0.   引言

理想的微波暗室是微波无反射室，在一个空间中内壁铺设吸波材料，理想情况下可以创造一个无微波反射的空间环境，原理图如图1所示。微波暗室是利用电磁波工作的设备与整机系统的理想测试场地，广泛用于天线测量、目标散射特性测量、雷达成像等领域^[1-2]。微波暗室的应用频率主要取决于吸波材料的性能，最低工作频率通常为几百兆赫兹，可以全天候工作。天线测量的远场法、近场法、紧缩场法、目标特性测量等都需要在微波暗室中进行，可以说微波暗室是空间电磁场技术最重要的测试场地之一。微波暗室造价昂贵，一间暗室建造费根据其尺寸耗资在几百万到上千万甚至上亿元不等。然而即便如此，达到理想性能的微波暗室并不存在，实际应用中，由于暗室中的吸波材料无法完全吸收电磁波，电磁波经过吸波材料，在暗室中仍然会有少许反射信号存在，这些反射信号进入测试区域，各个角度的反射信号叠加，会对测量结果造成影响。因此微波暗室建成后需要对微波暗室的性能进行评估，这就是微波暗室的场地性能验证^[3-5]。微波暗室场地性能验证的结果关系到微波暗室性能优劣，并直接影响使用微波暗室的测量结果的准确度。

图  1  微波暗室原理图

Figure  1.  Schematic diagram of anechoic chamber

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1.   静区指标

微波暗室中电磁波的反射被控制到设计水平的区域称之为静区^[6]。静区是具有一定空间体积的区域，尺寸应至少等于被测设备所占据的空间范围。

1.1   静区反射率电平

静区反射率电平是评价暗室静区的关键参数^[6]，其定义为微波暗室静区内等效反射信号和直射信号之比，用dB表示，见图2所示。静区中的等效反射信号通常远小于直射信号，因此静区反射率电平的量值通常相比天线间直达信号小很多，测量难度大。静区反射率电平的测试可以采用两种方法：自由空间驻波比法和方向图比较法^[7]，如果二者结果存在差异时，以自由空间驻波比法为准。

静区反射率电平可以通过仿真计算得到^[8-10]，仿真计算可以用来指导暗室设计，在仿真技术中，几何光学法（也称射线追踪法）是一类直观的方法，可以用来评估暗室性能，并评估暗室内的反射对测量结果的影响^[11]。微波暗室建成后，通常通过测量的手段获取静区反射率电平值，以进行微波暗室的场地性能验证。

图  2  到达暗室静区的直达波信号和反射波信号示意图

Figure  2.  Schematic diagram of direct wave signal and reflected wave signal arriving in quite zone of chamber

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1.2   自由空间驻波比法

自由空间驻波比法是基于微波暗室中存在直达波信号和反射波信号，静区内空间任意点的场强是直达波信号和反射波信号的矢量和，在空间形成驻波，驻波的数值大小即反映了微波暗室内反射率电平的大小，可通过测量空间驻波来确定静区内的反射电平。

考虑一般情况，接收天线的朝向与反射天线存在夹角为$\theta$，接收天线在方向$\theta$上的天线图接收电平为A（A指接收天线的接收能力，包含了空间衰减，dB），那么接收天线接收到直达波入射场幅度为：

测量来自边墙的反射，此时：

式中，${E_D}$为直达波电场强度，V/m；${E_R}$为反射波电场强度，V/m；R为静区反射率电平，dB。

接收天线处接收场强最大值为入射波和反射波的同相叠加，其dB值用B表示，最小值为反相叠加，其dB值用C表示，B−C=D为接收曲线波纹峰峰值。因此式（2）可以写成：

根据${E_R}$和$E_D'$的关系，可以得到：

接收天线在静区中作横向水平运动时，测量结果主要反映了后墙的反射情况；作横向上下运动时，结果反映了天棚和地板的反射情况；作前后的纵向移动时，反映了边墙的反射情况。因此要全面测量静区反射情况，接收天线需要在三个维度上进行移动。

根据测量结果判断${E_R}$和$E_D'$的关系是数据处理的关键。在某一取向角上如果实测空间驻波曲线的平均值出现无规律的变化，或者在这个角度上，实测空间驻波曲线的平均电平比在这个角度上方向图的电平高，可以认为${E_R} > E_D'$。对于收发天线的选取，发射天线应选取低方向性的天线，以保证有足够的电磁能量照射到墙面、顶面和地面。在测量时发射天线的安装位置应尽量与实际使用时相同。接收天线选择中高增益的标准增益喇叭天线，需要得到其E面和H面方向图信息。

2.   测量系统

针对自由空间驻波比法，建立基于三维行程扫描架的微波暗室静区性能测量系统。其中关键核心部件为三维行程扫描架，可拆卸重组，便于运输，可以沿X、Y和Z三个方向上在最大4 m的行程内移动，三维扫描架的坐标定义如图3所示。接收天线采用中高增益标准增益喇叭天线，覆盖频率范围1～40 GHz。系统可以采用信号源发射信号，频谱仪接收信号的方式，如图4所示，这种方式适合几乎所有场景，尤其是微波暗室较大、测试距离较远的情况。信号源结合频谱仪的方式需要二者之间做好同步，在18 ～40 GHz频段，接收端可考虑配套预放大器，适用于暗室较大、收发天线距离较远的情况。

图  3  三维扫描架的坐标定义

Figure  3.  Coordinates of the 3D scanning frame

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图  4  静区反射率电平测量系统

Figure  4.  Quiet zone reflectance level measurement system

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三维扫描架是系统中的核心定位装置，其定位精度决定了静区反射率电平的测量结果不确定度。因此利用激光跟踪仪进行天线定位精度的测量。间隔200 mm的实测数据结果见表1，其中X轴和Z轴定位偏差优于0.1 mm，Y轴定位偏差优于0.3 mm，可拆卸组装的最大行程4 m扫描架，能满足最高频率40 GHz对应波长最小的八分之一移动步长的定位精度要求。

表  1  扫描架定位精度测量结果

Table  1.  Scanning frame positioning accuracy measurement results

位置 (mm)	定位实测值（mm）
	X轴	差值	Y轴	差值	Z轴	差值
200	199.99	−0.01	200.21	0.21	199.99	−0.01
400	399.98	−0.02	399.70	−0.30	399.95	−0.05
600	599.99	−0.01	600.17	0.17	599.92	−0.08
800	799.99	−0.01	799.71	−0.29	799.92	−0.08
1000	1000.00	0.00	1000.27	0.27	999.93	−0.07
1200	1199.99	−0.01	1199.78	−0.22	1199.93	−0.07
1400	1400.00	0.00	1400.21	0.21	1399.90	−0.10
1600	1600.03	0.03	1599.88	−0.12	1600.00	0.00
1800	1800.07	0.07	1800.14	0.14	1800.01	0.01
2000	2000.10	0.10	1999.92	−0.08	2000.06	0.06
2200	2200.00	0.00	2200.11	0.11	2200.03	0.03
2400	2400.07	0.07	2399.92	−0.08	2400.04	0.04
2600	2600.04	0.04	2600.10	0.10	2600.05	0.05
2800	2800.04	0.04	2799.99	−0.01	2800.04	0.04
3000	3000.04	0.04	2999.96	−0.04	3000.03	0.03
3200	3200.07	0.07	3199.99	−0.01	3200.02	0.02
3400	3400.09	0.09	3400.04	0.04	3400.07	0.07
3600	3600.06	0.06	3599.98	−0.02	3600.07	0.07
3800	3800.06	0.06	3800.03	0.03	3800.00	0.00
4000	4000.04	0.04	3999.99	−0.01	4000.09	0.09

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3.   测量结果及不确定度分析

3.1   测量结果

针对微波暗室，利用建立的测量系统在频率1 ～40 GHz频段进行其静区反射率电平的测量。沿X和Z方向的移动需要考虑接收天线方位轴的旋转，角度间隔为30°，Z方向俯仰±45°。截取一条典型的测量原始数据见图5，要注意的是，实际进行场地验证时，需要分别测量天线水平极化和垂直极化下的结果。

图  5  反射率电平的测量原始数据

Figure  5.  Measurement raw data of the reflectivity level

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3.2   不确定度分析

静区反射率电平的测试基础是不同行程线上的场地插入损耗的测量，其测量结果的不确定度由场地插入损耗测量不确定度、接收天线方向图以及计算过程中波纹选取等的不确定度分量组成。频率低时，测量结果受环境影响大；频率高时，测量结果受扫描架定位精度影响大。因此在扫描架定位精度完全满足测量要求的前提下，本文以低频1.1 GHz天线水平极化下的静区反射率电平测试为例进行测量结果的不确定度的全面分析和评估，结果如表2所示。

场地插入损耗的测试主要受以下因素影响：

1） 天线间对准的影响量$\delta {A_{{U}}}$

由于暗室中收发天线间对准不理想引入，考虑实际情况，发射天线在对准状态下沿X、Y方向平移5 cm，取静区反射率电平的最大变化量0.5 dB作为该影响量的标准不确定度的估计值。假定该影响量服从正态分布，包含因子$k = 2$，由天线间对准引入的标准不确定度分量为0.5 dB/2≈0.25 dB。

2） 扫描架自身反射引入的影响量$\delta {S_{R}}$

扫描架主体X、Z轴为金属，可以采用吸波材料覆盖，以降低反射，将导轨采用吸波材料覆盖和未采用吸波材料覆盖的两组数据结果之差0.3dB作为影响量的误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子$k = \sqrt 3$。因此扫描架发射引入的标准不确定度分量为${{0.3{\text{dB}}} {/ {\vphantom {{0.3\;{\text{dB}}} {\sqrt 3 }}} } {\sqrt 3 }} \approx 0.17\;{\text{dB}}$。

表  2  静区反射率电平

Table  2.  Quiet zone reflectivity level

(a) 1.1 GHz
行程线	方位角（°）	反射率电平值（dB）
		水平极化	垂直极化
X1X2	60	−33.4	−40.6
	90	−32.0	−33.6
	120	−40.9	−33.4
Z1Z2	150	−42.5	−40.4
	180	−46.1	−37.4
	210	−49.7	−44.7
Y1Y2	45	−40.2	−46.9
	−45	−15.6	−20.8
(b) 26.5 GHz
行程线	方位角（°）	反射率电平值（dB）
		水平极化	垂直极化
X1X2	60	−56.3	−56.7
	90	−58.1	−57.5
	120	−63.1	−65.5
Z1Z2	150	−48.3	−52.3
	180	−58.9	−54.6
	210	−52.0	−61.3
Y1Y2	45	−58.6	−56.2
	−45	−39.0	−45.7
(c) 40 GHz
行程线	方位角（°）	反射率电平值（dB）
		水平极化	垂直极化
X1X2	60	−52.3	−52.5
	90	−60.6	−60.5
	120	−58.4	−68.8
Z1Z2	150	−43.9	−59.1
	180	−51.9	−62.3
	210	−53.2	−68.7
Y1Y2	45	−46.1	−48.4
	−45	−47.4	−41.2

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3） 扫描架移动范围内的反射影响量$\delta {R_{{R}}}$

扫描架在移动范围内尤其是Z₁Z₂行程上，有时无法及时铺设吸波材料，导致测量结果受地面反射影响。若地面为金属，即在地面引入最大的反射，由于地面反射造成的测量值偏差随移动距离变化曲线见图6。行程越远，受地面影响越大，4 m行程上取地面覆盖和无覆盖吸波材料的两组数据之差0.98 dB作为影响量的误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子$k = \sqrt 3$。因此由地面反射引入的标准不确定度分量为${{0.98\;{\text{dB}}} {/ {\vphantom {{0.98\;{\text{dB}}} {\sqrt 3 }}} } {\sqrt 3 }} \approx 0.57\;{\text{dB}}$。

图  6  扫描架移动范围内地面反射的影响

Figure  6.  Influence of ground reflection in the moving range of the scanning frame

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4） 两天线间互耦引入的影响量$\delta {M_{{R}}}$

两天线间的互耦会造成空间驻波^[12]，对测量结果造成干扰，如图7所示，在1.1 GHz频段，空间驻波的典型值为0.3 ～0.5 dB。以Z₁Z₂行程上扫描范围内空间驻波最大值0.43 dB作为该影响量的误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子$k = \sqrt 3$。两天线间互耦引起的空间驻波引入的标准不确定度分量为${{0.43\;{\text{dB}}}{ / {\vphantom {{0.43\;{\text{dB}}} {\sqrt 3 }}} } {\sqrt 3 }} \approx 0.25\;{\text{dB}}$。

5）系统漂移影响量$\delta {S_{{D}}}$

由于测量过程中需要测量不同角度的多个行程，场地插入损耗测量过程时间较长，测量系统的漂移引入的不确定度分量由测试开始时的参考位置数值和测试结束时的参考位置数值之差0.1 dB作为误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子$k = \sqrt 3$。因此系统漂移引入的标准不确定度分量为${0.1\;{\text{dB}}} / { {\vphantom {{0.1\;{\text{dB}}} {\sqrt 3 }}} } {\sqrt 3 } \approx 0.06\;{\text{dB}}$。

6） 步长设置引入的影响量$\delta {M_{{S}}}$

测量的步进要求是步长不小于空间驻波波长的八分之一进行扫描，以最大程度还原反射信号引起的波纹，从而准确计算反射率电平。但测试步长和测试时间相关，在1.1 GHz频段，选取满足条件的不同步长测量结果作比较，最大差值0.2dB为误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子$k = \sqrt 3$。因此由测试步长设置引入的标准不确定度分量为${{0.2\;{\text{dB}}} {/ {\vphantom {{0.2\;{\text{dB}}} {\sqrt 3 }}} } {\sqrt 3 }} \approx 0.12\;{\text{dB}}$。

图  7  天线互耦的影响

Figure  7.  Effect of mutual coupling between antennas

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7） 天线方向图的影响量$\delta {R_{{P}}}$

在静区反射率电平计算时，需要使用接收天线在该角度上的方向图数值。中国计量科学研究院校准天线方向图的不确定度(不含吸波材料遮挡)，在−10 dB电平不确定度为0.84 dB(k=2)；在−20 dB电平为0.9 dB(k=2)；−30 dB电平为1 dB(k=2)。该影响量服从正态分布，包含因子$k = 2$。因此1.1 GHz频段，60度角度水平极化天线方向图测量引入的标准测量不确定度分量为${{0.9\;{\text{dB}}}{/ {\vphantom {{0.9\;{\text{dB}}} 2}} } 2}{\text{ = }}0.45\;{\text{dB}}$。

8） 测量重复性$\delta {C_{{R}}}$

将系统断开后重新连接，测量10次，计算得到实验标准差$s= \sqrt {\dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{k = 1}^n {{{\left( {{x_k} - x} \right)}^2}} }}{{n - 1}}} = 0.18\;{\rm{dB}}$。

静区反射率电平测量结果的合成标准不确定度汇总表见表3。由于不确定度分量大部分为均匀分布，其他为正态分布，这些均匀分布分量合成后近似为正态分布，与其他正态分布分量合成后，可以认为是正态分布。其中，移动行程内的地面反射是较大影响量，但是可以通过在地面放置吸波材料降低该项不确定度分量；待测天线方向图测量结果不确定度也是较大贡献量，该部分不确定度分量可以从天线校准证书上获取。天线对准对于低频段的场地评估影响较小，频率升高后，尤其接近40 GHz时，扫描架定位精度、位置对准都会成为较明显的影响量。

取k=2，扩展不确定度为：$U = k{u_{\rm{c}}} = 1.72\;{\rm{dB}}$（k=2）。

在微波暗室的使用中，尤其在测量天线的方向图电平及微弱的散射信号时，需要特别关注其测量电平，考虑静区反射率电平对测量结果的影响。

表  3  静区反射率电平不确定度汇总表

Table  3.  Summary of uncertainty of reflectance level in quiet zone

不确定度来源或输入量 ${x_i}$	最大允许误差MPE或不确定度U/dB	概率分布	包含因子k	灵敏系数${c_i}$	影响量$u\left( {{x_i}} \right)$的标准不确定度/dB
天线对准$\delta {A_{{U} } }$	0.5	正态	2	1	0.25
扫描架自身反射$\delta {S_{ {R} } }$	0.3	均匀	$\sqrt 3$	1	0.17
移动行程内的地面反射$\delta {R_{{R} } }$	0.98	均匀	$\sqrt 3$	1	0.57
两天线间互耦$\delta {M_{{R} } }$	0.43	均匀	$\sqrt 3$	1	0.25
系统漂移$\delta {S_{ {D} } }$	0.1	均匀	$\sqrt 3$	1	0.06
步长设置$\delta {M_{{S} } }$	0.2	均匀	$\sqrt 3$	1	0.12
接收天线方向图$\delta {R_{{P} } }$	0.9	正态	2	1	0.45
测量重复性$\delta {C_{{R} } }$	0.18	正态		1	0.18
合成标准不确定度${u_{ \rm{c} } }$					0.86
扩展不确定度U					1.72

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4.   结论

本文针对1 ～40 GHz频段的微波暗室场地性能验证，建立最大4 m行程静区反射率电平测量系统，针对静区发反射率电平的测量，进行全面系统的不确定度影响量的分析，以1.1 GHz频段为例给出了静区反射率电平的评定结果。该研究对于微波暗室验收起技术支撑作用，对于建立微波暗室静区指标和微波暗室内待测设备测量结果的关系具有重要意义。