便携式微波测试暗盒的设计

郭国君 申建华

摘要

随着北斗导航系统正式开通服务，搭载北斗的导航终端数量实现井喷式增长而终端测试时，往往需要电磁环境纯净的微波暗室。暗室建设的数量限制了蓬勃发展的终端对无线测试的要求。本文设计仿真了一种便携式微波测试暗盒，解决了导航终端日常调试时对无线测试的需求。本文设计的便携式微波测试暗盒覆盖频段1GHz-3GHz，暗盒内增益测试准确度约2dB。

【关键词】天线测试 微波暗箱 场分布 远场

2012年底北斗区域卫星导航系统正式开通服务。在系统建设和市场应用的双重驱动下，以用户终端为核心的北斗应用产业链正以前所未有的速度蓬勃发展。产业主体涉及高校、研究所、大型军工企业单位和高新技术民用企业等军地各类单位，产品数量规模更是呈井喷式迅猛增长。

专业认证机构需要经过计量的用户批量检测系统进行测试、入网认证。建设一套定位终端测试系统费用昂贵，且系统建设周期都比较长。但厂家常规调试测试，没有可能也不是必须要在专业检测系统中进行测试。因此需要研制一套小型的便于量产的用户终端测试设备，其中最关键的设备为微波测试暗盒。该设备的研制使用户终端的无线测试由大型微波暗室搬到常规调试平台上。

1 工作原理

小型暗盒可搭配模拟源组成小型用户机调试系统。小型暗盒的外观结构如图1所示。

小型暗盒主要由三部分组成：顶面及顶面天线、屏蔽盒体、测试底面。顶面及顶面天线为信号的发射面，主要采用标准天线将需要发射的信号发射到微波暗盒内。屏蔽盒体主要由金属屏蔽盒和内部粘贴的吸波材料组成，保证测试不受外部干扰，同时内部形成一个无反射的类自由空间。测试底面主要安装被测试天线。

2 小型暗盒设计原则

2.1 近似远场辐射条件的结构设计

电磁波远场辐射条件可归纳为：2D²/λ。由于测试对象的天线口径都比较小，天线口径面积一般小于λ¹/2。应用在暗盒内的天线的远场辐射距离应不小于1v.需要注意的是，该辐射条件仅作用于一个天线。在本测试环境中同时存在发射天线、接收天线，因此天线间距离d满足远场辐射条件时应符合：

d>d_inc+d_rec≈2λ

因此设计暗盒尺寸在纵向上长度至少保证2），即2*0.25m（最低工作频率1.2GHz对应波长），约0.5m。考虑到暗盒设计时其它设备对空间的占用，因此暗盒实际高度约0.6m比较合理。

2.2 优化暗盒侧面反射对辐射特性的影响

电磁波辐射到暗盒侧壁上，由于稀薄材料的不理想性，导致部分电磁波被反射回暗盒内部空间。并且，测量用天线的增益较低，波束一般都比较宽，这既降低了天线主波束方向对干扰的抑制能力，又使得被反射回暗盒的干扰电磁波功率比较高。因此，暗盒侧壁的反射电磁波将会是影响暗盒工作性能的重要因素。通过采用优质的吸波材料，提高暗盒侧壁对电磁波的吸收效率。

2.3 优化暗盒底面散射对辐射特性的影响

暗盒底面处，即接收天线的安装，会对发射天线辐射场产生一定的散射。这部分散射场不仅会改变天线的远场辐射方向性，也会对发射天线的工作性能产生一定的干扰。要求暗盒底部侧面具有一定的倾斜角度，约15°～30°。倾斜的侧面会约束底面处的散射场的作用范围，屏蔽其对发射天线工作性能的干扰。

3 小型暗箱设计仿真结果

本文对暗盒进行了准确的建模仿真，通过设置暗盒模型中内腔的深度、侧壁的反射系数，对暗盒工作性能得到了更为清晰明确的认识。仿真过程中，设置暗盒内腔深度变化从100mm到600mm不等，暗盒截面尺寸直径250mm。侧壁反射系数-10dB，即侧壁吸波材料吸收效率10dB。不同暗盒内腔深度下的仿真结果如图2所示，由于显示原因，显示结果为250mm*250mm的正方形区域，完全包括了暗盒的截面。

4 设计仿真结果分析

4.1 截面内场分布波紋抖动

从图2可以发现，随着暗盒深度的增加，截面内电磁场波纹抖动逐渐降低，具体抖动数值如表1所示。从表1波纹抖动数值明显可以发现，波纹抖动在近场范围内是比较剧烈的，而随着截而深度的增加，波纹抖动幅度快速下降，当截面位置达到600mm以上时，波纹抖动的变化基本趋于平缓状态。必须指出的是，该仿真仅针对发射天线，由于实际测量过程中收发天线同时存在，根据我们的分析，最佳的暗盒长度应为二者之和，因此本方案采用大于600mm长度暗盒是合理的，而且是必须的。

另外，从表1中发现，当暗盒深度达到一定条件后，随着暗盒深度的增加，波纹的抖动幅度逐渐趋近于某一固定值，本仿真结果为3dB左右。不难理解，当发射天线位于理想的自由空间内时，距离发射天线足够距离处的截面内，其电磁场分布可看做是平面波，波纹抖动可逼近0dB。因此，本次仿真得到的3dB抖动为实际吸波材料的吸收效率不足，导致的反射波叠加在原入射波上，一定程度的改变了天线的辐射特性。这是因为，通常情况下，吸波材料的吸收效率不仅与材料的特性有关，与电磁波入射的方向也有较大的关系。暗盒使用过程中，电磁波的方向是任意的，因此吸波材料10dB的吸收效率难以得到充分的发挥。继续提高吸波材料的吸收效率的收益也是逐渐下降的，而且成本则大幅上升。表2所示为15dB吸收效率时的不同暗盒深度的电场分布波纹抖动，电场波纹抖动优化效果明显。

4.2 接收天线口径范围内的电场等效为平面波

仔细观测图2中随深度变化的截面电场分布，可以发现随距离的增加，截面中心处的电场分布平稳度逐渐增加，而且该平稳区域的面积也逐渐增加，在超过600mm后，该区域保持恒定。可以说明，截而中心区域处一定范围内是可以实现等效的平面波入射的。仿真得到的该区域的大小约为70mm*50mm的区域（具体数值与发射天线形式选择有关），但接收天线的实际有效口径一般小于60mm*60mm@1.2GHz，因此该区域面积是基本能保证测量需求的。从图3可以发现，截面中心区域的波纹抖动是比较低的，而且受吸波材料吸收效率的影响也比较小

5 结束语

最后，综合前文的分析，针对本文设计的天线暗盒，有如下结论：

（1）天线暗盒在600mm附近测试的效果是比较良好的;

（2）在截面中心区域处，可近似得到平面波入射的效果，区域面积基本覆盖接收天线口径，口径面上的平面波波纹抖动约0.5dB。

（3）综合评估暗盒的测试效果，暗盒的天线增益测试准确度约2dB左右。

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