关于微波暗室

本文内容探讨微波暗室，本文主要做一些概念性的文字介绍，以求梳理有关微波暗室各方面的知识：涉及到暗室的发展与简介、原理、分类与构成、吸波材料、性能评价标准、建模方法等。

墨@#≯

6573人浏览 · 2023-04-27 11:06:47

墨@#≯ · 2023-04-27 11:06:47 发布

说明

最近的项目需求涉及到暗室相关的东西，想着对暗室应该有一些基本的理解，于是搜集了一些基本的资料整理如下。内容包括暗室的基本介绍、原理与分类、评价指标等概念，本博文纯文字(概念)内容，无代码和数据。后续实践过程中如果有更深入以及细节的理解我会一并在本博文中做更新和丰富。

Blog

20230427 博文第一次写作

一、暗室的简介

微波暗室又叫吸波室、电波暗室，一般是指由吸波材料和金属屏蔽体组成的特殊房间，该房间可有效防止电磁波的多次反射、隔绝外界电磁波的干扰，提供一个稳定的电磁环境，(高级点的还能进行温度和湿度的调控)。使得在暗室内做天线、雷达等与电磁波相关的测试时可以免受杂波干扰，提高测试精度和效率。

图1.1 暗室示意图

图1.2 暗室实物图

暗室是做雷达必不可少的设备条件之一。包括雷达的射频性能测试、天线测试、产品的性能测试等如果要保证测量的准确性都需要在暗室里进行。暗室的建设最早可以追溯到1930年的德国，德国戈德根大学创建了一个声和电可以同时适用的暗室，这大概是世界上第一个微波暗室。我国正式对微波暗室的研究和建设开始于建国后，快速发展是从70年代才开始的。

二、暗室的原理

暗室主要是基于吸波材料和屏蔽室完成对电磁波的吸收和屏蔽。

电磁波在吸波材料中经过多次反射能量被耗散掉，此外吸波材料自身的一些材料特性(比如高磁导率)也可以吸收掉很大一部分电磁波的能量。屏蔽室对电磁波(外界)的屏蔽原理是则是高中物理知识。

三、暗室的分类与结构组成

一般微波暗室可分为半电波暗室和全电波暗室。半电波暗室是指暗室除地面外其它五面粘贴吸波材料，地面为反射金属板，想要模拟的是理想的开阔场情况：场地开阔，且有一个无限大的良好的导电地平面。全电波暗室是指暗室六面体全部粘贴吸波材料，在主反射区粘贴比其它区域吸波性能更优质的吸波材料，想要模拟的是完全自由的电磁场空间(没有反射，也没有外界干扰)。

这两种暗室针对(适用)的应用场景有所区别：

半电波暗室我们一般用作EMC（Electro Magnetic Compatibility,电磁兼容）测试。这里简单介绍一下电磁兼容：电磁兼容是指电子、电气设备或系统在预期【至于预期具体是什么，不同的产品有不同的国家或行业标准】的电磁环境中按设计要求正常工作的能力，产品的电磁兼容性能表现在两个方面：A、在有外界一定限度下的电磁干扰的情况下，产品不受该干扰的影响(又称为：EMS，Electro Magnetic Susceptibility，电磁抗扰度性能)。B、产品自身不对外界产生超过特定标准所要求的电磁能量干扰(又称为：EMI，Electro Magnetic Interference,电磁干扰性能)。要使得产品满足这些要求，是需要做一些电磁兼容设计的，具体如何设计这里不做讨论。电磁兼容的测试也包括了上面说的两个方面，具体的测试细则与方法我后面将出相关的博文进行说明。半电波暗室（电磁兼容测试暗室）又分为3米法、10米法和5米法标准暗室(暗室的尺寸不一样，可以用来进行测量的产品的尺寸也不一样)。（至于电磁兼容测试为什么要用半电波暗室，是不是不能用全电波暗室，我暂时并不清楚…）

全电波暗室一般用来做天线的测试、产品性能(比如车载雷达的测距、测速、测角等参数)的测试等。

或者按照暗室的形状分类，有锥形的微波暗室、矩形的微波暗室、喇叭形的微波暗室等(事实上在暗室发展的早期，人们只知道通过改变暗室的形状来提高暗室的性能而不知道可以通过对吸波材料的一些设计来提高暗室性能，所以早期有各种形状的暗室，但是现在更多就主要是前面三种了)。

暗室的组成主要包括：屏蔽室（对于做电磁兼容的半电波暗室，对屏蔽室的要求较高：主要是为了防止从外界有电磁干扰进来，所以对屏蔽室的结构、材质等需要有专门的设计，而对于做天线测试的全电波暗室，我们更关注的是电磁波的反射，全电波暗室的屏蔽室我们直接用普通的墙壁在其上贴上吸波材料后基本就能满足要求了）、吸波材料(不同频率下吸波材料的材质会有区别)、其它(按需)：转台、天线、监控、消防报警、照明等。现在标准的(或者说专业的)测试暗室，都有比较完备的测试设备，可以完成对天线等待测物件的半自动/全自动测试，并出具测试报告。

四、搭建暗室的吸波材料

暗室对电磁波的吸收主要依靠吸波材料。更具体地，包括材料的材质以及材料的结构，这两者都会影响暗室的性能。此外，应该尽可能地质量小、耐高温、耐潮湿以及抗侵蚀等。

微波暗室的建造首先考虑的是其工作频率，频率不同选择的吸波材料会有不同。高频的话一般选用聚氨酯吸波海绵(角锥)，低频一般采用铁氧体瓦格作为吸波材料。高频低频的界定标准是什么(界定频点1GHz以下为低频)？

至于材料的形状，聚胺酯吸波海绵一般是做成锥体的结构(上面微波暗室实物图用的便是聚氨酯角锥)：锥体的大小应该大于入射波波长，这样入射波才会在相邻两个角锥之间来回反射，反射的过程也是能量被吸收和消耗的过程。铁氧体瓦格材料主要是依赖材料本身的高磁导率对电磁波磁场的消耗来完成对电磁波的吸收，一般是做成四四方方(瓦片一样)的样子，可以通过增加厚度以提高对电磁波的吸收率。

五、暗室性能的评价标准

似乎对于任何的与人本身没有直接关联的东西，我们一般都有一套客观的科学的评价标准。对微波暗室的我们有如下参数可供评价：

暗室的频率范围：该参数主要取决于吸波材料，如上一节所述，吸波材料不是说对所有的频段的电磁波都能有很好的吸收效果。

对于半电波暗室：屏蔽效能、场地均匀性、归一化场地衰减和传输损耗。

这些参数都有国际/国家标准，比如：电磁屏蔽性能：频率范围和屏蔽效能14KHz～1MHz≥60dB，1MHz～1000MHz≥90dB，1GHz～18GHz（40GHz）≥80dB；场地均匀性：在1.5m×1.5m假想垂直平面上75%的场强幅值偏差应在0dB～＋6dB之间；归一化场地衰减和传输损耗：归一化场地衰减和传输损耗与理论值的偏差应在±4dB之内。

对于全电波暗室：静区大小、静区反射电平、场幅均匀性。

静区是通信中的概念：我们远距通信需要依赖电离层对电磁波的反射，如下图中的F2层，电磁波从T处以一定的仰角发射，经过电离层F2的反射到达R1处，在T到R1的中间某块区域会存在：此区域中沿地面传播的电磁波已经被吸收殆尽，而电离层的发射波并不会经过这里，也即该区域几乎不存在从发射天线发射的电磁波，我们定义这样的区域为静区。

图5.1 通信中的静区(红色框内)

而对应到微波暗室中，我们定义的静区是指近似无反射的区域(当然，理想的情况是暗室内部没有电磁波的反射，但无法达到理想的情况..)。更具体地，一般认为满足远场条件的区域就是静区？对于远场条件公式，有：

（5.1）

式中，R为待测天线与发射端天线之间的距离，D为待测天线的有效口径，静区离发射端天线的间距应至少大于R，且其大小应至少大于D。也即，暗室的大小越大对应的静区便也越大，但具体应该设计成多少，取决于待测物的尺寸以及成本的考量。

静区性能的核心指标就是静区反射电平：反射电平是指电磁波经由暗室墙体以及地面反射后到达静区的反射电场与电磁波直射到静区时的直射电场的比值(通常要求其应该至少小于-30dB)。

场辐均匀性：对于理想的暗室，源天线发射的电磁波到达待测天线时近似为平面波，但是实际暗室中还是会有发射，在这些反射的电磁波的影响下，源天线发射的电磁波到达待测天线时其幅度和相位都会受到影响，我们用场辐均匀性来衡量这种影响，一般地，在静区的中心水平面，接收到的电磁波的波动要求小于 ±2dB，在静区的中心垂直面，接收电磁波的波动要求小于±0.25dB

六、一些建模仿真的方法

建模仿真是为了更好的支持微波暗室的建设：在建造微波暗室前对其进行相应的模拟仿真分析，用以评估所建微波暗室的性能和可行性，并将所得的结果作为参考来指导其建设。一些优化的设计可以在保证性能的前提下很大程度上减少材料的使用量，降低暗室的建设成本。

几何光学法(高频)、时域有限差分法(低频)。这部分内容不做讨论感兴趣的可以看看参考资料2.

七、总结

本文内容探讨微波暗室，微波暗室可以模拟(提供)比较理想的测试环境，对于有关电磁波产品的研发和测试十分重要。本文主要做一些概念性的文字介绍，以求梳理有关微波暗室各方面的知识：涉及到暗室的发展与简介、原理、分类与构成、吸波材料、性能评价标准、建模方法等。现阶段内容不算太多，也不算太过细节，后续有机会我不定期更新本博文内容。