1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 增刊 1 2023 年 7 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.S1 Jul.2023 收稿日期:2023-04-26 作者简介:曹猛（1986），男，内蒙古赤峰，博士，工程师，主要从事天线及相控阵列近场、远场测试、吸波材料测试的研究，。引文格式:曹猛，刘颖.多功能电磁场综合测试暗室设计与建设J.实验技术与管理,2023,40(增刊 1):71-75.Cite this article:CAO M,LIU Y.Design and construction of multifuncti
2、onal electromagnetic field comprehensive test chamberJ.Experimental Technology and Management,2023,40(S1):71-75.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.S1.016 实验室建设与管理 多功能电磁场综合测试暗室设计与建设 曹 猛，刘 颖（北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081）摘 要：微波暗室可以屏蔽外界电磁波的干扰，使测量活动不受外界电磁环境的影响，同时能够抑制内部电磁多路径反射干扰，构
3、建一种对来波几乎全部吸收的纯净的电磁测量环境。大多数微波暗室测试功能一般相对单一，仅能够服务于某一至两项测试需求。该文根据功能需求设计并建设了多功能复合型测试暗室，结合实践经验给出了微波暗室的结构和性能设计方法。该微波暗室具备近场、远场、RCS、北斗导航模拟、复杂电磁环境模拟等多项功能，为所在单位各研究团队提供了多种测试条件，并取得了较好的科研和社会服务效果。关键词：微波暗室；多功能测试；综合测试暗室；近场测试；远场测试 中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)S1-0071-05 Design and construction of multifunct
4、ional electromagnetic field comprehensive test chamber CAO Meng,LIU Ying(School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:The anechoic chamber can shield the interference of external electromagnetic waves,so that the measurement activities are not a
5、ffected by the external electromagnetic environment,at the same time,it can suppress the internal electromagnetic multipath reflection interference,and construct a pure electromagnetic measurement environment that can absorb almost all to waves.Most anechoic chambers have relatively single test func
6、tions and can only serve one or two test requirements.According to the functional requirements,a multifunctional composite test anechoic chamber is designed and constructed in this paper,and the structure and performance design method of anechoic chamber is given based on practical experience.The an
7、echoic chamber is equipped with near-field,far-field,RCS,Beidou navigation simulation,complex electromagnetic environment simulation and other functions.It provides various testing conditions for each research team in the unit,and has achieved good scientific research and social service effects.Key
8、words:anechoic chamber;multifunction test;comprehensive test chamber;near-field measurement;far-field measurement 微波暗室可以屏蔽外界电磁波的干扰，使测量活动不受外界电磁环境的影响，同时能够抑制内部电磁多路径反射干扰、构建一种对来波几乎全部吸收的纯净的电磁测量环境。通过远场和近场测量软硬件系统可精确测量雷达、通信设备的天线参数和各种目标电磁散射特性等。微波暗室属于大型设备和高技术集成产品，具有造价高、技术水平高、综合性强的特点，是国家电子信息工业的重要基础设施，微波暗室的测量水平标
9、志着测量行业技术发展的最高水平，微波暗室的建设是具有前瞻性的系统工程。微波暗室的建成，可极大改善相关学科的实验环境和实验手段，对培养高层次人才、开展新技术研究和提高教学科研水平具有重要作用。微波暗室建设包含整体设计、测试系统设计1-4、72 实 验 技 术 与 管 理 吸波材料设计5-7、软件设计（系统测试软件8、自动化测试软件9、设备控制软件10-11）等。微波暗室依据测试类型可分为天线近场、天线远场、RCS、电磁兼容测试等类型12，因为微波暗室建设一般针对本单位涉及的项目类型或单一客户类型，如研究所一般只针对天线测量、RCS 测量或电磁兼容测试等单一需求进行建设，因此需求一般相对单一，暗室
10、的建设设计也主要针对单一类型测试13-16，目前测试暗室技术成熟，已实现商业产品化。包含多个功能的复合型微波暗室虽然功能较多，但是大部分暗室单一类型测试系统已基本满负荷运转，建设复合型微波暗室反而会造成资源浪费，因此多功能复合型微波暗室需求不多，对这类微波暗室的研究较少。本文设计并完成建设的多功能复合型微波暗室面向的需求与大部分建设单位需求有所区别，即服务的团队多、测试的项目多、测试类型杂、测试周期短。服务的团队超过 20 个，测试项目覆盖天线测试、RCS测试、北斗导航测试、复杂电磁环境测试等多种需求，每种需求的测试时间均在 15 d 左右，单一测试类型测试总时间不超过 3 个月，因此建设多功
11、能复合型微波暗室可实现团队需求覆盖最大化、资源利用最优化。本文针对需求功能多、测试系统多带来的设计难题，通过多次迭代仿真优化系统布局、测试设备构成、测试流程，最终实现了具备远场、近场、RCS、北斗导航、复杂电磁环境综合测试功能的微波暗室，能提供天线辐射特性、目标体散射特性的测量及北斗导航、复杂电磁干扰环境的模拟。本文设计的微波暗室建设依据文件如表 1 所示。表 1 依据文件列表 标准号 标准名称 GB 508262012 电磁波暗室工程技术规范 GB/T 121902006 高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法 GB/T 18883 室内空气质量标准 GB 50009 建筑结构荷载规范 GB 500
12、16 建筑设计防火规范 GJB 67802009 微波暗室性能测试方法 GB 501162008 火灾自动报警系统设计规范 GB/T 240693 塑料燃烧性能试验方法氧指数法 NRL Report-8093 无回波暗室用PU泡沫塑料改进的阻燃试验 1 暗室功能需求和建设难点 1.1 功能需求 根据科研团队的个性化科研需求，多功能电磁场综合测试暗室应具备远场、近场、RCS、北斗导航、复杂电磁环境综合测试功能，能进行天线辐射特性、目标体散射特性的测量及北斗导航、复杂电磁干扰环境的模拟。（1）远场天线辐射测试功能：有源/无源天线的接收、发射性能测试；微波全频段天线收发测试，频率范围为 400 MH
13、z40 GHz；各种天线的辐射特性测试能力，如天线方向图、增益、极化等。（2）近场天线测试功能：近场测量和诊断天线辐射特性参数，如方向图、增益、极化特性等基本参数。（3）RCS 测试功能：载体模型或缩比模型的 RCS测试，如飞机、导弹等及局部模型。（4）北斗导航测试功能：提供模拟的北斗导航布局环境。（5）复杂电磁干扰环境：提供多天线布局，可模拟复杂环境。1.2 建设难点 因为测试功能需求较多，还有天线布局进行模拟环境的需求，所以需要从测试系统布局、测试设备使用管理等多个方面进行综合考虑。1.2.1 多系统综合利用布局困难 根据功能需求，微波暗室需要集成远场、近场、RCS 测试系统，包含近场转台
14、、近场采样架、远场转台、RCS转台等多个机械类测试设备和电子测试仪器。为满足测试需求，需要考虑多种条件，如远场测试距离、RCS 测试距离等，还要考虑远场采样架和 RCS转台在测试时对方对测试的干扰影响，以及近场采样架、远场转台对导航、干扰测试环境的影响。1.2.2 设备管理使用复杂 因为暗室需具备多种功能，每种功能都需要测试仪器支持，因此会造成测试仪器较多的情况。这样首先会加大建设成本，其次测试时容易误操作，同时不利于管理、保养。2 微波暗室设计 2.1 统筹考虑系统布局 进行系统布局设计时，进行了多轮迭代，迭代流程首先通过单系统仿真计算后，进行单系统设备布局，所有设备布局设计完成后，再计算各
15、系统在真实环境下的性能指标，然后计算系统位置调整后，各系统在真实环境下的性能指标，按照该流程进行多次迭代后最终微波暗室中各系统布局如图 1 所示，图中由左至右依次放置：RCS 发射和接收天线、近场采样架、近场转台、RCS 转台、远场转台。其中 RCS 发射接收天线高度为 6 m，位置在发射区背墙（南墙）正中；近场扫描支架距后墙（发射区）2 m；5 轴转台旋转中心距接收区后墙（北墙）2.9 m 曹 猛，等：多功能电磁场综合测试暗室设计与建设 73 以保证远场距离14 m；RCS 转台中心距离接收区后墙 5 m，保证远场测试距离近14 m。图 1 微波暗室各系统布局示意图 2.2 共用系统通用设备
16、 为避免设备过多，在进行近场、远场、RCS 测试系统构成分析后，将公共设备进行合并，采购可同时满足各系统要求的通用设备，有效减少了设备数量，此措施降低了建设成本，提高了管理效率。各系统构成如图 2 所示，近、远场测试系统由信号源提供中频信号，矢量网络分析仪进行信号输出和采集，测试切换模块负责进行近/远场测试通道信号的切换，发射和接收模块负责进行信号的中频混频信号处理，由喇叭天线或波导进行信号发射，由待测天线进行信号接收；RCS 系统由矢量网络分析进行信号输出和采集，功放和低噪放设备负责对信号进行放大，由喇叭天线进行信号辐射和接收。图 2 各系统构成框图 各设备共用情况如表 2 所示，近场、远场
17、测试系统除转台外，可采用相同设备进行测试，3 个测试系统可共用同一矢量网络分析仪。在最初设计中，近场、远场测试需要在发射和接收模块前的预处理模块进行切换，切换过程中需要对接收、发射、信号源、中频信息等多个接口进行切换。进行操作时操作人员需严格按照说明进行切换，切换流程繁琐且容易出错，在试运行中曾出现因切换接口错误导致测试结果错误的情况。因此在试运行后，将前端预处理模块进行调整，增加自动切换功能，变为测试切换开关，通过上位机软件操作即可完成近场、远场测试的信号通道切换，有效提高了测试效率，降低了操作风险。表 2 共用设备列表 序号 设备名称 共用系统 1 矢量网络分析仪 近场、远场、RCS 2
18、信号源 近场、远场 3 测试切换开关 近场、远场 4 发射/接收模块 近场、远场 2.3 测试流程设计 根据设计方案，微波暗室同一时间只能进行一种类型测试，在进行一种类型测试时，需要对其他类型测试设备进行调整。微波暗室发射区放置平面近场和远场共用的三维扫描支架、二维转台及平移导轨，扫描支架后墙中心处规划一个馈源窗口，可由操作控制室直接更换馈源，边墙及后墙部分布置北斗满天星天线，其工况切换如下：1）远场测试。远场测试系统工作时，如图 3 所示，将 RCS 泡沫支撑移出暗室，将远场 5 轴转台移动至远场测试静区中心，源天线安装在扫描支架上探头位置，其高度与待测天线一致；RCS 转台和平移导轨金属部
19、分铺设吸波尖锥，减弱远场测试静区反射电平；馈源窗口关闭并用吸波尖锥遮挡。图 3 远场测试示意图 2）近场测试。近场测试系统工作时，如图 4 所示，馈源窗口关闭并用吸波尖锥遮挡，扫描支架近场部分移动至暗室74 实 验 技 术 与 管 理 中轴，配合二维转台完成近场数据扫描采集。图 4 近场测试示意图 3）RCS 测试。RCS 测试系统工作时，如图 5 所示，RCS 方位转台位于 RCS 测试静区中心，远场 5 轴转台由导轨移动至墙角使用吸波材料进行隐藏，保证 RCS 测试静区性能；二维转台、平移导轨做好屏蔽处理；近场扫描架移动至墙角隐藏，馈源天线安装在馈源窗口进行收发。图 5 RCS 测试示意图
20、 4）北斗导航和复杂电磁干扰环境模拟。北斗导航和复杂电磁干扰环境模拟时，远场 5 轴转台由导轨移动至墙角使用吸波材料进行隐藏，近场扫描架移动至墙角隐藏，各模拟导航信号源/干扰天线安装在侧墙等各个部位，利用二维转台完成北斗导航和抗干扰测试。3 建成效果 3.1 整体环境指标 微波暗室建成后，总体环境可满足 400 MHz 40 GHz 的测试需求，且具备将工作频率扩展至 110 GHz的条件。验收测试指标如表 3 所示。表 3 验收测试指标列表 测试类型 工作频率范围 要求指标 暗室尺寸 19 m(长)10.5 m(宽)10.5 m(高)工作频率范围 0.4110 GHz 0.418 GHz 1
21、00 dB 屏蔽效能 1840 GHz 80 dB 暗室远场静区尺寸3 GHz 0.8 m0.8 m0.8 m 0.41 GHz 35 dB 13 GHz 37 dB 38 GHz 45 dB 暗室远场反射电平840 GHz 55 dB 0.41 GHz 30 dB 13 GHz 35 dB 38 GHz 40 dB 暗室近场主墙吸波材料反射率 840 GHz 50 dB 暗室空室 RCS 背景0.4110 GHz 30 dBm 场幅均匀性 0.4110 GHz 横向0.25 dB；纵向2 dB 多路径损耗 0.4110 GHz 0.5 dB 3.2 各类型测试验收指标 微波暗室验收时对远场、
22、近场、RCS 进行了性能指标验收测试，对导航模拟功能和复杂电磁环境的天线安装位置进行了测试，均满足需求指标。具体测试指标见表 4。3.3 服务成果 微波暗室建设于北京理工大学信息科学实验楼一层，于 2019 年 9 月 11 日建成通过评审，至 2021 年底结束试运行正式投入使用。暗室建成后不仅为校内科研、教学、学科建设提供基础支撑，还积极面向社会需要提供技术测试与专业服务，在人才培养、学科建设、科学研究、社会服务等方面取得了一系列的成果，图 6 和 7 分别为近场系统和远场系统提供测试服务示例。微波暗室运行两年中已服务6个学院的20余个课题组近 200 师生，项目 40 余项（项目涵盖自然
23、科学基金、重大专项、横向课题等），支撑大学生竞赛 12项（其中全国级竞赛 3 项和全国总冠军 1 个、省级竞赛 5 项），支撑高水平文章 50 余篇。曹 猛，等：多功能电磁场综合测试暗室设计与建设 75 表 4 各项测试验收指标 测试类型 测试项目 要求指标 实测数据 是否满足天线增益 电平差值0.5 dB电平差值最大 0.44 dB 满足 方向图对称性 电平差值0.5 dB同一副瓣电平差值最大 0.4 dB 满足 测试系统重复测试精度 0.5 dB 天线增益测量值在不同时间段测量重复性最大为 0.125 dB 满足 天线相位中心标定精度误差 10 mm 天线相位中心实际值与理论值最大偏差 2
24、.2 mm 满足 远场测试 相位中心标定重复性 5 mm 天线相位中心重复精度最大偏差 0.84 mm 满足 近场测试 远场实测方向图与远近变换后得到的方向图各指标差异 5%远场实测方向图与远近变换后得到的方向图各指标差异最大 3.8%（包括 3dB 波瓣宽度、第一副瓣电平、第一零深电平等测试指标加权结果）满足 RCS 测试 误差 0.5 dBsm 0.2 dBsm 满足 图 6 近场系统提供测试服务 图 7 远场系统提供测试服务 4 结语 本文介绍了多功能综合微波测试暗室，该暗室通过前期仿真优化，以及实际测试时对多个系统设备的调整，实现了微波暗室远场测试、近场测试、RCS 测试、导航环境模拟
25、、复杂电磁环境模拟等多个功能。通过验收测试微波暗室的电磁环境、近场测试、远场测试、RCS 测试性能指标均满足使用要求，证明该暗室设计方法包括前期系统布局仿真迭代、测试设备优化、测试流程优化方法的正确性。参考文献(References)1 耿道田，刘刚，施玉林，等.微波暗室建设的探索与实践J.实验室研究与探索，2002（增刊 1）:7981,86.2 周勇，喻程.基于等效磁流法的平面近场测量技术研究J.电子测量技术，2022,45(21):169174.3 刘星汛，程先友，黄承祖.110 GHz170 GHz 天线平面近场测量系统J.宇航计测技术，2022,42(5):1316.4 汪尊武，张重
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