消声室设计的基本规则，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量程和近场测量。

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的任务需要洞察，而规范的作者并不总是能够获得这种洞察力。虽然有一些文章和书籍^{1 - 3}在处理消声室设计时，一份关于参考信息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做到这一点，集中讨论近场系统的紧凑量程和室的大小。正如在第一部分中所做的那样，对吸收器性能使用简单的近似值，以生成一系列有助于指定设备性能和尺寸的方程．

本系列的第一部分指出了使用远场室的局限性，主要与可测试天线的电气尺寸有关。如图所示，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，碟形天线的尺寸为28.29波长(λ)，因此远场约为1600 λ或25.9米(84.8英尺)。显然，对于这么大的电天线来说，在室内进行远场照明在经济上是不可行的。对于这种天线，更适合于小范围或近场测量。

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紧凑量程(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经历的场分布。图1显示了由位于抛物线焦点的光源照射的抛物线反射器。在距离反射器较短的距离内可以看到平面波的行为。反射器系统是确定范围大小的控制因素。反射器必须足够大，以提供一个平面波来照亮整个被测试的天线，并且反射器应该适当地终止。终端的目的是减少终端抛物面对照明的影响。两种最常见的方式终止一个反射器是锯齿和滚动边缘。⁶在锯齿边缘反射器的情况下，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，显示它们的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在毫米波范围内，但在制造和表面处理过程中应格外小心，因为表面缺陷会影响性能。

反射器尺寸是确定腔室宽度和高度的决定因素。腔体的长度将受到反射器焦距的影响。从反射器顶点到安静区(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。但是，表1和公式1表明，61 cm QZ的测试距离为3 m。这足以测试卫星电视天线。

通常，CR腔的长度由下式给出:

在R_clr是反射器间隙。这包括支撑反射器的机械结构，其范围从60厘米到2米，具体取决于整体反射器的尺寸。一般情况下，反射器后面的壁有一个小的吸收体，厚度通常为λ/2，并且只覆盖壁的周长。参数t为端壁减振器的厚度。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不小于3 ~ 4。

腔室宽度的计算方法为:

其中CRw是反射器的总宽度。从锯齿的尖端到反射器两侧的吸收器尖端有一个额外的2 λ，尽管在某些情况下，间隔可以小到每边一个波长。决定量程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，以提供良好的斜角双基地反射率，在CR中，侧壁吸收器不需要那么厚。图2所示为典型CR室。CR反射器的辐射图样已叠加在腔室图上。图中反射镜为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，入射到侧壁吸收器上的能量已经比直接路径低了40 dB。一个1 λ厚的吸收器将在超过60度入射时提供10 dB的吸收(见2016年1月发表的第一部分图4)。将反射率与直接射线和反射射线之间的幅度差结合起来，可以得到大约-50 dB的反射能级。反射器被用于近场，而反射器的辐射模式是一个远场概念。然而，这是一个可以接受的近似值，因为它提供了一种估计从反射器向墙壁方向辐射的能量水平的方法。 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。

腔室的高度有一个类似的计算尺寸的公式:

在CR_h是反射器的整体高度。反射器的尖端与天花板吸收器尖端之间的间距为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更大的分离。这减少了反射器馈电和反射器之间的高光点的入射角，以最大限度地减少地板反射对反射器照明的影响(参见图4)．公式4包括地板吸收器尖端和锯齿尖端之间的K个波长的空间。K应足够大，以提供足够的空间给支撑照亮反射器的馈源天线的馈源定位器。与侧壁的情况一样，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，它可能有2 λ厚。一般情况下，侧壁和顶棚处理的吸振器最低频率电气厚度可分别为t≤1.2和t≥0.75。

近场范围

使用不同的技术进行近场测量;它们与被测量的天线类型一致。用所有的方法，从AUT辐射的场(振幅和相位)在一个表面上测量，远场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)——表示测量数据的表面。^7号到9号最基本的近场测量方法是平面扫描，即在单个平面上扫描天线辐射的场。对于高增益天线来说，这是一种很好的技术，因为只有非常少量的能量辐射到天线的后部。圆柱扫描是指在圆柱体的表面上测量磁场，不包括顶部和底部表面。这对于全向长天线或在一个主平面上有宽波束，但在垂直平面上有窄波束的天线是理想的。球面扫描是一种较为通用的测量方法。在这里，电场是在包含整个天线的球体上测量的。一般情况下，PNF测量的测试距离在3λ和10λ之间。对于SNF，探测器可以离得更远。

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的最小球体的直径(以波长为单位)。两端壁上的吸收体厚度为t_eλ，其中t_e是端壁吸收器的厚度，单位为波长。按照惯例，在最小球面和吸收器尖端之间添加2λ。最后，4λ被估计为探头与包含天线的球体之间的距离。

SNF腔的宽度为:

在这种情况下，t_年代是侧壁吸收器的厚度，单位为波长。这是一个粗略的近似值。对于公式5和6，至少要增加1米，以防止定位设备在旋转被测天线时撞到探头。测量室还应提供室内工作人员进行测量的空间。这对于更高频率(2 GHz以上)更为关键，其中4λ分离可能不足以让定位器清除探头。

侧吸收器的入射角为:

取极限n→∞，θ < 63.4度。使用本系列第一部分中提出的吸收器近似，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度入射角下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体。

腔室高度可由下式估计:

其中变量h_p占高度的定位设备。在一个典型的滚动方位角定位器用于SNF测量，h_p应包括地板滑道的高度，方位角定位器和偏移滑道。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内占主导地位(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定向天线(即增益> 20 dB)。AUT的高增益有利于靶场的设计，因为靶场的某些区域不需要用减震器处理，例如AUT后面的区域。如上所述，测试距离在3λ - 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_年代是精确远场的最大角度和nλ是被测试天线的电尺寸(见图5)．变量k为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是到吸收器尖端的分离。

范围的宽度变成:

Δ在哪里_{视交叉上核}扫描仪结构是否需要额外的空间，t_年代是吸收器的厚度。

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，如果有的话(扫描仪可以放置在非常接近尖端的地方)，以及探头长度。一个_d是AUT的深度和用于对准天线与扫描仪的支撑结构。式12中的4λ是AUT背面与测距壁之间的空间。对于非常高的增益天线，这种墙不需要吸收处理。如果需要吸波器，该壁的吸波器厚度可小至λ/4。扫描仪后面的墙上吸收器的厚度利用了用于扫描平面的探头的指向性。因此t≥2。

剩余需要定义的值是侧壁上的吸收器。这取决于角θ_年代和因子k。宽度近似为:

使用近似

请注意，入射角仅依赖于AUT的大小，精确远场的最大角度和波长的测试距离。图6表明即使在10λ的测试距离，最大的入射角接近20度。从第一部分中给出的吸收器近似值来看，在该入射角范围内，具有一定电厚度的吸收器的反射率不会有太大的恶化。如果AUT是一个简单的无源天线，高增益可以是一个好处。由于天线不会向侧壁辐射太多能量，可以使用较小的吸收器(t < 1)。但是，如果AUT是一个具有波束转向的复杂天线，则侧壁应该有更多的厚度(t≥2)。

腔室高度的计算方法应与宽度相同。在某些情况下，扫描距离在垂直和水平之间是不同的;这是不罕见的室有一个非方形截面。高度的方程为:

在y_o是探头的最小高度，即探头在垂直运动底部的位置。这包括扫描仪在水平轴上移动的轨道，也应该足够大，以包括地板吸收器;最小值为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指导室内消声室的选择和尺寸的规则和物理，用于紧凑范围和近场扫描测量。所有的方程都是近似值。在大多数情况下，长度是最小值;可能需要更多的空间来装载和卸载AUT，改变馈电和距离天线以及连接其他设备。本系列的两个部分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方程。

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文斯·罗德里格斯他是乔治亚州苏瓦尼MI Technologies公司的高级应用工程师。，他在数值模拟、射频吸收器和消声范围设计方面的专业知识应用于天线、雷达截面和天线罩测试设施的设计。他的完整传记出现在本系列的第一部分，发表在2016年1月号。