張恒萍，朱傳煥，唐君

(中國船舶重工集團公司第七一研究所，湖北武漢430064)

微波暗室反射率電平自動校準方法及測量不確定度

張恒萍，朱傳煥，唐君

(中國船舶重工集團公司第七一研究所，湖北武漢430064)

通過開展1～40 GHz微波暗室性能自動校準技術(shù)研究，研制了低反射8維度空間測試支架，降低了測試裝置微波干擾;開發(fā)了基于Labview 8.6環(huán)境的測試系統(tǒng)控制軟件，實現(xiàn)信號調(diào)整和收發(fā)天線的相對運動;本文就微波暗室自動校準系統(tǒng)靜區(qū)反射率電平測量不確定度進行了分析和評定。

微波暗室;自動校準;反射率電平;不確定度

0 引言

微波暗室是進行系統(tǒng)電磁兼容性性能測試、評估、驗證的最基本設(shè)施，其性能直接決定了微波暗室測試的頻率范圍、所能完成的項目和精度。隨著國家高新工程和專項工程的開展，國內(nèi)建造了越來越多的高性能微波暗室，所以對微波暗室開展性能校準已成為一項重要的工作。目前，國內(nèi)只有屏蔽效能一項性能指標的測試方法，不能評價微波暗室的靜區(qū)反射電平、靜區(qū)內(nèi)場均勻性、交叉極化特性、多路徑損耗等指標，而且人工測試對暗室內(nèi)場環(huán)境干擾，不能準確評價微波暗室性能。

近幾年，我們開展了對1～40 GHz頻段的微波暗室性能自動校準系統(tǒng)研究，由于參數(shù)較多，本文僅重點闡述微波暗室靜區(qū)反射率電平自動校準方法及實現(xiàn)，并分析了反射率電平測量不確定度。

1 反射率電平測試方法

在微波暗室的靜區(qū)反射率電平的測量方法中，目前國內(nèi)外主要有空間駐波比法［1－2］、探針探測法［3］、天線波瓣圖比較(APC)法［3］、時域反射測量法［4］等?？臻g駐波比法是一種分析測量空間電磁場駐波特性常用的方法，理論成熟，較易實現(xiàn)，而其他幾種方法均有實際操作上的限制，效果不太穩(wěn)定，還處于試驗階段。

本文采用駐波比法校準反射率電平。根據(jù)空間電磁波傳播理論，在微波暗室內(nèi)，激勵的直射波信號遇到吸波材料，大部分信號被吸收，部分反射波(含散射)信號與直射波信號在空間進行矢量合成形成駐波，通過測量駐波的波峰和波谷、分析計算可以確定直射波和反射波的幅度比值，從而得到靜區(qū)反射率電平。

根據(jù)駐波曲線計算的反射率電平為

式中:Γ為靜區(qū)反射電平，dB;Emax為駐波的波峰，V/m;Emin為駐波的波谷，V/m。

由于實際的天線具有方向性，為此必須對式(1)進行修正，天線位于φ角接收到的入射場比φ=0°時的入射場低A(dB)，所以在φ方向，駐波曲線極大值與極小值dB數(shù)之差為

若直射信號Ed大于反射信號Er，A就是接收天線的方向圖電平AdB，所以Ed＞Er的情況下，由公式(1)和(2)推導(dǎo)出公式(3)，求出不同方向上的反射率電平。

在φ方向上的反射率電平為

如果Ed＜Er，則需按公式(4)計算反射率電平。

2 自動校準系統(tǒng)的研制

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)反射率電平校準原理，建立微波暗室自動校準系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由40 GHz信號源、功放、標準喇叭天線、支架控制器、低反射支架、40 GHz頻譜儀及計算機遠程控制軟件組成。通過計算機軟件控制實現(xiàn)發(fā)射信號大小的調(diào)整，收發(fā)天線正對位置φ=0°，控制頻譜儀讀取接收信號完成一次測試，并且控制接收天線在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度φ再次讀取一組數(shù)據(jù)，重復(fù)以上步驟采集所有待測角度場強數(shù)據(jù)并分析處理。研制的暗室內(nèi)部低反射測試支架照片如圖2所示。

圖1 微波暗室自動校準系統(tǒng)原理圖

圖2 測試支架實物照片

2.2 自動控制的實現(xiàn)

本系統(tǒng)自動測控開發(fā)環(huán)境為Labview 8.6，并使用Motion工具包完成電機運動控制，SCOPE工具包完成對PCI－5124數(shù)字化儀進行操作，Serial工具包實現(xiàn)RS232，RS485和局域網(wǎng)通信。軟件通過對支架和收發(fā)天線的位置控制，進行收發(fā)信號的讀取和數(shù)據(jù)處理，直觀顯示出反射率電平的值?？刂栖浖鹘缑嫒鐖D3所示。

圖3 控制軟件主界面

2.3 研制中問題及解決

由于性能較好的微波暗室的反射率電平一般都低于－40～－60 dB，產(chǎn)生的空間駐波的幅值約為0.1～0.01dB，因此采用方向性比較強的標準喇叭天線作為接收天線。測量直射信號時，將接收天線的主瓣對準發(fā)射天線，由副瓣接收的反射信號對直射信號的影響可忽略不計;測量反射信號時，將接收天線的主瓣對準反射信號，將副瓣對準直射信號，這樣可以降低直射信號接收的幅度，增加反射信號接收的幅度，綜合效果可改善20～30 dB的分辨力，測量的駐波曲線將比較明顯，便于計算。

由于校準頻率范圍覆蓋1～40 GHz，傳輸電纜的衰減對接收信號準確度的影響較大，本課題中選用低損耗電纜并盡量減小電纜長度，同時對電纜衰減進行校準，并對測試結(jié)果進行修正，減小誤差影響。

由于測量過程中應(yīng)盡量減少對微波暗室內(nèi)電磁場的擾動，所以采用低反射高強度的MC尼龍材料作為支架材料，對控制天線動作的電機適當使用吸波材料，對支架底部鋪設(shè)吸波材料，通過ANSYS軟件分析保證支架能夠高穩(wěn)定移動。

3 反射率電平不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型與不確定度來源

反射率電平的數(shù)學(xué)模型為公式(3)和公式(4)。在使用自動校準系統(tǒng)校準微波暗室性能的過程中，影響測量準確度的因素很多，其不確定度的主要來源有:①收、發(fā)天線的副瓣特性引入的不確定度;②測試支架、測試電纜和天線對場的擾動、散射引入的不確定度;③頻譜分析儀幅值線性引入的不確定度;④轉(zhuǎn)臺控制器定位精度引入的不確定度;⑤收發(fā)天線的位置和極化失配引入的不確定度;⑥靜區(qū)場均勻性引入的不確定度;⑦電纜損耗平坦度引入的不確定度;⑧信號源、功率放大器穩(wěn)定度及系統(tǒng)噪聲引入的不確定度。

3.2 不確定度分析

3.2.1 B類標準不確定度

1)收、發(fā)天線的副瓣特性引入的不確定度

副瓣主要接收反射和散射信號，對駐波極大值和極小值的測量產(chǎn)生影響，駐波幅值范圍為0.01～0.1 dB，考慮最差的情況，天線副瓣對 Δab的影響小于±0.1 dB，假設(shè)服從均勻分布，則由收發(fā)天線的副瓣特性引入的標準不確定度為

2)測試支架、測試電纜和天線對場的擾動、散射引入的不確定度

試驗時將測試支架、測試電纜和天線布置盡量合理，盡可能減少對靜區(qū)場分布的影響，但是影響是真實存在的，根據(jù)經(jīng)驗得出該影響應(yīng)小于±0.5 dB，服從正弦分布，則由測試支架、測試電纜和天線對場的擾動和散射引入的標準不確定度為

3)頻譜分析儀幅值線性引入的不確定度

由于反射率電平的測量值是某一頻率下、接收天線在相同角度不同位置測得的相對數(shù)據(jù)，所以頻譜分析儀的對數(shù)刻度性能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，頻譜分析儀測量值的變化范圍不超過5 dB，因此其最大允許誤差為±0.1 dB，假設(shè)駐波的波峰與波谷測量值服從均勻分布，則由頻譜分析儀幅值線性引入的標準不確定度為

4)轉(zhuǎn)臺控制器定位精度引入的不確定度

在測量反射率電平的過程中，接收標準喇叭天線高度和角度控制的準確度對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，測試支架在垂直方向的位置由激光測距傳感器確定，系統(tǒng)配置的INSIGHT－200激光測距儀誤差為±1 mm，則最大定位誤差為1 mm/6m=0.016%=0.001 dB，影響可忽略不計。

5)收發(fā)天線的位置和極化失配引入的不確定度

測量時將收發(fā)支架安裝在同一水平面上，程序控制收發(fā)天線的水平移動，所以收發(fā)天線的位置和極化失配引起的測量誤差可以控制在±0.2 dB，假設(shè)服從反正弦分布，則由收發(fā)天線的極化失配引入的不確定度為

6)靜區(qū)場均勻性引入的不確定度

在一個駐波周期內(nèi)，靜區(qū)內(nèi)場的變化優(yōu)于±0.5 dB，假設(shè)服從均勻分布，則靜區(qū)場均勻性引入的測量不確定度為

7)電纜損耗平坦度引入的不確定度

電纜損耗的平坦度為±0.1 dB，假設(shè)服從均勻分布，所以引入的不確定度為

8)信號源、功率放大器穩(wěn)定度及系統(tǒng)噪聲引入的不確定度

天線支架安裝喇叭天線移動過程，信號源、功率放大器發(fā)送信號產(chǎn)生極小漂移，系統(tǒng)噪聲對測量結(jié)果有較小影響，所以假設(shè)此影響量為±0.2 dB，服從均勻分布，所以引入的不確定度為

3.2.2 A類標準不確定度

選取測量頻率為18 GHz，收發(fā)喇叭天線水平高度位于233 cm，測試行程線位于靜區(qū)縱向中心位置，接收天線偏離中心線45°角，對靜區(qū)反射率電平值重復(fù)測量6次，測量結(jié)果分別為－57.9，－58.2，－58.3，－58.5，－58.7，－58.9，－58.4 dB。

樣本實驗標準偏差即為測量結(jié)果的A類評定的標準不確定度:

3.3 擴展不確定度

由于各輸入量獨立不相關(guān)，所以合成標準不確定度為

將各不確定度分量值代入公式(5)，有 uc= 0.58 dB。

由此可得，擴展不確定度為

4 結(jié)論

本自動校準系統(tǒng)儀器設(shè)備全部置于暗室外部，采用低損耗電纜收發(fā)控制信號，信號接收使用標準增益喇叭天線增強方向性和信號接收強度，接收天線掃描支架材料選擇反射性弱、強度高的MC尼龍，使微波暗室校準過程中校準系統(tǒng)和人員對校準數(shù)據(jù)的影響最小，校準數(shù)據(jù)準確度高。

本校準系統(tǒng)解決了目前國內(nèi)微波暗室沒有校準規(guī)范、校準工作實現(xiàn)難度大的問題。

［1］郝曉軍，陳永光，何建國，等.FDTD計算暗室靜區(qū)指標［J］.微波學(xué)報，2007，23(4):194－197.

［2］王志宇，喬閃，袁宇，等.微波暗室靜區(qū)性能的測量方法［J］.微波學(xué)報，2007，23(4):69－72.

［3］約翰.克勞斯.天線［M］.3版.章文勛譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］Clouston E N，Langsford P A，Evans S.Measurement of anechoic chanber reflections by time－domain techniques［J］.IEEE PROCEEDINGS，1988，135(2): 93－97.

Auto Calibration and M easurement Uncertainty of Quiet Zone Reflectivity Level of M icrowave Anechoic Chambers

ZHANG Hengping，ZHU Chuanhuan，TANG Jun
(No.701 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430064，China)

A 1～40 GHz auto－calibration technique was developed formicrowave anechoic chambers，and an octuple spacemotion frame with low reflection was developed to reduce disturbingmicrowave signals.The control software of the test system is based on Labview 8.6 and it can realize signalmodulation and antennas relativemovement.Analysis and evaluation wasmade on themeasurement uncertainty of the quiet zone reflectivity level in themicrowave anechoic chamber.

microwave anechoic chamber;auto calibration;reflectivity level;uncertainty

TB97;TM937

A

1674－5795(2015)01－0038－04

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.09

2014－06－06;

2014－07－03

國家“十一五”技術(shù)基礎(chǔ)科研項目(J082008B001)

張恒萍(1981－)，女，工程師，工學(xué)碩士，長期從事電磁兼容計量工作。