消声室设计的基本规则，第一部分:射频吸收器近似

编者注:这篇文章是关于消声室设计的两部分系列文章，对这一主题进行了彻底的处理，可以作为参考文章。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，并将于2016年2月出版。

在不增加不必要的成本或指定相互矛盾的要求的情况下，充分指定室内消声室的性能，这一任务要求对规范的作者来说并不总是可用的洞察力。虽然有一些文章和书籍^{1 - 3}关于消声室的设计，关于这一主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工作频率推荐合适的范围类型。为选择所需测试或天线类型的最佳方法提供了经验法则。这篇文章的重点是长方形的密室。对吸收器性能使用简单的近似来生成一系列图表，这些图表可用作指导，以指定性能和适当的设施大小。

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正确地在期望的方向上辐射，以及有多少能量在不希望的方向上传播。为了测量天线(就像许多其他正在测量的设备一样)，人们希望天线不受周围环境的影响。这就是消声室成为可行解决方案的地方。消声室提供了一个没有回波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，以及测量其性能作为方向函数的应用。

范围类型选择

一般的距离几何图形显示在图1。有几种测量室内天线辐射方向图的方法:远场照明、近场测量和紧凑距离测量。虽然它们都有优点和缺点，但没有一种解决方案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:频率和被测天线的电气尺寸(AUT)。由下式给出的远场条件驱动选择:

上述参数嵌入到远场方程中。D是天线的最大物理尺寸。波长为λ，它与天线上的工作频率有关。对于较小的天线，远场范围长度r可以近似为:⁴

当天线的电尺寸在一个波长以下时，可以使用这个方程。由式1，可以将远场距离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于10λ以下的天线尺寸。此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。尺寸为10λ的天线远场距离为200λ，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。但是，请注意，20λ天线的测试距离为800λ。

例如，考虑一个流行的卫星电视服务使用的18英寸的天线。这个卫星服务的频率是18.55千兆赫。碟形天线的尺寸为28.29λ。远场约1600λ或25.86 m (84.84 ft)。显然，对于如此大的电天线，在室内采用远场照明方法在经济上是不可行的。对于这种天线，一个紧凑的范围或近场方法是更合适的。相反，300兆赫的10λ天线，尺寸为10米，在200米的测试距离上操作极为困难。对于这种情况，最好的解决方案是户外范围。

一般来说，对于低于100兆赫的频率，室外范围是更好的方法。电流吸收技术不支持某些低频率的室内测量。可建立室内范围，但天线尺寸应保持在2λ以下;将远场距离限制为8λ (24 m)，该距离接近式2给出的10λ。表1提供不同天线尺寸和工作频率的大致指南。

表1中的值是一般指导方针。球面近场(SNF)范围可以测试小至λ/2的天线。但是对于这样一个小天线，使用远场照明范围可能是一个更好的方法，因为它与AUT的典型电气尺寸有关。

当创建消声室时，目标是在消声室中获得一个体积，在这个体积中，来自范围墙壁(天花板和地板)的任何反射能量将远远低于辐射方向图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，它照亮接收天线和范围内的所有墙壁和表面。入射到这些表面上的能量将被反射到量子点。^1，3反射能量的水平必须低于发射和接收天线之间的直接路径的给定分贝数。

当被测量的天线旋转时(见图3)，它的主光束将照亮房间的不同表面。距离天线将测量AUT沿两个天线之间的直接路径辐射的场电平。然而，距离天线也会接收来自墙壁、天花板和地板的反射能量。如果反射能级高于沿两天线间直接路径的辐射能级，则该方向的辐射方向图无法精确测量。在图3中，测量天线(也称为距离天线或源天线)指向一个零点，但它也接收来自墙壁的反射信号，该信号被AUT的主波束照射。距离天线正在接收30°方向的反射信号。在该30°方向上，该范围的增益低于到AUT的直接路径(轴视)。反射能量要低几个dB，例如20 dB。让我们假设30°方向上的增益比轴视低10 dB。与AUT的主波束指向范围天线时接收到的能量相比，天线在该方向上接收到的信号将减少-30 dB。 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有损材料，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，射频能量就会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能量的多少。正入射处的反射电平可以用下式近似表示:

t是波长厚度。式在0.25≤t≤20时成立。这个近似可以用来得到给定厚度的吸收体的保守反射率值。大多数制造商在他们的数据表中提供信息。

图1显示，该范围内的一些吸收器并不位于正入射波方向，而是位于斜入射波方向。对于斜入射，吸收器的主要反射率在双静力方向上。当金字塔尖端之间的距离≥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表。一系列多项式近似与公式3一起，提供了不同厚度和不同入射角锥体吸光器性能的一般描述。这些是保守的近似值。这样就留下了误差范围，可以解释灯光、门、定位设备和处理不连续造成的边缘衍射等问题。

以dB为单位的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。当减振器厚度为0.25λ≤t≤2λ时，式4的系数由以下多项式给出:

当处理厚度为2λ≤t≤20λ时，系数由多项式集给出:

方程4的定义域受0°≤θ≤85°入射角和θ=0°为法入射角的限制。此外，该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)成立。公式4的取值范围也应限制在-55≥R(dB)≥0。对于吸收体厚度大于20λ，反射率可以近似使用20λ厚吸收体的结果。图4给出了一系列不同电厚度吸波器的双静力性能随夹角的变化规律。

图5对于厚度为λ和2λ的材料，给出了使用参考文献8中的方法、给定制造商规格和公式4的计算结果的比较。如果将这里给出的多项式的结果与数值计算的结果进行比较，多项式似乎提供了一个保守的反射率数字-高约10 dB。制造商规格仅提供45°至80°和正常倾角。计算结果仅在几个角度下得到。对于1λ厚吸收体，不同的方法遵循相似的趋势，多项式提供最保守的数字。在35°处，计算结果与多项式结果相差很大。然而，反射率中的零值可能会根据安装吸收器的材料而变化。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器尺寸是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，法向入射性能约为-33 dB。在用这种材料衬里的室内范围内，从峰值开始-20 dB的模式特征将难以准确测量。有混合吸收器合并铁氧体瓦片和楔形损耗衬底金字塔，其工作频率低至30 MHz甚至20 MHz。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。在远场照明中，通常会找到说明矩形消声室尺寸的经验法则的来源。一般来说，消声室的宽度和高度应该是被测最大天线所在的最小球体直径的三倍。重要的是要检查AUT和吸收器尖端之间的最小间距为2λ，以避免AUT的负载。远场距离由式给出:

其中n是AUT的波长数。QZ必须足够大以包含AUT。因此QZ是nλ。图6显示一个典型的矩形范围几何。从几何学中，可以推导出距离x的方程。距离x是从范围中心线到吸收器尖端的距离。

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中的曲线也将提供吸收器厚度的值。因此，如果AUT具有需要在- 25db级别测量的特征，则吸收器的双静态反射率必须超过该级别。吸收器2λ的厚度将超过-25 dB，直至50°角。因此腔室的宽度是

其中增加的4占吸收器厚度的21。如果使用不同厚度的吸收器，公式7将发生变化。一般情况下，腔室宽度可写成

必须选择参数θ和t来获得所需的反射率。从QZ到吸收器保持最小2λ的间距是很重要的。矩形远场腔室的长度主要由远场距离和QZ尺寸加上吸收体厚度决定。应为测距天线及其后面的吸收器增加空间。

总腔室或范围长度(L)由下式给出:

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。应当指出，这些方程式提供了一个最低要求。工作必须在室内进行-安装和连接天线，切换范围天线等。应检查空间，以允许人们在消声范围内执行这些任务。

预期的腔室尺寸可以通过在先前的方程中输入值来检查。我们将假设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，系数K设为4。

在图7，一系列矩形腔室的宽度和长度与最低工作频率的关系已经绘制出来。此外，AUT在最低频率下的电尺寸由绘制的每个腔室尺寸的n值表示。

如果一个实验室是为最低频率的给定纳米λ天线设计的，那么这个实验室就足够大，可以在更高频率上测试相同电尺寸的天线。同样，随着频率的降低，腔室尺寸必须增大。在500 MHz时，2λ尺寸的天线的腔室约为10 × 5 m。如果天线尺寸增加到4λ，则腔室需要为18 × 10 m。锥形消声室应用于这些较低的频率。^{1, 10 - 12}锥形腔室的几何形状利用侧壁的镜面反射来进行AUT照明，而不是像在矩形腔室中那样降低其水平。这导致一个物理上较小的腔室。

腔室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，并且距离对偏振相关参数(如交叉偏振和轴向比)的影响将被最小化。

公式8和9很好地说明了室内范围的空间要求。在大多数情况下，一个腔室的大小可以调整。例如，天花板和地板上的吸收器可以增加厚度，以保持更斜入射角(较大θ)的反射率。切比雪夫安排¹³吸收器的布置也可以用来提高反射率。

图3还揭示了提高反射率的另一条线索。反射光线到达距离天线时的角度使天线的增益小于天线的视轴方向。使用更高指向性的天线作为源可以减少从侧壁、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了一个“安全边际”。这有助于计算二次反弹和边缘衍射以及灯具，通风口，门和吸收器处理的其他中断。第二部分将提供紧凑距离和近场到远场距离的方程。

鸣谢

感谢Zhong Chen提供了基于NIST算法的计算结果。⁸

1. L. Hemming，“电磁消声室:基本设计和规范指南”，IEEE出版社/Wiley Interscience: Piscataway, N.J j, 2002。
2. G. Sanchez和P. Connor，“一dB值多少钱?”23天线测量技术协会(AMTA)第三届年度研讨会，丹佛，科罗拉多州，2001年10月。
3. J. Hansen和V. Rodriguez，“评估天线测量方法”，微波和射频， 2010年10月，第62-67页。
4. W. Stutzma和G . Thiele，“天线理论与设计”，第2版，Wiley 1997 ANSI/IEEE STD 143 -1979 - IEEE天线标准测试程序，1979，再次确认2008。
5. D. Wayne, J. Fordham和J. McKenna，“非理想平面波对紧凑距离测量的影响”，第36届天线测量技术协会研讨会(AMTA)，图森，亚利桑那州。， 2014年10月。
6. 刘国强，刘国强，“射频吸收材料功率处理的测量:基于机械方法的中等功率吸收材料，”31^圣天线测量技术协会年会（2009年10月，犹他州盐湖城。
7. Sun和C. Balanis，“基于有限差分频域法的周期吸波器分析与设计”，报告No. 11。TRC-EM-WS-9301电信研究中心，亚利桑那州立大学，坦佩，亚利桑那州, 1993年。
8. E. Kuester和C. Holloway，“楔形或金字塔形吸收器阵列的低频模型- i:理论”，IEEE电磁兼容性汇刊，第36卷第4期，1994年11月。
9. V. Rodriguez，“在铁氧体瓦片吸收体顶部放置微波锥体吸收体对铁氧体吸收体性能影响的研究”，第19届计算电磁学进展年度回顾(ACES)研讨会，2003年3月，加利福尼亚州蒙特雷。
10. W. Emerson和H. Sefton，“室内炉灶的改进设计”，IEEE学报，第53卷第8期，第107921081页，1965年。
11. H. King, F. Shiukuro和J. Wong，“锥形消声室的特性”，IEEE天线传播学报，第15卷第3期，第4882490页，1967年。
12. V. Rodriguez，“使用锥形室测试天线”，评估工程，第43卷第5期，第62268页，2004年。
13. 高志强，“多能级吸波器的设计”，IEEE天线传播学报，第45卷第8期，第128621293页，1997。

文斯·罗德里格斯他曾就读于密西西比州牛津市的密西西比大学，并于1994年获得学士学位。毕业后，罗德里格斯加入了密西西比大学电子工程系，担任研究助理。在此期间，他分别于1996年和1999年获得了硕士学位和博士学位(工程科学学位，重点是电磁学)。Rodriguez于2000年加入EMC Test Systems(现为ETS-Lindgren)，担任射频和电磁工程师。他是巴西空间研究所(INPE)消声室的首席射频工程师，消声室是拉丁美洲最大的消声室，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。作为一名高级应用工程师，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、RCS和天线罩测试设施设计的解决方案开发。

罗德里格斯发表了50多篇出版物，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。Rodriguez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协会的成员，2012年至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。罗德里格斯是应用计算电磁学会(ACES)的成员，他在董事会任职。Rodriguez是多个标准委员会的成员，包括IEEE STD 149, IEEE STD 1148和RTCA DO-213。