射频仿真暗室静区性能测量与优化*

(解放军63880部队,河南 洛阳 471003)

1 引 言

随着射频仿真技术的不断发展和军民用装备系统研制、生产、试验鉴定的需要，射频仿真以其经济、方便、用途广等特点，在国内外军事领域得到了广泛的应用。在评价射频仿真暗室性能的各项指标中以静区反射电平性能最为重要，实际应用中也都是以实际测试得到的静区反射电平作为评价暗室性能和仿真试验结果评定的依据。为确保静区性能，在暗室建造和应用时常常采用静区轴线与暗室纵轴重合的设计。本文主要针对静区位置为未与暗室纵轴重合的某射频仿真暗室，阐述了暗室静区性能测试方案，并将实测数据与仿真结果进行了详细比对。分析发现实测数据和仿真结果有一定的偏差，研究将重点针对这种情况，分析了天线、吸波材料、电磁波绕射等可能引起射频仿真暗室静区性能不十分理想的原因，并提出了详细的静区性能改善措施。

2 某射频仿真暗室的基本情况

射频仿真暗室的一端放置在静区的三轴飞行转台,导引头通过固定支架安装在该转台上 ,暗室的另一端是球形天线阵列[1]。射频仿真的工作原理为:将射频源产生的射频信号在目标阵列的某一位置辐射出去，模拟空间目标信号。目标阵列辐射的信号由安装在三轴飞行转台上的导引头接收，用来测试导弹的性能[2]。

图1为某微波暗室侧视静区位置示意图，图中虚线框带阴影的部分表示静区。该微波暗室静区为关于暗室纵轴左右对称、上下不对称的一个区域，尺寸为25 mm×15 mm×14.5 mm，静区大小为1.5 m×1.5 m×1.5 m。

图1 微波暗室侧视静区位置示意图

3 静区性能测试方案

测试暗室静区反射电平的常用方法有天线方向图比较法(简称APC 法)、自由空间电压驻波比法(简称VSWR 法)、场-探针绘制法、等效雷达横截面测量法和伪随机码调制载波法等5种[3]。目前，我国尚未颁布微波暗室的电性能测试方法(或标准)，国际上对静区静度(反射电平)的鉴定一般采用自由空间驻波比法或天线方向图比较法。

这里我们采用目前国内外针对高性能微波暗室静区反射电平评价的最主要和最常用的测量方法——VSWR法，该方法测试原理理论比较成熟，具有很好的测试重复性和准确性。

静区性能测试时发射天线直接采用辐射天线阵面上的天线。为了既不使测试工作量过大，又能全面评估阵面天线各个部位对静区反射电平的影响，选取最不利位置(如阵面边缘部位)和最典型位置(如阵面中心部位)处的天线作为测试时的辐射源。

图2 选取的发射天线位置示意图

暗室静区的测试线分别选取纵向线MN、横向线XY、垂直线KL，静区测试坐标系定义和行程线命名如图3所示。静区中心沿暗室纵轴并指向阵面天线的方向为0°方向，在此基础上进行方位角和俯仰角的改变。

图3 静区坐标系定义和选取的行程线命名图

测量时选取暗室静区中的任一条测试行程线即横向线、垂直线或纵向线，探测天线保持一定方向(即探测天线接收信号最大方向)，沿这条行程线连续移动，记录接收电平作为参考电平。然后改变探测天线的方位角或俯仰角，沿这条行程线移动并记录接收电平(即驻波曲线)。把参考电平和驻波曲线进行归一化处理，由参考电平和驻波曲线之间的电平差值就可得到偏离量A，由驻波曲线虚拟的包络线就可得到驻波大小D，再由式(1)就可以求出反射电平R值(dB)：

(1)

4 数据分析

数据分析主要是对实测结果与暗室设计时的仿真结果进行比较。采用几何光学法对暗室静区反射电平进行建模[4]，部分仿真结果如图4所示。

(a)2 GHz源点在A点时静区反射电平

(b)10 GHz源点在B点时静区反射电平

(c)18 GHz源点在C点时静区反射电平

因为仿真计算和测试过程存在差别，仿真计算时接收天线认为是无方向性的，但在测试时，接收天线是有方向性的，所以，要将计算结果和实测结果进行比较是比较困难的，但还是可以进行一些近似的量化比较，即用实测时接收天线不同方向的测试结果与仿真结果进行比较，如表1所示。

表1 实测结果与仿真结果比较

从表1可以看到，对于同一源点、同一场点，静区反射电平随着频率的升高而明显改善。同时可以发现仿真结果均在实测结果范围内，但各频点实测结果的下限值并不理想。

5 原因分析

通过对影响暗室静区反射电平诸因素的分析，认为致使实测结果的下限值并不理想的原因有以下几方面。

5.1 天线因素

由于天线阵列包含大量的阵元天线，阵面较大，几乎占满了暗室整个前墙，所以靠近阵列天线边缘的阵元天线副瓣电平对暗室静区反射电平的影响较大。

5.2 吸波材料因素

从辐射源发射出的电磁信号在各墙面的入射角度的大小直接影响到吸波材料的吸波性能。根据本文研究的射频仿真暗室的尺寸、阵列天线分布和静区位置，通过几何计算，得到电磁信号在各墙面的入射夹角：侧墙的入射角度为37.6°～50.7°，顶墙的入射角度为41.2°～48.4°，地面的入射角度为48.7°～74.9°，后墙的入射角度为0°～19.8°。

通常，暗室吸波材料在达到或超过入射角60°后，吸波性能就急剧下降。注意到电磁信号在地面的入射夹角非常大，直接影响到暗室吸波材料的吸波性能。

5.3 电磁波的绕射因素

暗室静区反射电平仿真建模采用几何光学法，没有考虑电磁波的绕射，事实上，阵元辐射的电磁波的绕射在传播途径上大量存在，吸波材料的边缘和顶角都会产生绕射波而进入静区，由于其绕射波幅度与镜面反射波幅度相比要小得多，因此在反射波占主导地位时，常常忽略了绕射波的贡献。

6 静区性能优化设想

6.1 天线因素

对于由于天线因素导致静区性能变差的情况，认为可从以下几个方面采取措施来提高静区性能。

(1)抑制天线副瓣电平

在进行天线阵列阵元设计时，对于靠近墙边的阵元应采取抑制副瓣电平的措施。天线的设计不是本文研究的内容，这里就不详述了。

(2)改进暗室设计

在暗室设计阶段，充分考虑阵列面的大小和各天线阵元副瓣电平大小，可以采取增加暗室宽度和高度的办法降低天线副瓣对静区反射电平的影响。

如果暗室的天线阵元等工程基础都已建成，则从天线因素入手来提高暗室静区性能的措施不可取，但对天线因素的考虑可以为其它同类型暗室的设计提供有益的借鉴。

6.2 吸波材料因素

对于由于吸波材料因素导致静区性能变差的情况，可以从以下几个方面采取措施。

(1)选用高性能的吸波材料

吸波材料的性能对暗室静区性能起着决定性的作用，由于角锥型吸波材料尖劈愈长、锥角越小，吸波性能就越好。所以，如果不考虑经费因素，尽量多地采用长尖劈、小锥角的高性能吸波材料对于提高暗室的静区性能也会起到非常明显的作用。但尖劈愈长，造价越高；锥角越小，加工越困难，造价也会增大[5]。

另外，高性能的吸波材料具有较低的反射率，可以减小绕射波的强度，从而减低绕射对暗室静区性能的影响。

(2)抑制入射角大于60°的电磁波进入静区

为了改善地面吸波材料对天线阵元辐射的电磁波的吸收，就必须对入射角大于60°的电磁入射信号采取措施。可以考虑在暗室内部菲涅尔区加吸收挡板或进行内壁倾斜的设计。

加吸收挡板措施是在地面电磁反射信号大的位置上加装介质吸收栅栏，经过对介质吸收栅栏的位置、高度和形状的精心设计，使它保证对入射角大于60°的电磁反射信号能够有效地吸收衰减，其几何示意图如图5所示。

图5 加吸收挡板措施几何示意图

内壁倾斜措施是将镜面区的吸波材料的平面敷设改为倾斜敷设，这样可使镜面区反射波的方向偏离静区。如图6所示,在没有倾斜铺设吸波材料时,反射波(用虚线表示)进入了静区；斜放置粘贴有吸波材料的金属板后,反射线(用实线表示)偏离了静区。

图6 内壁倾斜措施几何示意图

显然，这两种措施都是通过阻止反射波进入暗室静区，从而达到降低静区反射电平的目的。通过缩比模型试验，证明这种措施对于提高暗室静区性能是有效的[6]。

因为影响暗室静区性能的反射波主要是来自各墙面主反射区的反射波，所以在采用上述措施进行静区性能改善时，只需要重点对影响暗室静区性能的地面主反射区进行处理。

7 结束语

射频仿真暗室静区性能直接影响着暗室的试验能力和在暗室内进行测试的精度和结果的可信度。本文针对某射频仿真暗室静区位置特殊的实际，阐述了暗室静区性能测试方案，并将实测数据与仿真结果进行了详细比较。重点分析了影响射频仿真暗室静区性能不理想的天线、吸波材料、电磁波的绕射等主要原因，并且基于几何光学法针对性地提出了静区性能优化的多项措施。由于射频仿真暗室建设的不可逆性，很难通过将这些措施付诸实践来证明其效果如何，但理论分析认为这些措施都是可行的，希望本文的研究能够为国内射频仿真暗室设计、建设、改造提供一定的借鉴和帮助。

参考文献：

[1] 肖卫国,尔联洁．雷达寻的制导半实物仿真误差研究[J]．计算机仿真，2007，24(5)：259-263．

XIAO Wei-guo, ER Lian-jie. Radar guidance-the-loop simulation of error study [J]. Computer Simulation, 2007,24(5):259-263. (in Chinese)

[2] 张强．电子战半实物仿真系统设计[J]．舰船电子工程，2006，26(4)：111-114.

ZHANG Qiang. Electronic warfare-the-loop simulation system design [J]. Ship Electronic Engineering,2006,26(4):111-114. (in Chinese)

[3] 陈云，周军．采用自由空间驻波法测试微波暗室反射电平[J]．通信对抗，2005(3)：57-59．

CHEN Yun,ZHOU Jun.Standing wave method using free-space test microwave anechoic chamber reflection level [J].Communications Countermeasure,2005(3):57-59.(in Chinese)

[4] 郑星．微波暗室静区性能分析研究[D]．长沙：国防科学技术大学，2006．

ZHENG Xing.Microwave anechoic chamber performance analysis of Quiet Zone Study [D].Changsha:National University of Defense Technology,2006.(in Chinese)

[5] 刘维新．电波暗室用吸波材料的工艺和性能[J]．安全与电磁兼容，2007(2)：84-87.

LIU Wei-xin. Anechoic chamber with the process and performance of absorbing materials [J]. Safety and Electromagnetic Compatibility, 2007 (2):84-87. (in Chinese)

[6] 郑星，汪连栋．缩比模型试验技术在射频仿真暗室设计中的应用[J]．电讯技术，2008，48(5)：32-35．

ZHENG Xing, WANG Lian-dong. Scale model test RF simulation technology in the darkroom design [J]. Telecommunication Engineering, 2008,48 (5) :32-35.(in Chinese)