编者注:这篇文章是关于消声室设计的两部分系列文章，对这个主题进行了彻底的处理，可作为参考作品。第一部分介绍了矩形远场范围的射频吸收器近似。第二部分将涵盖紧凑和近场范围，并将发表在2016年2月号。

在不增加不必要的成本或规定相互矛盾的要求的情况下，充分规定室内消声室的性能，这一任务需要规范作者所不具备的洞察力。虽然有一些文章和书籍^{1 - 3}关于消声室的设计，关于这个问题的参考资料和经验法则的简明概要将是有用的。本文旨在成为这方面的有用工具。它首先为不同的天线类型和操作频率推荐合适的范围类型。为所需的测试或天线类型选择最佳方法提供了经验规则。这篇文章主要讨论矩形房间。对吸收器的性能采用了简单的近似法，以生成一系列图表，这些图表可作为指明性能和适当设施规模的指南。

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测量天线的能力是一项重要的设计要求，它可以确定能量是否在适当的方向上辐射，以及有多少能量在不需要的方向上传播。为了测量天线(就像许多其他被测量的设备一样)，人们希望天线不受周围环境的影响。这就是为什么消声室成为一个可行的解决方案。消声室提供无回声或其他辐射信号的环境，以减少这些不良信号的影响。

本文涵盖了天线辐射或接收给定信号的应用，并测量其作为方向函数的性能。

范围类型选择

一般范围几何显示在图1．在室内测量天线的辐射模式有多种方法:远场照明、近场测量和小范围测量。虽然它们都有优点和缺点，但没有一个单一的解决方案是理想的，适用于所有类型的天线和情况。最适合给定天线类型的范围类型由两个参数驱动:被测天线的频率和电尺寸(AUT)。下式给出的远场条件驱动选择:

上述参数被嵌入远场方程中。D是天线的最大物理尺寸。波长是λ，它与天线工作的频率有关。对于较小的天线，远场距离长度r可以近似为:⁴

当天线的电尺寸小于一个波长时，可以使用这个方程。从方程1，远场距离可以绘制为天线电尺寸的函数，如图所示图2．

作为室内范围的经验法则，远场照明技术更适合10λ以下的天线尺寸。这条规则与电子天线的尺寸有关。操作频率增加了另一个影响范围类型的因素。一个尺寸为10λ的天线将有200λ的远场距离，使测试距离是天线尺寸的20倍。在某些微波频率下，这可能是200英寸(5米)的测试距离，因此室内范围可能很容易实现。然而，注意一个20λ天线将有一个800λ的测试距离。

例如，考虑一个流行的卫星电视服务使用的18英寸天线。该卫星服务的工作频率为18.55 GHz。碟形天线的尺寸为28.29λ。远场大约在1600λ或25.86米(84.84英尺)。显然，对于如此大的电天线，在室内采用远场照明的方法在经济上是不可行的。对于这种天线，更适合采用小范围或近场方法。相反，一个300mhz的10λ天线，大小为10米，在200米的测试距离上操作将是极其困难的。在这种情况下，最好的解决方案是户外靶场。

一般来说，对于低于100mhz的频率，户外范围是更好的方法。电流吸收技术不支持在这些低频率的室内测量。可在室内搭建天线，但天线尺寸应控制在2λ以下;这限制了远场距离为8λ (24 m)，这个距离接近于公式2给出的10λ。表1提供了不同天线尺寸和操作频率的近似指南。

表1中的值是一般准则。球面近场(SNF)范围可以测试小到λ/2的天线。但对于如此小的天线，使用远场照明范围可能是更好的方法，因为它与AUT的典型电气尺寸有关。

在创建一个消声室时，目标是在该室中获得一个体积，在这个体积中，从范围的墙壁(天花板和地板)反射的任何能量都将远远低于辐射图样上的任何感兴趣的特征。这个体积被称为安静区(QZ)。图1显示，当一个天线发射时，它照亮了接收天线和所有的墙壁和范围的表面。入射到这些表面上的能量将被反射到QZ。^1、3反射能量的水平必须是发射和接收天线之间的直接路径下给定的分贝数。

当被测天线旋转时(见图3)，它的主光束将照亮室内的不同表面。距离天线将测量AUT沿两个天线之间的直接路径辐射的场水平。然而，距离天线也将接收从墙壁、天花板和地板反射的能量。如果反射能级高于沿两个天线之间的直接路径辐射的能量，则无法准确测量该方向的辐射图样。在图3中，测量天线(也称为距离天线或源天线)指向一个零位，但它也在接收被AUT的主波束照亮的来自墙壁的反射信号。距离天线接收30°方向的反射信号。在30°方向上，范围的增益低于直接路径(沿轴方向)到AUT的增益。反射能量是一个低dB的数字，例如，20 dB。让我们假设30°方向的增益比视距低10分贝。与AUT的主波束指向距离天线时接收到的能量相比，该方向天线接收到的信号为-30分贝。 If the null is less than -30 dB, the measured pattern will have errors.⁵

射频吸收器

消声室的一个关键设计项目是射频吸收器。吸收器处理必须使反射能量对测量数据的影响很小或可以忽略不计。典型的射频吸收器是一种损耗材料，其形状允许入射电磁波以最小的反射穿透。一旦电磁(EM)能量在材料内部传播，射频能量转化为热能并消散到周围的空气中。⁶材料的电厚度决定了吸收多少能量。正入射时的反射能级可以用下式近似表示:

t是波长单位的厚度。当0.25≤t≤20时，方程成立。这种近似可以用来得到给定厚度的吸收器的保守反射率值。大多数制造商在他们的数据表中提供信息。

从图1可以看出，该范围内的部分吸收波不是位于正常入射波方向上，而是斜入射。斜入射时，吸收器的主要反射率为双静态方向。当金字塔尖之间的距离≥λ时发生后向散射。⁷卷边¹提供了显示斜入射时吸收器的估计双静态反射率的图。一系列多项式近似，加上公式3，提供了不同厚度和不同入射角的金字塔吸波器性能的一般描述。这些都是保守的近似。这就留下了一个误差范围来解释诸如灯光、门、定位设备和处理不连续引起的边缘衍射。

在dB下吸收器性能由以下多项式给出:

这个方程中的系数是厚度的函数。当吸收器厚度为0.25λ≤t≤2λ时，式4的系数可由以下多项式给出:

当处理的厚度为2λ≤t≤20λ时，则系数由多项式集给出:

式4的定义域受入射角的限制，其中0°≤θ≤85°，θ=0°为正入射角。此外，定义域受系数多项式的定义域的限制。因此，当0.25λ≤t≤20λ时，式4有效。公式4的范围也应限定为-55≥R(dB)≥0。对于一个吸收层厚度大于20λ的吸收层，反射率可以用20λ厚度吸收层的结果来近似计算。图4显示了双静态性能作为角度的函数为一系列不同的电厚度的吸收器。

图5显示了使用参考文献8的方法计算结果的比较，给定的制造商规格和公式4的结果，厚度等于λ和2λ的材料。如果将这里给出的多项式结果与从数值计算得到的结果进行比较，多项式似乎为反射率提供了一个保守的数字——高约10 dB。制造商的规格只提供45°到80°和正常入射。计算结果只在几个角度得到。对于1λ厚吸收体，不同的方法有相似的趋势，多项式提供了最保守的数。计算结果与多项式结果在35°处有较大差异。然而，反射率中的零值可能会根据安装在吸收塔上的材料而变化。⁹一般来说，多项式是射频材料在不同入射角下性能的安全近似。

目前最大的典型吸收塔尺寸是72英寸(1.82米)。这个尺寸为室内范围的使用提供了频率限制。在100 MHz时，该吸收器的厚度为1.64λ，正常入射性能约为-33 dB。在内衬这种材料的室内范围内，从峰值-20分贝的图案特征将很难精确测量。有混合吸收器合并铁氧体瓦和有损耗的基板金字塔楔形，工作在30兆赫甚至20兆赫。它们更适合EMC应用，因为它们的正常入射吸收通常限制在25到35 dB之间。

矩形远场室

范围的大小从具有测试距离的矩形远场范围开始，由公式1确定。对于远场照明的矩形消声室的大小，通常可以找到说明经验法则的资料来源。一般来说，消声室的宽度和高度应是包含被测最大天线的最小球体直径的三倍。重要的是要检查AUT和吸收塔尖端之间保持最小的2λ间距，以避免AUT的负载。远场距离由:

其中n是AUT大小的波长数。QZ必须足够大，能够包含AUT。因此QZ是nλ。图6显示典型的矩形范围几何。从几何上，可以推导出距离x的方程。距离x是距离中心线到吸收塔尖端的距离。

方程6给出了用波长表示的距离。在图3中，θ的值可以选择所需的反射率。图4中的曲线也提供了减震器厚度的值。因此，如果AUT具有需要在-25分贝水平测量的特征，吸收器的双静态反射率必须超过该水平。吸收器2λ的厚度将超过-25分贝，高达50°的角度。因此腔室的宽度为

其中增加的4占吸收塔厚度的2倍。如果使用不同的吸收器厚度，式7将改变。一般来说，腔宽可以写成

为了获得所需的反射率，必须选择参数θ和t。从QZ到吸收器保持最小的2λ间距是很重要的。矩形远场室的长度主要由远场距离和QZ尺寸加上吸收体厚度决定。增加的空间应该包括距离天线和它后面的吸收器。

总腔室或范围长度(L)由:

其中K是一个足够大的因子，包括源天线，2λ间距和源后面的吸收器。应该注意的是，这些方程提供了一个最低要求。工作必须在天线室内部进行——安装和连接天线，切换距离天线等。应检查空间，以允许人们在无回声范围内执行这些任务。

通过在前面的方程中输入数值，可以检验预期的腔室尺寸。假定源天线是具有足够前后比的指令。源天线后面的吸收器厚度为一个波长，因子K设为4。

在图7，绘制了一系列矩形室的宽度和长度与最低操作频率的关系。此外，AUT在最低频率下的电尺寸由每个腔室尺寸的n值表示。

如果为给定nλ的最低频率天线设计了一个测试室，那么这个测试室就足够大，可以在较高频率下测试相同电尺寸的天线。同样，随着频率的降低，腔室的尺寸必须增大。在500 MHz时，一个2λ大小的天线的腔约为10 × 5米。如果天线的尺寸增加到4λ，天线室将需要18 × 10米。锥形消声室应用于这些较低的频率。^{1, 10 - 12}锥形室的几何结构利用了侧壁的镜面反射作为AUT照明，而不是像在矩形室中那样降低其水平。这导致了一个物理上更小的腔室。

箱体的高度应与宽度相同。通过这样做，天花板和地板的反射将在水平上相似。这一点很重要，因为从天花板和地板反射的能量将是相似的，而且范围对偏振相关参数(如交叉偏振和轴比)的影响将被最小化。

方程8和9很好地说明了室内靶场的空间需求。在大多数情况下，腔室的大小是可以调整的。例如，天花板和地板上的吸收器可以增加厚度，以保持在更斜的入射角(更大的θ)下的反射率。切比雪夫安排¹³吸收塔的布置也可用于提高反射率。

图3还揭示了提高反射率的另一条线索。反射的光线到达距离天线时，其角度使天线的增益低于在垂直方向上的增益。使用高指向性天线作为信号源可以减少从侧壁、天花板和地板接收的能量。因此，较短的吸收器减小了腔室的尺寸。

结论

这个由两部分组成的系列的第一部分主要讨论了射频吸收器双静态反射率的近似和矩形射频消声室的矩形设计。多项式方程在其结果中包含一个“安全边际”。这有助于解释二次反弹和边缘衍射，以及灯具、通风口、门和吸收塔处理的其他中断。第二部分将提供紧凑型范围和近场到远场范围的方程。

鸣谢

感谢钟辰提供了基于NIST算法的计算结果。⁸

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文斯·罗德里格斯他就读于密西西比州牛津市的密西西比大学，并于1994年获得理学学士学位。毕业后，罗德里格斯加入了密西西比大学电气工程系，担任研究助理。在此期间，他分别于1996年和1999年获得了硕士和博士学位(两个学位都是工程科学，重点是电磁学)。Rodriguez于2000年加入EMC测试系统公司(现为ETS-Lindgren)，担任射频和电磁工程师。他是巴西空间研究所(INPE)暗室的首席射频工程师，该暗室是拉丁美洲最大的暗室，也是唯一的全自动、电磁兼容和卫星测试室。2014年11月，Rodriguez加入了位于乔治亚州Suwanee的MI Technologies公司。作为一名高级应用工程师，他在数值建模、射频吸收器和消声范围设计方面的专业知识，为天线、RCS和雷达罩测试设施设计开发解决方案。

罗德里格斯是50多篇出版物的作者，包括期刊和会议论文以及书籍章节。他拥有混合射频吸收器和双脊喇叭天线的专利。罗德里格斯是IEEE及其几个技术协会的高级成员。在IEEE技术协会中，他是EMC Society的成员，在那里他从2012年到2014年担任杰出讲师，并担任董事会成员。他是天线测量技术协会(AMTA)的Edmund S. Gillespie会员。Rodriguez是应用计算电磁学会(ACES)的成员，他在那里担任董事会成员。Rodriguez是几个标准委员会的成员，包括IEEE STD 149, IEEE STD 1148和RTCA DO-213。