的发展，现在已将几何光学和电磁波绕射技术用于研究装在飞机上 的天线辐射模型，并先后在5 比例的航天飞机模型和彳1 比例的波音飞机模型上进 行实验。例如，频率在3 5 g h z 时进行实验，所得的结果与理论计算值( 如方向图) 是一致的。同时这样的实验在隐身技术的深入研究中也越来越受到重视与应用。 2 2 微波暗室的电性能 1 静区 静区是指暗室内杂散波( 含反射、散射和绕射波等) 干扰最小的区域【7 】，待测天 线通常就放在此区域内。静区的大小，除了与暗室的大小、工作频率、所用吸波材料 的电性能有关外，还与所要求的反射率电平、静区的形状及暗室的结构有关。对结构 对称、六面铺设相同吸波材料的暗室，静区呈柱状，轴线与暗室的纵轴一致。在测量 天线的辐射参数时，静区就是满足远区条件的测试区。静区的直径必须大于等于待测 天线的直径。估算静区直径d 的计算式如( 2 1 ) ，其中，为待测天线的直径，五为波长， 如图2 1 所示。 6 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第二章微波暗室的分类和电性能 d 丝 ( 2 1 ) 2 2 反射率电平【8 】 反射率电平定义为等效反射场和直射照射场之比。所谓等效反射场是指室内反 射、绕射和散射等杂散波的总干扰场。 暗室内任意点反射率电平的大小与吸波材料的特性、暗室的结构、收发天线的方 向性、工作频率、极化状态等多种特性有关，精确计算相当困难，因此一般通过实验 来测定。 反射电平是反映微波暗室性能好坏的最主要的指标之一。一般来说，静区反射电 平越低，暗室本身引入的测试误差越小，暗室的性能就越好。 3 交叉极化特性 交叉极化是指电磁波在暗室传输过程中，产生的与原极化分量相正交的极化分 量。通常用交叉极化分量和原极化分量的比值来表示暗室交叉极化的大小，比值的大 小反映了电磁波的极化纯度。为了保证一定的测试精度，该值一般应小于2 5 d b 。电 磁波的极化不纯通常是由于暗室几何尺寸不完全对称、吸波材料对各种极化波吸收性 能的不致引起的。 4 多路损耗均匀性 多路损耗均匀性是指暗室内电磁波传输路径损耗的不均匀特性，它会使电磁波的 极化方向发生旋转，这对圆极化天线的测量尤其重要。因为如果暗室内的路径损耗不 一样，则发射的虽然是圆极化波，但到接收后就变成椭圆极化波了，会给测量带来很 大的误差。这种不均匀性一般控制在o 2 5 d b 之内。 5 场强幅值均匀性 场强幅值均匀性是指源天线照射放置于静区内的待测天线时，孔径上场强振幅值 的不均匀程度。在暗室的静区，沿轴线移动待测天线，要求接收信号起伏不超过：t 2 d b ； 在静区的横截面上，水平和上下移动待测天线，要求接收信号起伏不超过0 2 5 d b 。 6 工作频率范围 工作频率的下限取决于暗室的宽度和材料的厚度，上限取决于暗室的长度和所允 许的静区“静度。 7 固有雷达截面性能 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第二章微波暗室的分类和电性能 微波暗室本身的雷达截面性能的好坏，对于开展隐身技术的研究很重要。它会影 响雷达、飞行器等各种目标的雷达截面性能的精度，因此对其有较高的要求。 2 3 微波暗室的设计 一个实用性好的微波暗室，不仅要有良好的电性能设计，而且也要进行相关的工 艺设计【9 1 。工艺设计的主要要求如下： 1 附属房间即配套实验间工作设施应齐全 2 微波暗室的门 微波暗室的屏蔽门对电磁波的泄漏要求不能低于某一值。其位置不要置于主反射 区。同时，门窗与门框要密封好，以确保电气连续的一致性，提高屏蔽效率。 3 微波暗室内设置移动被测体的转台、支架及相配套的导轨等，要求使用方便， 对电磁波的反射小。 4 微波暗室内的采光与照明 对照明灯具要注意降温及与吸波材料间的距离，防止火灾，最好使用冷光源。 5 微波暗室内的通风、除尘 微波暗室内必须进行通风，最好有独立的空调系统。在通风口与屏蔽层的交接处， 要设置专门的电磁波过滤器，该过滤器的每个开口尺寸是以使用的最高频率为依据进 行设计的。 6 电缆沟、走道与安全网罩等设计 7 火警消防系统 微波暗室内吸波材料是易燃物体，它在燃烧时释放的气体有毒性，人呼吸后容易 中毒。因此，必须分别采用烟火、温度、有害气体三种不同的报警装置及与之相配套 的消防措施。 8 视频传输系统 在暗室内布置监视器，视频信号通过专用光端机过壁传输到配属实验间。 可以看出，微波暗室的设计和维护是非常复杂的过程。在进行暗室的设计和建造 前，需要对其电性能要求有基本的了解，才能设计出性能较好的暗室。 图2 3 为本校无线辐射测试中心的微波暗室，尺寸为8 米( 长) 4 米( 宽) 3 5 米( 高) ， 适用工作频率为8 0 0 m h z 以上。本文中对于静区反射率电平的测试、静区范围的确立、 8 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 第三章暗室反射率电平的仿真和实测 为了了解暗室的静区性能，需要对暗室进行建模，仿真静区的反射率电平值，然 后在仿真计算的基础上再进行实测。仿真时一般都采用几何光学法，因为它计算简便， 而且计算结果比较准确，可以满足工程要求。 3 1 暗室的建模和能量计算 本中心8 米+ 4 米3 5 米的暗室结构图如图3 1 所示。 1 背 i 井 ： 反一 射 j - 面 图3 - 1 暗室结构俯视图 主 反 射 面 静区的反射率电平是指该处所有反射场合成e 与直射场e 的比值的对数，因此 要分析推导出直射场和各反射场的表达式。 电磁波在微波暗室中的传播现象是错综复杂的，当它投射到壁面上时，会产生反 射、绕射和散射，甚至多次反射现象。尖劈之类的吸波材料构成的壁面，绕射尤为严 重。这些反射波和直射波之间，不仅极化、相位和幅度不同，而且不同极化波每次反 射后极化方向的改变也可能不同。实际上微波暗室是一个复杂的多波干涉的有限空 间。 由推广费马原型l o 】知，绕射波束沿最短路程传播，其能量衰减很快。实践证明， 如果吸波材料性能良好，分布均匀、连续，并且壁面足够大时，则在空间中，除了一 次反射外，其它形式波束很微弱，似乎仅能在壁面附近形成复杂的杂波层，而传播到 离壁面较远处的波束，可认为主要是从菲涅尔区( 尤其是反射部位周围第一菲涅尔区) 1 0 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 来的反射。计算镜面反射场，一般采用几何光学法。 3 1 1 场分析 设在内壁铺设尖劈的长方体微波暗室内的a 点发射电磁波，这一球面电磁波分 三部分到达b 点：一部分是直接由a 点传到b 点，由于a b 间距离很大，所以到达 b 点的电磁波在能量上有一部分衰减。第二部分是由a 点发射的电磁波经过各尖劈 反射，其中一部分在反射过程中被吸波材料制成的尖劈吸收掉，另一部分反射到b 点，此时能量发生衰减。第三部分是由a 点发射的电磁波经各尖劈顶点和边缘发生 绕射，最终绕射电磁波达到b 。这样，b 点总电磁波是由上述三种叠加而成的，我们 通过对上述三种方式叠加的计算，可以求出满足4 = l g 争小于某个规定值，如- 3 0 d b ， 3 5 d b 等，即构成不同精度要求下的静区范围。 ( 1 ) 直射场 设静区内的任意一点p 点处的直射电场有两个分量易和e ，对于相位中心在原 点( 阵面中心点) ，沿y 轴放置的电偶极子【l l 】如图3 2 所示，其辐射场为： 己：一譬翮，兰 c 0 s 弧n 纸 ( 3 1 ) 4 万 l ， 9 、 7 云，= 一j 4 n 万r l ul d , f l e - ，# j c 。s 妒句 ( 3 - 2 ) 4 万 i ， j ， 、 图3 2 电偶极子的辐射 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 对于朝向z 轴放置的角锥喇叭天线【1 1 】来说，其辐射场为： e = 0( 3 - 3 ) 纠等獬( 半) 2s m ( 半) ( 半丁1 ， 纠等q 砬毛( 半) 2c o s ( 半) ( 1 - ( 半) 2 - 1 p 5 ， 其中d l 、d 2 为矩形口面的尺寸，k 为自由空间相移常数： k：2霄(3-6) 在p 点的直射电场可以表示成如下的形式： e d = 岛d 匆+ 句 ( 3 7 ) 式中下标d 表示为直射场，上式可以写成如下的直角坐标形式： e s = 如屯+ a ，+ 易屯( 3 - 8 ) 式中： k ( ，0 ，# ) = c o s o c o s # e o d s i n # e ( 3 9 ) r ，0 ，) = c o s o s i n # e e # + c o s 妒 ( 3 1 0 ) lr ，0 ，) = - s i n o e 鲥( 3 1 1 ) 所以，直射场幅度易可以表示为： ( 3 1 2 ) ( 2 ) 反射场 设a 点发射电磁波传播达到尖劈处，在尖劈表面发生发射和折射，反射点的位 置在以尖劈面为对称面的镜象点彳与接收点b 的连线与尖劈面的交点处，c 即为反 射点。按此方法，若彳b 连线与尖劈面没有交点，说明由a 点反射的电磁波经尖劈反 射后对b 点没有贡献，即反射电磁波达不到b 点。如图3 3 所示。 1 2 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究 第三章暗室反射率电平的仿真和实测 b a 图3 - 3 反射点的选取 当电磁波在两尖劈间反射时，假设电磁波由a 点发出，经第m 个尖劈反射到第 m 一1 个尖劈上，经第m 一1 个尖劈的反射传到接收点b 上。如图3 - 4 所示。 图3 - 4 两尖劈间的反射 设尖劈高度为h ，顶角为2 口，a 、b 相距为l ，a c 距离为a 。假设，a 点发出的 电磁波在第m 个尖劈d p 面f 点处发生反射。入射角为谚，反射电磁波与第m - 1 个 尖劈d 7 p 面的s 点发生反射，入射角为，反射波能够达到b 点。 经过公式推导( 附录) ，可以算出经反射后到达b 点的二次反射场面；为： 乏；：否：孵p 一弦嬲 ( 3 1 3 ) 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 其中彭= 瓦码p 一弦脚p 一膨铲，而瓦为a 点发射电磁波；m l 尖劈的p d 面上的二次 反射系数r；：rcosy2-rocosfl；m尖劈的pd面上反射系数尺j：rcosyl-r0c o s e , 。 “ r c o s 儿+ c o s pr c o s 乃+ c o s e , 有时候，当电磁波在两尖劈间发生反射时，还会发生多次反射现象。由于当反射 次数较多时，吸波材料使电磁波的反射能量衰减较快，所以一般将多次反射对b 点 的贡献近似看成零。 ( 3 ) 绕射场 当几何光学射线遇到物体的不连续性，例如边缘、尖顶和其它不连续点时，将产 生它所不能进的阴影区。按照几何光学理论，阴影区的场应等于零，但实际上阴影区 的场并不等于零，这是由绕射现象造成的，可以由几何绕射理论【1 0 】来解释。在边缘绕 射、尖端绕射和曲面绕射中，强度较强的是边缘绕射。 对绕射的研究最早是从研究边缘绕射现象开始的，并归结出了边缘绕射定律。该 定律认为：边缘绕射线与边缘的夹角等于相应的入射线与边缘的夹角。入射线与绕射 线分别位于绕射点与边缘垂直的平面的两侧，或者在同一平面上。一条入射线将激起 无穷多条绕射线，它们都位于一个以绕射点为顶点的圆锥面上。圆锥轴就是绕射点的 边缘的切线，圆锥的半顶角就等于入射线与边缘切线的夹角，如图3 - 5 ( a ) 所示。当入 射线与边缘垂直时，圆锥面退化为与边缘垂直的平面圆盘，如图3 5 ( b ) 所示。 入 图3 - 5 边缘绕射 1 4 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 边缘绕射波场强的计算公式为【1 0 1 ： 昧= 目d p 啪( 3 1 4 ) 其中，e d 为入射到绕射边缘的直射场，d 为边缘绕射系数，r 为绕射点至绕射场的距 离。，- 2 表示边缘绕射波是柱面波。绕射系数d 可按下式进行计算： 。= 意 ( c 0 s 蝌( c o s 竽) p 均 式中和矽的含意见图3 - 6 。中的“一号表示入射波电矢量与边缘平行，称为电 极化边缘绕射系数；取“+ 号表示入射波磁矢量与边缘平行，称为磁极化边缘绕射 系数。在具体计算时，根据发射天线的极化来确定正负号的选择。如果不知道发射天 线的极化，应该对“+ 和“一 两种情况都进行计算。根据计算结果采取保守原则 选取正负号。 图3 - 6 尖劈边缘绕射图 3 1 2 吸波材料及其反射率计算 当吸波材料敷设在暗室的墙壁上，可吸收入射波的电磁能量而减小反射电平，从 而达到静化静区的目的。 由于吸波材料为角锥状，则电磁波无论以平行极化或者垂直极化入射到吸波材料 上时，总会有两个面处于平行极化的斜入射状态，另外两个面则处于垂直极化状态。 在斜入射情况下，垂直极化的界面反射一般都比平行极化大1 2 】。并且在两种极化都存 在的情况下，总的反射系数值处于仅有平行极化与仅有垂直极化情况时的反射系数之 间，而且比较接近于仅有垂直极化时的值。因此，为了简便起见，在本文的分析和仿 真中都只讨论垂直极化时的情况。 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 一般而言，无论是国内还是国外的吸波材料，它们的吸波性能对垂直入射的电磁 波吸收最强，并且随频率的升高吸收性能更好【1 3 】。但是当电磁波斜入射到吸波材料的 表面时，随着入射角的增大，吸波性能下降，即反射率变大。而一般吸波材料只给出 了垂直入射和入射角为6 0 。时的反射率值【1 4 1 。因此还需要分析出其它入射角时的反射 率值。 以往人们常采用线性插值法对各个角度的反射率值进行估算，由于在大多数情况 下，电磁波都是以斜入射的方式照射在吸波材料上，这样就会在分析计算静区电平时 引入较大的误差。特别是当静区指标较高时，这种误差会直接影响暗室电性能的设计。 当电磁波入射到两种媒介的分界面时，会产生反射和透射现象，如图3 7 所示。 分界面 1 媒质心 媒质2 图3 7 电磁波入射示意图 r ：譬 ( 3 - 1 6 ) 最 、7 其中e 为反射波电场；巨为入射波电场。( 3 - 1 6 ) 中的比值可用菲涅尔公式求得。当入 射波的电场矢量巨垂直入射平面时，相应的菲涅尔公式为： 旦c o s 秒一旦c o s 岔 肚鲁2 瓮磊纭 p 聊 互旦c o s 秒+ 旦c o s 岔 。 1 6 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 式中啊和以。分别为的折射系数和相对磁导率，在此取媒质1 为空气，因此= 1 ， 纬。= l 。他和一2 分别为媒质2 即吸波材料的折射系数和相对磁导率，口和护，分别为 入射角和折射角。利用三角函数公式： c o s # , = ，j l - s i n 2 ( 3 - 1 8 ) 由斯奈尔定律： s i n o , = - - - s i n 8( 3 1 9 ) ，1 2 将( 3 1 8 ) 和( 3 - 1 9 ) 代x , ( 3 1 7 ) ，并将啊= 所l = 1 ，同时把他记为刀，以2 记为。得： r = 对均匀媒质而言有： 刀= 厉 式中s 为相对介电常数。将( 3 2 1 ) 代入( 3 2 0 ) 得： r =删一层届丽 ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 上式即为吸波材料表面反射系数r 与入射角p 之间的函数关系。上式取对数得： r = 2 0 l o g 础一居西砺 ( 3 2 3 ) 因此，只要知道吸波材料的介电常数占和磁导率，就可得出任意入射角情况下 的反射系数。然而在暗室的设计初期，吸波材料还没有确定，占和都是未知的。因 此可以在( 3 2 3 ) 的基础上，依据吸波材料的指标参数导出下面便于计算的经验公式： 1 7 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 r = - 2 0 + 2 0 0 l g f 1一一coso-、1-094sin2 ol ( 3 - 2 4 ) ic o s l 9 + 1 o 9 4 s i n 2 口j 上式是根据生产产家提供的吸波材料在1g i - i z 情况下，垂直入射和6 0 。角入射时 的反射率计算出来的，其中在垂直入射时的反射率为2 0 d b ，在6 0 。入射时为1 8 d b 。 当频率大于2 g h z 时，大多数吸波材料都具有这种特性。 3 1 3 建模和仿真分析 由于暗室环境的复杂，在仿真时需要作以下几点的假设： ( 1 ) 由于吸波材料的存在，二次或更高次的反射变得很小，不予考虑； ( 2 ) 对于某个面上的入射场，可以分解成x ，y ，z 三个分量，认为切向分量相位改 变1 8 0 。，法向分量相位不改变【1 4 】； ( 3 ) 接收点处于天线辐射场的远区。 下面对暗室进行建模，如图3 8 所示。本文中所仿真和测试的暗室尺寸为长l = 8 米，宽w = 4 米，高h = 4 米。认为发射的角锥喇叭天线位于坐标原点( 0 ，o ，o ) 。 图3 - 8 微波暗室模型 共对以下几种情况进行仿真： ( 1 ) 发射天线为电偶极子，f = 8 8 0 m h z ，y = 0 平面的反射率电平i ( 2 ) 发射天线为电 偶极子，f = - 8 8 0 m h z ，y = 0 2 平面的反射率电平；( 3 ) 发射天线为喇叭天线，f = - 8 8 0 m h z ， ) ，= 0 平面的反射率电平；( 4 ) 发射天线为喇叭天线，f = - 8 8 0 m h z ，y - - 0 2 平面的反射率电 1 8 话渡暗室萁自动化试系统的日靠性研究第= 章镕室反射率电平的仿真和实测 平：( 5 ) 发射天线为电偶极子，f = 9 6 0 m h z ，y = 0 平面的反射率电平：( 6 ) 发射天线为喇 叭天线，f = 9 6 0 m h z ，y = 0 平面的反射率电平。( 7 ) 发射天线为电偶极子，f = - i7 1 g h z ， y = 0 平面的反射率电平；( 8 ) 发射天线为喇叭天线，f = l7 1 g h z ，y = 0 平面的反射率电 平。 3 2 反射率电平的仿真结果 以上8 种情况下的反射率电平值分别如图3 - 9 至图3 - 1 6 所示。 图3 1 0f = - 8 8 0 m h z ，y = 02 ( 电偶极子) 可以得出：当发射天线为电偶极子t 在f - 9 8 0 m h z 情况下，y = 0 平面内的反射率 电平优- 于- 2 42 7 d b ， y - 02 平面内的反射率电平优于一2 37 5 d b 。 毒啼 。、 _ _ 。2 o 。 、石 耳时，由( 3 2 5 ) - 求得。当易 巨时，由( 3 - 2 6 ) 求得。由于直 射场e d 随天线的移动有规律的变化，而e ，为无规律的变化，所以在某个取向角上， 如果实测驻波曲线的平均值出现无规律的变化时，就能判定易 e 。或者在这个取 向角上，假定驻波曲线的平均电平比在该取向角上方向图的电平高，也能判定 e d e r o 刚枷g 堕1 0 o + 1 p 2 5 ， 刚枷g 螺 p 2 6 ， 微波暗室及其自动化测试系统的可靠性研究第三章暗室反射率电平的仿真和实测 表3 3 暗室反射率电平实测值 侧墙反射率电平( d b )后墙反射率电平( d b ) 灏率 8 8 09 6 01 7 1 0频率8 8 09 6 01 7 1 0频率8 8 09 6 01 7 l o 角藤角酞角趴 03 1 53 1 93 2 12 7 0- 4 7 4- 4 3 64 1 39 03 9 83 4 33 3 9 1 53 2 2 3 1 23 2 6 2 8 53 2 0 3 2 53 2 4 1