了解用于电磁和射频测试的电波暗室

“消声”一词的意思是“没有回声”。消声室指的是设计为墙壁、天花板和地板的波反射的房间。
 

电子工程师使用电波暗室进行电磁兼容性 (EMC)或电磁干扰 (EMI)和射频测试。这些腔室的内壁经过特殊材料处理，可以吸收电磁波。

还有音频消声室，专为录音等应用而设计，吸收声波而不是电磁能。

本文涉及电磁波暗室的基础知识，特别是它们与 RF 测试的关系。

电磁测量：常见要求

广泛的应用领域需要测量电磁波。例如，在使用天线时，我们需要知道天线如何将电磁能量发送到太空（或用作接收器时如何接收）。这通过天线的辐射方向图来表征，如图 1 所示。

图 1(a) 显示了由两条沿 z 轴定向的细线创建的偶极天线。

图 1.天线模型和方向图。图片由思科提供
 

该图还显示了 3-D 辐射方向图（图 1(b)），以及完美偶极天线的主平面方向图（图 1(c) 和 1(d)）。

天线是无线通信系统的重要组成部分，会影响整个系统设计中的许多关键决策。例如，了解手机信号塔的辐射模式以确定它们之间的间距很重要。

在导弹、飞机或其他类似武器的电磁兼容性测试和雷达截面测试等领域也需要测量电磁波。

室外电磁波测量挑战

图 2 显示了测量天线辐射方向图的示例设置。

图 2.天线辐射测量的示例设置
 

在此设置中，被测天线 (AUT) 充当接收器。

参考天线传输已知量的功率。定位器将 AUT 旋转到所需位置（调整 θ 和 φ），测量系统记录接收到的功率。这些测量形成了方位角/仰角平面中辐射方向图的极坐标图。

这种测量可以在开放区域测试场地 (OATS) 中进行；然而，户外测试有一些缺点。

首先，测试环境中存在的外来电磁波也会被 AUT 接收，从而在我们的测量中引入误差。这些外来波可能来自各种，例如 FM 无线电发射器、手机、空中交通等。

室外电磁波测量也容易受到风雨等天气条件的影响。

另一个问题是地板和任何其他周围结构的反射。如上图所示，这些不需要的反射也会被 AUT 拾取。

电波暗室作为可靠的射频屏蔽测试环境

解决我们刚才讨论的问题的一种方法是使用电波暗室。

消声室使用金属墙来保护我们的设备免受外来无线电信号的影响。为了尽量减少不需要的反射，特殊的 RF 吸收材料（如图 3 所示）用于覆盖腔室的内壁。

屏蔽测试环境免受外部干扰以及的墙壁反射波，实际上模拟了在一个无限大的房间内并实现的可重复测量。

消声室的大小可以从桌面外壳到典型的房间，工程师可以走进去工作，再到像飞机机库一样大的空间（图 4）。

大型电波暗室通常要花费一大笔钱。一个大到足以在 AUT 和发射天线之间提供 10 m 物理距离的电波暗室的成本可能高达 200 万美元。

电波暗室用射频吸波材料

电波暗室的内表面通常覆盖着装有导电碳的泡沫金字塔。金字塔的锥形结构将无线电波从空气传输到金字塔中使用的有损碳，波反射。

RF吸收器应吸收所有入射电磁能并将其转化为热量。

然而，在实践中，一部分入射 RF 功率不可避免地从腔室壁反射。反射波通常约为入射波的 0.1% 至 1%，相当于 -30 至 -20 dB 的衰减。

新一代宽带吸收器可以为微波频率的垂直入射提供优于?60 dB 的反射系数。

泡沫金字塔吸收较高频率的电磁波，而较低频率通常由铁氧体瓦处理，铁氧体瓦可能是腔室中昂贵的组件之一。

用于不同类型测量的不同消声室

如前所述，电波暗室用于各种测量，例如：

• 天线方向图测量
• 辐射发射测试
• 辐射抗扰度测试
• 无线发射器 (RF) 测试
• 雷达横截面测量

每种类型的应用可能需要不同的腔室。

例如，对于发射器/接收器测试，我们可能有兴趣消除所有表面的反射，包括暗室的地板，以模拟没有多径伪影的环境。在这种情况下，我们需要一个全消声室 (FAR)，其中所有表面都覆盖有 RF 吸收材料。

但是，几乎所有辐射和传导发射测试标准（包括ANSI C63.4和CISPR 16）中描述的测试设施都是半电波暗室 (SAC) 和 OATS。

SAC 的墙壁和天花板覆盖有 RF 吸收材料，而地板则由金属反射地平面制成。

在许多 EMC 标准中使用 SAC 的一个主要原因是反射接地更接近于模拟真实情况。实际上，被测设备发出的电磁能会从地面反射到附近的设备。

腔室的选择也会受到您用于测量的标准类型的影响。

例如，在汽车 EMC 测试中，采用的 EMC 标准会影响测试范围的大小和/或电波吸收器的放置。每个标准都有自己的要求。

审核编辑 黄宇