暗室设计的基本规则，第二部分:紧凑范围和近场测量

编者注:这是天线消声室设计系列文章的第二部分。第一部分发表于2016年1月号，讨论了矩形、远场范围的吸收器要求。第二部分讨论了紧凑范围和近场测量。

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^{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。本系列的第二部分打算这样做，集中讨论近场系统的紧凑范围和室的大小。正如第一部分所做的那样，对吸收器的性能使用了简单的近似值，以产生一系列有助于指定设备的性能和规模的方程．

本系列的第一部分确定了使用远场室的限制，主要与可测试天线的电尺寸有关。正如所示，一个流行的卫星电视服务使用的18英寸天线几乎不可能在远场室进行测试。卫星服务工作在18.55 GHz，碟形天线是28.29波长(λ)的大小，因此远场大约是1600 λ或25.9米(84.8英尺)。显然，对于这么大的电天线，室内远场照明在经济上是不可行的。对于这种天线，更适合于紧凑的距离或近场测量。

紧凑的范围

尽管在IEEE天线标准测试程序中几乎没有提及，⁴紧凑距离(CR)已成为测量电大天线的重要工具。CR使用抛物面反射器在被测天线(AUT)的位置创建平面波照明。这个平面波模拟了天线在远场中所经历的场分布。图1显示被位于抛物线焦点处的光源照亮的抛物线反射面。在离反射器很近的地方可以看到平面波的特性。反射器系统是确定范围的控制因素。反射器必须足够大，能够提供平面波，照亮被测试的整个天线，并且反射器应适当终止。终端的目的是减少终端抛物面对照度的影响。两种最常见的终止反射镜的方法是锯齿和滚动边缘。⁶在锯齿边缘反射镜的情况下，锯齿可以在3 λ和5 λ之间的最低频率操作。表1提供反射器的典型列表，显示其总体大小和频率范围。注意，随着频率的增加，反射器变得更有效。虽然一些反射器可以很好地工作到毫米波范围内，但在制造和表面处理过程中应格外小心，因为表面缺陷将影响性能。

反射镜的尺寸是确定腔室宽度和高度的决定因素。反射镜的焦距会影响腔室的长度。从反射面顶点到安静区(QZ)的距离由以下规则给出:

f_l是反射镜的焦距。参考卫星电视天线，需要25米的远场距离进行测试，人们可能会期望长室和大距离进行CR测试。然而，表1和方程1表明，一个61 cm QZ的测试距离是3米。这足以测试卫星电视天线。

CR腔的长度通常由下式给出:

在R_clr为反射器间隙。这包括支持反射器的机械结构，范围从60厘米到2米，取决于反射器的整体尺寸。通常，反射器后面的墙有一个小的吸收体，通常是λ/2的厚度，并且只覆盖墙的周长。参数t为端壁吸收器的厚度。对于CR来说，这是最关键的墙壁，应该具有最低的反射率;建议t值不小于3 ~ 4。

腔室宽度的计算方法为:

其中CRw为反射镜的总宽度。虽然在某些情况下，间距可以小到每边的一个波长，但从棱角的尖端到反射镜每边的吸收塔尖端有一个额外的2 λ。决定范围宽度的最后一项是吸收器的厚度。

对于远场范围，天花板、地板和侧壁上的吸收器应该足够厚，以在倾斜角度提供良好的双静态反射率，在CR中，侧壁吸收器不需要这么厚。图2这是典型的CR室。CR反射镜的辐射图样已叠加在腔室图纸上。图中反射面提供一个3.66 m × 1.82 m的椭圆QZ。QZ的深度为3.66 m。CR的重要方面是它有一个非常指向性的模式，指向性超过25 dBi。如图2所示，侧壁吸收器上入射的能量已经比直接路径低40分贝。1 λ厚的吸收器在超过60度的入射下可以提供10 dB的吸收(见2016年1月发表的第一部分的图4)。将反射率与直接射线和反射射线之间的大小差异结合起来，得到的反射能级约为-50 dB。反射面是在近场中使用的，而反射面的辐射模式是远场的概念。然而，这是一个可以接受的近似，因为它提供了一种方法来估计从反射器向墙壁方向辐射的能量水平。 As图3表明，反射器将向侧壁发送一些能量，从反射器的远场模式估计。

硐室高度的计算公式与此类似:

在CR_h是反射镜的整体高度。反射镜的尖端和天花板吸收器尖端之间的间距是2 λ。参数K为地板和反射器之间的间距提供了一个因子。对于地板吸收器，我们希望反射器的边缘和地板吸收器的尖端之间有较大的分离。这减少了反射器馈电和反射器之间的镜面点的入射角，以最小化地板反射对反射器照明的影响(见图4)．式4包含了地板吸收器尖端和锯齿尖端之间的K个波长的空间。K应该足够大，为支撑照亮反射器的馈电天线的馈电定位器提供足够的空间。如同侧墙的情况一样，地板和天花板上的吸收器可以是1 λ厚。必须特别考虑进料和反射器之间的地板吸收器，它可能是2 λ厚。一般情况下，侧墙和顶棚处理在最低频率时吸收塔电厚度可分别为t≤1.2和t≥0.75。

近场范围

不同的技术用于执行近场测量;它们与被测量天线的类型一致。在所有的方法中，AUT辐射的场(幅值和相位)都是在表面上测量的，远场的行为从这个测量中得到数学推导。三种不同的近场技术——平面(PNF)、圆柱形(CNF)和球形(SNF)——代表测量数据的表面。^7号到9号最基本的近场测量方法是平面扫描，其中天线辐射的场被扫描在一个平面上。对于高增益天线来说，这是一种很好的技术，因为有非常少量的能量辐射到天线的背面。柱面扫描是指在柱面上测量电场，不包括上表面和下表面。这对于全向的长天线是理想的，或者在一个主平面上有一个宽波束，但在垂直平面上有一个窄波束。球面扫描是一种比较通用的测量方法。在这里，磁场是在一个包含整个天线的球体上测量的。一般来说，PNF测量的测试距离在3λ和10λ之间。对于SNF，探头可以更远。

除了测试距离外，为远场室开发的相同方程也可用于SNF。一般情况下，方程为:

在维_页是探头(测量天线)及其定位器的深度。变量n是包含AUT的最小球体的波长直径。两端壁上的吸收器厚度为t_eλ,t_e是端壁吸收器的厚度，以波长为单位。按照惯例，在最小球体和吸收器尖端之间添加2λ。最后，4λ被估计为探头和包含天线的球体之间的距离。

SNF腔室的宽度由:

在这种情况下，是t_年代是侧壁吸收器的厚度，以波长为单位。这是一个粗略的近似。对于式5和式6，至少要增加1米，以防止定位设备在旋转被测天线时击中探头。测量室还应提供室内工作人员设置测量的空间。这对于较高频率(2 GHz以上)更为关键，在这种情况下，4λ分离可能不足以使定位器清除探头。

与侧吸收器的入射角为:

取n→∞的极限，θ < 63.4°。使用本系列第一部分中介绍的吸收器近似，我们可以估计t_年代≈2 t_e．为此，我们检查了端壁吸收器在正常入射时的反射率，并选择了在63.4度入射角时能够提供类似反射率的吸收器厚度。天花板和地板将有与侧壁相同的吸收装置。

可以用下式来估计腔体高度:

其中变量h_p占定位设备的高度。在一个典型的用于SNF测量的翻转方位定位器中，h_p应包括地板滑道的高度，方位定位器和偏移滑道。远场室方程或CR方程中的定位设备(馈源定位除外)不是问题，因为其他尺寸在这些范围中占据主导地位(即远场测试距离或反射器尺寸)。

PNF系统使用平面扫描仪来测量高指向性天线(即增益> 20 dB)。AUT的高增益有利于量程的设计，因为量程的某些区域不需要处理吸收器，如AUT后面的那些区域。测试距离，如上所述，在3λ和10λ之间。决定PNF范围大小的主要因素是扫描仪，其中扫描大小由:

θ_年代精确远场和nλ的最大角度是被测天线的电尺寸(见图5)．变量k是以波长为单位的测试距离;因此，3 < k < 10。物理扫描仪通常比扫描平面略大。通常，2λ是到吸收塔尖端的分离。

范围的宽度变为:

Δ在哪里_{视交叉上核}扫描仪结构需要额外的空间吗_年代是吸收塔的厚度。

范围的长度由下式给出:

在年代_clr是扫描仪的深度，它应该包括吸收器的间距，如果有(扫描仪可以放置在非常接近尖端)，和探针长度。一个_d为AUT的深度和用于将天线与扫描仪对齐的支撑结构。公式12中的4λ是AUT的背部和距离壁之间的空间。对于非常高的增益天线，这种墙不需要吸收处理。如果需要吸收层，吸收层的厚度可以小到λ/4。扫描仪后面墙上吸收器的厚度利用了用于扫描飞机的探头的指向性。因此，t≥2。

剩下的值需要定义为侧壁上的吸收器。这取决于角θ_年代和因子k。宽度的近似值为:

用这个近似

注意，入射角只取决于AUT的大小，精确远场的最大角度和波长上的测试距离。图6表明，即使在10λ测试距离，最大的入射角接近20度。从第一部分中提出的吸收器近似，在一定电厚度的给定吸收器的反射率在该入射角范围内不会恶化太多。如果AUT是一个简单的无源天线，高增益可能是一个好处。由于天线不会向侧壁辐射太多的能量，可以使用较小的吸收器(t < 1)。然而，如果AUT是一个具有波束转向的复杂天线，那么侧壁应该有更多的厚度(t≥2)。

硐室高度的计算方法应与宽度相同。在某些情况下，垂直和水平的扫描距离是不同的;腔室的横截面非正方形并不罕见。高度的方程为:

在y_o为探头的最小高度，即探头在垂直运动底部的位置。这包括扫描仪在横轴上移动的轨道，也应该足够大，包括地板吸收器;最小值是y_o> t_年代λ。

以上关于SNF和PNF范围的规则可以结合起来得到CNF系统的范围大小。

结论

本系列的第二部分概述了用于紧凑范围和近场扫描测量的室内消声室的选择和大小的指导规则和物理。所有的方程都是近似值。在大多数情况下，长度是最小的;可能需要更多的空间来装载和卸载AUT，更换馈电和距离天线和连接额外的设备。本系列的两个部分都提供了目前使用的最常用天线测量方法的消声室大小的一般概述和公式。

1. L. Hemming，“电磁暗室:基本设计和规范指南”，IEEE出版社/Wiley Interscience:皮斯卡塔韦，新泽西州，2002年。
2. 桑切斯和康纳:《dB值多少钱?》”,23^{理查德·道金斯}天线测量技术协会年会(AMTA)2001年10月，科罗拉多州丹佛市。
3. J. Hansen和V. Rodriguez，“评估天线测量方法”，微波和射频， 2010年10月，第62267页。
4. Ansi / ieee STD 149-1979IEEE天线标准测试程序1979年，2008年再次确认。
5. J.R.J. Gau, D. Burnside和M. Gilreath《切比雪夫多级吸收器设计概念》，天线传播IEEE汇刊。，第45卷第8期，第128621293页，1997年。
6. 李廷贤和伯恩赛德，“锯齿边缘和混合滚动边缘紧凑距离反射镜的性能权衡”，《IEEE天线与传播汇刊》1996年1月，第44卷第1期，第87296页。
7. D. Hess，“在科学亚特兰大的近场测量经验”白皮书，www.mitechnologies.com/papers/91/Near-Field%20Measurement%20Experience%20at%20Scientific-Atlanta.pdfhttp://www.mitechnologies.com/papers/91/Near-Field%20Measurement%20Experience%20at%20Scientific-Atlanta.pdf．
8. Yaghjian，“近场天线测量概述”，《IEEE天线与传播汇刊》1986年1月，AP-34卷第1期，第30245页。
9. J. E. Hansen主编，“球形近场天线测量”，IEEE Peter Peregrinus有限公司:伦敦，英国，1988年。

文斯·罗德里格斯是乔治亚州苏瓦尼市MI技术公司的高级应用工程师。在那里，他将自己在数值建模、射频吸收器和消声范围设计方面的专业知识应用于天线、雷达截面和雷达罩测试设施的设计。他的完整传记出现在这个系列的第一部分，发表在2016年1月号上。