如今對(duì)天線等射頻設(shè)備的測量及設(shè)備電磁兼容測試的需求已經(jīng)深入到各個(gè)行業(yè)，雷達(dá)、通信設(shè)備的天線參數(shù)優(yōu)化，飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船等的電磁散射特性等，都需要進(jìn)行實(shí)際的測量，然而自然界中已經(jīng)很難找到符合要求的遠(yuǎn)場測試條件[1]。

 

由于電磁波又會(huì)受到頻率、材料和環(huán)境影響，正是在這一背景下，微波暗室應(yīng)運(yùn)而生，它能夠有效地屏蔽外界的電磁干擾，吸收內(nèi)部用于測試的電磁波，防止其污染外部環(huán)境和發(fā)生反射而影響測量的精度[2]。

 

微波暗室的功能和作用是毋庸置疑的，然而在建設(shè)時(shí)都不可避免的面臨一大難題：設(shè)計(jì)成本十分昂貴，投資巨大，一旦建造完成，其尺寸不可更改。因此在建造之前必須準(zhǔn)確預(yù)測其性能，并嚴(yán)格仔細(xì)地評(píng)估方案的可行性。

 

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)值模擬的仿真方法已逐漸應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的方方面面。在充分理解待分析的問題，合理設(shè)置仿真模型和求解參數(shù)的前提下，仿真可以非常有效的預(yù)測待分析問題的性能，并具有高效率、低費(fèi)用、高靈活性等特點(diǎn)。

 

CST工作室套裝是面向3D電磁、電路、溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)工程師的一款全面、精確、集成度極高的專業(yè)仿真軟件包。包含八個(gè)工作室子軟件，集成在同一用戶界面內(nèi)，為用戶提供完整的系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)的數(shù)值仿真優(yōu)化。軟件覆蓋整個(gè)電磁頻段，提供完備的時(shí)域和頻域全波電磁算法和高頻算法。典型應(yīng)用包含電磁兼容、天線/RCS、高速互連SI/EMI/PI/眼圖、手機(jī)、核磁共振、電真空管、粒子加速器、高功率微波、非線性光學(xué)、電氣、場路、電磁-溫度及溫度-形變等各類協(xié)同仿真[3]。

 

基于實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施情況，為充分預(yù)測構(gòu)建暗室的性能，以防止不必要的試錯(cuò)和節(jié)省時(shí)間，在建設(shè)前利用CST電磁仿真軟件來分析和預(yù)測微波暗室建設(shè)方案的可行性是非常有必要的。

 

1.吸波材料建模

暗室中的吸波材料一開始采用含碳的聚氨酯角錐，這樣形狀的吸波材料利用垂直入射的多次反射原理，由于滲入碳的角錐為電損耗媒質(zhì)，使得電磁波在多次反射的過程中逐漸消耗掉。其制作方法是根據(jù)使用頻段的不同將其按不同的錐角及高度進(jìn)行切割，由于聚氨酯泡沫的阻燃性較差，因此完成以后將其在特殊配制的阻燃和導(dǎo)電液體里浸泡，烘干后摻雜一定比例的碳粉，以提高對(duì)電磁波的吸收性能。角錐形吸波材料具有良好的通用性，能夠在 200MHz 到 40GHz 的寬頻段內(nèi)對(duì)電磁波具有較高的吸收效率。角錐型吸波材料的外觀如下圖1所示。

 

 

圖 1. 角錐型吸波材料

 

常用電損耗型吸波材料大多是由聚氨酯滲入一定濃度的碳粉制成，為取得最佳的反射率，應(yīng)調(diào)整吸波材料的高度和形狀，并選擇合適的含碳量。一方面，聚氨酯角錐吸波材料的含碳量必須具有一定濃度，否則不能充分吸收入射波；另一方面，含碳量的濃度又不能過高，否則入射波在吸波材料的表面產(chǎn)生的一次反射較大[4]。

 

本論文所采用的SA型海綿吸波材料是由聚氨酯類泡沫塑料在碳膠溶液中滲透而成。它的反射率與尖劈長度和使用頻率有關(guān)，尖劈愈長，頻率愈高，反射率愈小。一般情況下，角錐長度應(yīng)至少大于或等于最低吸收頻率的四分之一波長，這種材料具有較好的阻燃特性。因?yàn)檫@種類型的吸波材料能較少地前向散射，并提供良好的后向散射性能，所以它適合用在暗室中的所有位置。本次暗室建設(shè)方案選擇的SA型海綿吸波材料的電磁參數(shù)如下圖所示，根據(jù)相應(yīng)的電磁參數(shù)對(duì)吸波材料進(jìn)行建模優(yōu)化，可以得到滿足電波暗室性能要求的尺寸。

 

根據(jù)實(shí)際吸波材料廠商提供的參數(shù)可以在CST中構(gòu)建相應(yīng)的材料參數(shù)，下圖2為含碳量10%的SA型聚氨酯海綿材料電磁參數(shù)隨頻率的變化圖。

 

 

圖 2. 聚氨酯海綿材料電磁參數(shù)

 

建立好材料屬性后，可以對(duì)吸波材料進(jìn)行建模。吸波材料模型如圖3所示，分為兩部

分，上部分為一個(gè)四棱錐，高度為L；下部分底座為一個(gè)底面為正方形的長方體，高度為D，底邊長為d。通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，可以獲得符合暗室標(biāo)準(zhǔn)的反射系數(shù)的模型尺寸。同時(shí)也可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的錐體尺寸性能是否能夠滿足暗室的要求。CST工作室套裝提供了方便快捷的優(yōu)化和參數(shù)掃描算法，極大簡化了仿真設(shè)計(jì)的工作量。

 

吸波材料單個(gè)模型由聚氨酯角錐構(gòu)成，聚氨酯吸波材料含碳量約為10%[5]。為了使仿真滿足實(shí)際情況，同時(shí)兼顧效率和準(zhǔn)確性，CST工作室套裝提供了unit cell邊界條件，在x/y方向選用unit cell邊界條件，z方向選用Floquet port邊界條件。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，最終得到下列參數(shù)，角錐總高度700mm，底座高100mm，棱錐高600mm，底邊為邊長250mm的正方形。通過仿真，在平面波垂直入射的情況下，可以得到在1GHz-4GHz范圍內(nèi)反射系數(shù)均低于-35dB，達(dá)到良好的吸波性能。

 

 

圖 3. 吸波材料反射系數(shù)

 

圖4仿真了電磁波不同入射角度下角錐體吸波材料的吸波性能，從圖中可以看出，在不同角度電磁波的入射下，反射系數(shù)均低于-34dB，吸波性能良好。這個(gè)結(jié)果與通常吸波材料越往高頻性能越好的特性不完全一致，考慮到Floquet port的特性和CST自身插值算法的特性，這個(gè)仿真結(jié)果是可以理解的。因此可以將將此模型作為吸波材料單元進(jìn)行暗室的鋪設(shè)。

 

 

圖 4. 不同入射角度下吸波材料反射系數(shù)

 

2.暗室仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

微波暗室作為開闊場的替代場地，要求具有良好的性能，以保證實(shí)驗(yàn)或測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。國際上對(duì)微波暗室已經(jīng)做過很多設(shè)計(jì)與研究，為保證微波暗室建造的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性，國內(nèi)外均提出了相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，例如：GJB 6780-2009（經(jīng)中華人民共和國總裝備部批準(zhǔn)的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)、EN61000-4-3-2010 (國際標(biāo)準(zhǔn))、ANSI C63.4-2014 (美國國家標(biāo)準(zhǔn))、以及 GJBz 20219-94《軍用電磁屏蔽室通用技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法》等。

 

歸納起來主要有以下四個(gè)方面要求[6]：

（1）暗室靜區(qū)性能：靜區(qū)是指屏蔽室內(nèi)受直射以外的電磁波影響最小的區(qū)域，其形狀可以是矩形、球形或圓柱形等等。其性能的優(yōu)劣通常用靜區(qū)的反射電平來衡量，其他參數(shù)都與其直接或間接相關(guān)。靜區(qū)反射電平是建造暗室所要實(shí)現(xiàn)的最主要功能，其定義為激勵(lì)源輻射的電場在各墻產(chǎn)生反射后達(dá)到靜區(qū)的電場矢量和與直接輻射到此位置的電場幅值之比。通常對(duì)微波暗室靜區(qū)性能的要求為-30dB到-50dB。

 

（2） 交叉極化特性：由于暗室內(nèi)的擺設(shè)問題，其幾何空間并不能完全關(guān)于中軸線對(duì)稱，吸波材料在鋪設(shè)過程中也不能完全保持平直，同時(shí)由于剩余反射電平的存在、靜度不滿足要求等，會(huì)導(dǎo)致用于測試的電磁波極化不純的問題。交叉極化度定義為靜區(qū)內(nèi)與激勵(lì)源極化平面平行和垂直的幅值之比的對(duì)數(shù)值，通常要求比值小于±25dB。

 

（2）場幅度均勻性：在測量過程中，從激勵(lì)源輻射的電磁波在到達(dá)靜區(qū)時(shí)必須近似為平面波，而實(shí)際上由于暗室各面墻壁的反射， AUT(待測天線) 接收到的電磁波的場幅和相位必然會(huì)受到嚴(yán)重影響，從而形成不均勻平面波。對(duì)其要求為：在靜區(qū)內(nèi)沿暗室中軸線方向移動(dòng) AUT時(shí)，接收到的最大信號(hào)差值不超過±2dB；垂直軸線移動(dòng) AUT時(shí)，最大信號(hào)差值小于±0.25dB。

 

（4） 多路徑損耗：由于微波暗室對(duì)垂直及水平極化信號(hào)的傳播損耗不相等，導(dǎo)致電磁波產(chǎn)生極化和旋轉(zhuǎn)。將 AUT 對(duì)準(zhǔn)電磁波的輻射方向并旋轉(zhuǎn)，要求接收信號(hào)最大差值不超

過±0.25dB。

 

3.暗室建模

根據(jù)吸波材料模型和相應(yīng)暗室的尺寸，建立了34m*32m*20m的暗室測試模型，暗室在不同平面的剖面圖如下圖所示。

 

 

圖 5. 暗室結(jié)構(gòu)示意圖

 

暗室六個(gè)面均為PEC作為屏蔽，在屋頂和四面墻分別鋪設(shè)SA型聚氨酯海綿吸波材料，左墻采用SAH-1200型，上墻和前后墻采用SA-700型。暗室中設(shè)置梯形臺(tái)用以放置待測物體，梯形臺(tái)長邊緊靠左墻體，四周鋪設(shè)SA-500型吸波材料。梯形臺(tái)下底為8m，上底為6m，長7m，高9m。待測物放置在梯形臺(tái)上距左墻5m處。待測物為2m正方體。為保證與待測物的測試距離相同，右墻（陣列面）設(shè)置為以待測物中點(diǎn)為中心，以25m為半徑的弧形，該面采用SA-300型吸波材料進(jìn)行鋪設(shè)。SA-300、SA-500、SA-700、SAH-1200的具體尺寸如下表1所示。

 

表 1 SA 各型吸波材料尺寸

 

 

在進(jìn)行微波暗室靜區(qū)反射電平的測量時(shí)，激勵(lì)源和接收天線都應(yīng)該采用全向天線，全向天線能夠向四面八方輻射信號(hào)，在暗室的整個(gè)空間都會(huì)產(chǎn)生反射，作為接收天線時(shí)能夠接收各個(gè)方向的電磁波（包括激勵(lì)源直接輻射和經(jīng)過各面墻壁反射后在該點(diǎn)疊加后的電場），在這種情況下測得的靜區(qū)反射電平是在最差條件下得出的，如果測量結(jié)果符合暗室要求，那么實(shí)際測試中，不管采用什么種類的天線作為激勵(lì)源和發(fā)射源，結(jié)果都能夠滿足要求。

 

引用中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB 6780-2009（其中規(guī)定，發(fā)射天線應(yīng)使用低方向性的天線，以保證能夠有足夠的電磁能量照射到墻面、地板和天花板上。）天線的增益要符合下表的要求，在 1GHz 以下頻段，一般選擇對(duì)數(shù)周期天線（LPDA）作為發(fā)射天線，在 1GHz 以上的頻段，一般選擇標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線作為發(fā)射天線。本次仿真采用接收天線在實(shí)際測量頻率點(diǎn)的駐波應(yīng)小于1.5，天線增益應(yīng)符合表2要求。在1GHz以下頻段，一般選擇八木天線作為接收天線。在1GHz以上頻段，一般選擇標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線作為接收天線。本次仿真中采用的喇叭天線方向圖如下圖6所示。

 

 

圖 6. 喇叭天線方向圖

 

3.暗室性能指標(biāo)仿真

實(shí)際的微波暗室的大量角錐結(jié)構(gòu)會(huì)給仿真帶來大量的細(xì)節(jié)導(dǎo)致仿真速度變慢。對(duì)于微波暗室中鋪設(shè)的成周期排列的角錐形吸波材料，λ數(shù)值與吸波材料高度相當(dāng)，材料沿軸向方向漸近慢變化和角錐橫截面方向周期性快變化，可將其沿垂直于軸線方向分成若干層。

 

對(duì)吸波材料均值法等效后的分層模型進(jìn)行建模，其仿真結(jié)果如下圖所示。從圖中可以看出在2-4GHz內(nèi)反射系數(shù)均小于-15dB，在3GHz反射系數(shù)達(dá)到最小，為-32.8dB，吸波性能良好?？稍?GHz時(shí)用該平面吸波材料來代替實(shí)際的錐體吸波材料。

 

同時(shí)，在高頻情況下，微波暗室的尺寸通常都為幾百個(gè)電尺寸以上，采用常規(guī)的全波算法會(huì)引入大量的矩陣和方程，因此如果使用全波算法需要大量的仿真時(shí)間和內(nèi)存。CST自帶的A求解器（漸進(jìn)求解器） 采用彈跳射線法，能夠很好的適用于解決電大尺寸的電磁仿真問題。

 

通?？烧J(rèn)為反射波是沿各個(gè)方向分布的，因此可認(rèn)為合成波的最大值是直達(dá)波和反射波相加，最小值是直達(dá)波與反射波相減。為了充分找到合成信號(hào)的最大值和最小值，在靜區(qū)每隔2500px放置一個(gè)探針，即靜區(qū)每個(gè)方向均為3個(gè)探針，一共27個(gè)探針。通過CST進(jìn)行仿真，可以得到各不同位置處不同頻率下的電場強(qiáng)度值。將各Z坐標(biāo)相等的電場幅值與自由空間中各點(diǎn)的電場幅值代入反射電平計(jì)算公式，通過計(jì)算可得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的反射電平。如圖所示，是靜區(qū)中心平面內(nèi)一點(diǎn)分別位于自由空間和等效微波暗室兩種仿真環(huán)境下的電場強(qiáng)度結(jié)果，其差值為0.12dB。根據(jù)公式計(jì)算得到，垂直于微波暗室軸向方向的反射電平約為-33dB，考慮到平面吸波材料相對(duì)錐形吸波材料在3GHz時(shí)反射大10dB，因此，實(shí)際的反射電平小于-40dB，滿足靜區(qū)的設(shè)計(jì)要求。靜區(qū)內(nèi)典型位置電場強(qiáng)度值如下圖7所示。

 

 

圖 7. 不同仿真條件下的電場強(qiáng)度值

 

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)靜區(qū)中場均勻性的要求為：在靜區(qū)內(nèi)沿暗室中軸線方向移動(dòng) AUT時(shí)，接收到的最大信號(hào)差值不超過±2dB；垂直軸線移動(dòng) AUT時(shí)，最大信號(hào)差值小于±0.25dB。在靜區(qū)垂直于微波暗室軸線的方向，間隔1m取三個(gè)平面，在每個(gè)2m*2m正方形靜區(qū)平面內(nèi)間隔1m取3*3共九個(gè)點(diǎn)放置探針。由于微波暗室關(guān)于軸向垂面完全對(duì)稱，所以在仿真中僅設(shè)置一側(cè)的6個(gè)點(diǎn)查看數(shù)據(jù)。這6個(gè)點(diǎn)按照從左到右，從上到下的順序標(biāo)記為1-6號(hào)點(diǎn)，仿真得到的場強(qiáng)數(shù)據(jù)如下圖8所示。

 

 

圖 8. 靜區(qū)中心平面（25m 處）各采樣點(diǎn)電場強(qiáng)度值

 

在距場源最近的24m處的平面上，采樣點(diǎn)的場強(qiáng)最大差值為0.11dB，滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求的不大于0.25dB。在靜區(qū)的前平面（24m處）和后平面（26m處）的中心位置，電場強(qiáng)度值分別為-1.78dBV/m，-2.47dBV/m，其差值為0.69dB，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)中小于2dB的要求。

 

多路徑損耗均勻性用兩天線極化方向保持一致的條件下，在暗室內(nèi)以天線軸為中心同步旋轉(zhuǎn)時(shí)接收信號(hào)幅度的變化來表示。測試時(shí)，將發(fā)射天線放置在暗室內(nèi)預(yù)期的發(fā)射天線位置上，接收天線放在靜區(qū)中心，通常是在暗室的測量軸上。天線間的距離應(yīng)滿足遠(yuǎn)場條件。發(fā)射天線和接收天線應(yīng)均為線極化。

 

在仿真中，使用喇叭天線作為發(fā)射天線，使用探針作為接收天線。測量時(shí)需至少選擇在垂直面、水平面、以及兩個(gè)45°平面內(nèi)進(jìn)行路徑損耗均勻性測量。按照GJB 6780-2009的要求，在本項(xiàng)目要求的頻率范圍內(nèi)，應(yīng)選擇3GHz作為測量路徑損耗均勻性的頻率。

 

仿真得到的結(jié)果如下圖9所示，天線轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別為0°，45°，90°，135°。在不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度下，接收電平在測試標(biāo)準(zhǔn)要求的3GHz頻點(diǎn)下的差距極小，路徑損耗均勻性指標(biāo)良好。

 

 

圖 9. 路徑損耗均勻性仿真結(jié)果

交叉極化度是在收發(fā)天線之間，電磁波在水平和垂直兩個(gè)極化方向強(qiáng)度的隔離程度。交叉極化指標(biāo)與收發(fā)天線本身的極化隔離度、吸收材料對(duì)不同的極化方向是否一致以及吸收材料吸收性能指標(biāo)高低等因素有關(guān)。由于暗室形狀不規(guī)格、結(jié)構(gòu)不嚴(yán)格對(duì)稱、吸波材料對(duì)不同極化方向的波吸收不一致，導(dǎo)致電磁波在暗室傳播過程中出現(xiàn)極化方向偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。對(duì)于交叉極化度的要求主要是保證發(fā)射天線自身極化隔離度足夠，使水平極化和垂直極化兩個(gè)方向上的測量結(jié)果互不影響。交叉極化度的要求是收發(fā)天線極化面相互正交時(shí)，所測場強(qiáng)之比于-25dB。

 

為了充分找到合成信號(hào)的最大值和最小值，在靜區(qū)每隔500px放置一個(gè)探針，即靜區(qū)每個(gè)方向均為10個(gè)探針。通過CST進(jìn)行仿真，可以得到各不同位置處不同頻率下的的電場強(qiáng)度值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，由于交叉極化隔離度需要額外關(guān)注3GHz和10GHz處的情況，因此圖10中僅列出了3GHz時(shí)部分關(guān)鍵點(diǎn)的兩種極化的電場強(qiáng)度值。從圖10中可以看出，微波暗室的靜區(qū)內(nèi)交叉極化隔離度大于25.8dB，滿足指標(biāo)要求。

 

 

圖 10. 交叉極化隔離度仿真結(jié)果

 

4.結(jié)論

本文提出了一種新型用于微波暗室性能評(píng)價(jià)的方法，通過在CST中進(jìn)行建模仿真，可以預(yù)先判斷出暗室性能是否符合指標(biāo)要求，從而在建設(shè)前進(jìn)行優(yōu)化處理。在方法具有實(shí)際的工程意義，目前已應(yīng)用于我公司多處微波暗室建設(shè)。

 

資料來源：達(dá)索官方