无线电吸波暗室的反射电平（上）

高选正

【摘    要】给出了天线方向图比较法和自由空间电压驻波比法两者的对照，这2种方法可用于评估无线电吸波暗室的反射电平。在分析这2种方法之后，指出了哪些参数会影响反射电平的测量值。通过实验结果的对照，揭示了为什么在采用这2种方法时会得到不尽一致和不相关联的结果，进而还表明当吸波暗室性能获得改进之后，如何利用反射电平来衡量这种改进。基于目前的研究成果，描述了吸波暗室性能的评估步骤。同时，还通过举例指出有必要开展进一步的研究，以便归纳出满意的评估步骤。

【关键词】吸波暗室    反射电平    天线测量    远场

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A    文章编号：1006-1010（2014）-22-0031-06

Reflectivity Level of Radio Anechoic Chambers

GAO Xuan-zheng1， FU De-min2

（1. Xi'an Branch Academy， China Academy of Space Technology， Xi'an 710061， China;

2. Xidian University， Xi'an 710071， China）

[Abstract]A comparison between the antenna-pattern comparison technique and the free-space voltage standing-wave ratio technique for evaluating the reflectivity level of radio anechoic chambers is presented. Based on an analysis of the two techniques， it is pointed out which parameters influence the measured value of the reflectivity level. The comparison is illustrated with experimental results and it is explained why inconsistent and uncorrelated results may be found when the two methods are used. Furthermore， it is demonstrated， by introducing improvements in a chamber， how the reflectivity level can be used to measure the improvements. This work is inspired by the current discussion of finding a figure of merit for anechoic chambers. Based on the results， an evaluation procedure for anechoic chambers is indicated. However， it is pointed out and illustrated by examples that further investigations are necessary before a satisfactory procedure can be outlined.

[Key words]anechoic chambers    reflectivity level    antenna measurement    far field

1   导论

五十年代初期，第一个无线电吸波暗室问世，随后天线和散射研究不断发展，对室内测试场的关注也与日俱增。无线电吸波暗室的优点在于可以通过明确可控的条件进行天线测量，例如：测试过程不再受天气的限制;测试区域基本消除了反射信号;外来干扰信号得到了有效屏蔽。

从第一个吸波暗室开始，为了获得更好的吸波性能和更高的测量精度，人们一直饶有兴趣地研究表征吸波暗室品质因素的方法。一般来说，对于不同的测量类型，有必要使用不同的求解品质因素的方法。本文讨论了用于天线方向图测量的无线电吸波暗室的品质因素主题。品质因素即为反射电平，同时它也表征着方向图电平的测量误差，而这些测量误差的来源包括：铺设有吸波材料的吸波暗室墙壁、地板、天花板，它们都存在无可避免的小量反射。

众所周知，吸波暗室的构建可以有很多种，被测天线的辐射特性也是千差万别的。因此，在各种情况下，想只用反射电平一个参数来评估测量精度也许是不可能的。由于问题的复杂性，建议通过多种不同的方法来获取反射电平。前人的工作包括：Hiatt等人[1]给出了有关吸波暗室前十年最重要的评估方法综述，自从他们给出数据和曲线用于设计及分析吸波暗室性能以来，有3种方法认为比较满意。此后的进展表明，这3种方法中有2种为公众所认可，分别是天线方向图比较法（APC法）和自由空间电压驻波比法（VSWR法）。常有人认为这2种方法本质上是一样的，但目前还缺少实验验证[1-2]。Rethmeyer和Price[3]建议采用上述2种方法的组合。但Kummer和Villeneuve[4]对2种方法作了对照，发现得到了不一致的结果。Hiatt等人[1]使用APC法并采用吸波材料铺设吸波暗室的模型评估了反射电平，他们发现所得的反射电平和吸波率之间的关联性较小。为了充分照射所有的吸波暗室墙面，Clarke和Breithaupt[5]在他们的吸波暗室VSWR法评估中采用了检波装置和带有波导同轴转换法兰盘的天线。事实上，由于反射电平所得结果很依赖于天线增益，Hollman[6]建议釆用具有全向方向图的探针天线来完成不同的吸波暗室之间的性能比较。endprint

本文有三个目的：第一个目的是给出APC法和VSWR法的对照。在给出对照之前，首先讨论求解反射电平的基本问题;然后详细描述这2种方法，给出前述的不一致性和不相关性的可能理由。实验进一步表明，如果使用恰当，这2种方法提供的结果本质上没有差别。本文作者报告了这种早期比较的某些工作[7]，但这只能算是实验室的报告，因为它省略了应用这种方法的某些问题。第二个目的是表明这种方法可用于评估无线电吸波暗室的改进。第三个目的是描述反射电平评估的技术状态。

还应该指出，在得到反射电平有价值的详细信息之前，作者已做了有关反射电平与测试参数关系的很多有意义的工作。但愿读者们能广泛地吸取这些背景知识，并应用于制定吸波暗室的规范，从而评估其测量误差的精度。另外，对于要评估暗室测试场地的人们来说，可根据他们的要求，处理好他们的测试程序。本文还将通过一些例子来阐明反射电平测量值与哪些参数相关，这是十分有益的一件事。

2   基本考虑

从基本考虑出发，先观察如图1所示的通用测试装置。在吸波暗室的一端墙面附近放置发射天线，天线方向图的主瓣指向吸波暗室的轴线方向。接收天线放置在此轴线上，与发射天线保持适当距离。通常接收天线可以按不同的方式做出旋转，以记录辐射方向图。另外，为了实现本文所述的实验，接收天线的支撑体必须是可以移动的。

图1    记录方向图的通用设备

当发射天线辐射时，空间各点存在的信号由来自发射天线的直射信号Ed和来自吸波暗室表面的反射信号Er所组成。在通常的情况下，直射信号的大小取决于与发射天线分开的距离，而反射信号的大小随采样点的位置而改变，所以情况比较复杂。这种复杂的变化是由于墙上的每一点和吸波暗室中的其它物体都会反射信号。另外，入射信号的组成包括来自发射天线的信号以及来自吸波暗室墙面各点的反射信号，甚至来自接收天线的反射信号。

在吸波暗室的测量中，反射信号会引起测量误差。在吸波暗室中寻找Er和Ed所构成的总干涉图形属于复杂的绕射问题，做理论上的误差评估时应避免这一点。为了用实验来确定误差，需要耗费很多的时间，这是因为反射场的测量需要有足够多的点，然后才有可能在这些指定区域内的每一个点上导出Ed和Er的相消或相加的干涉图形。这个区域是实际进行实验的工作区间，也即吸波暗室的所谓静区。静区就是吸波暗室内电场均匀性满足规范要求的空间区域，其尺寸范围由静区中心和边缘的电场Ed的幅度及相位差别的量级来决定，其“静度”取决于吸波暗室墙壁的反射电平量级。

可以用反射功率密度与直射功率密度之比来作为静区某一点反射能量的量度。由于上述反射信号的复杂变化，造成了这个比值各点的变化。要得到比值变化的完整图形，需要耗费很多的测试时间。另外，由于吸波暗室中的反射场是来自吸波暗室各点的反射场的矢量和，所以不可能用记录天线方向图的通用测试设备来确定反射场的大小。如图2所示，为了简化，假设只有一个幅度为Er的反射信号以及一个幅度为Ed的直射信号，令反射信号的传播方向沿接收天线轴线并与发射天线构成夹角ν。接下来的章节将会清晰地显示，Er和Ed的比值可通过移动接收天线所记录的相消或相加的干涉图形来确定。但是由于反射场不止一个，所以它并不能表示所确定的反射场的大小，因为图2中很明显存在Er不沿接收天线轴线传播的情况。实际确定的Er是个等效信号，它是沿接收天线轴线传播时引起的变化的观测值，通常称为反射信号。

图2    评估吸波暗室的实验安排

求解等效信号的重要性需要继续讨论。如前所示，等效信号并非反射总场的大小。而当取得图形时，它显示了出现误差的大小。从下一节来看，等效信号显然是由观察记录图形的极限来获取的。

应该注意，当记录不同位置的接收天线方向图时，对于发射和接收天线的不同距离，方向图的变化存在三方面的影响：第一个影响是前述的反射信号与直射信号之间的相消或相加干涉;第二个影响是直射信号或反射信号本身幅度的变化;第三个影响是记录的方向图的变化，其影响来自于以平面波照射的接收天线的远场条件，该远场条件有可能只在一定的程度上得到满足，它取决于测试场的长度。下一节将会看到，第一个和第二个影响将会根据实际工程以不同的方式加以考虑。而根据作者的知识，在评估测试场时第三个影响总是加以忽略。要做到这一点，测试天线之间的距离应该足够大。远场条件的最小距离由天线尺寸和工作频率来确定。但是，在某些情况下，第三个影响可能会导致反射电平的变化，此时该因素不能被忽视。这是由于只有满足远场条件，才能保证天线方向图记录达到一定的精度。

如第1节所述，只用一种特性来描述吸波暗室的性能存在困难，所以产生了几种测试方法。采用一些测试参数来描述测试过程和实验方案，可得到相应的测试结果，各种方法莫不如此。在讨论反射电平与测试参数的关系之前，以及在为测试过程提出方案之前，先考虑2种常用的方法，即APC法和VSWR法。

为了说明这2种方法的差别，参考图3和图4所示。为简化起见，建议忽略Ed随距离的变化，并假定发射天线为全向性点源。还设定平面波反射源只有一个，且对主瓣方向图的影响可以忽略，即影响小于0.1dB。由图3可以看出，如果在位置A和B叠加记录的方向图，则在方位角v所检测到的反射能量就会改变。另一方面，由图4可以看出，在接收天线连续移动时，如果试图保持检测的反射电平不变，则在方向图扫描时检测到的入射信号电平就会改变。

通过上述2种情况来尝试评估反射对方向图电平的影响。事实上，这2种方法就是APC法（图3）和VSWR法（图4）。在进行方法的对照之前，接下来就给予这2种方法的详细描述，并考察相关结果。

3   天线方向图比较法

3.1  理论

采取通用的测量装置，在横贯静区的釆样线上从一些离散的点记录接收天线的方向图，由此得到小量波动的变化曲线。根据这些波动变化的量级，可以确定出方向图的测试误差。endprint

再考虑图2的情况，只取一个反射信号，假设方向图电平（单位为dB）在角度v上为a，令直射信号Ed、反射信号Er分别同相和反向，令检测到的场为b、c，则有：

（1）

（2）

（3）

其中，R为反射电平，即反射信号与直射信号之比（单位为dB）。为了得到b和c，将所有实测方向图叠加到一起，使它们的主瓣峰值电平彼此重合，参见图5。采用这种方式就可以得到极限值b和c，然后根据文献[7]和[8]中的曲线或表格，即可计算出R值。根据前述设定可以理解，R不是被测空间内的反射总能量与入射总能量之比，但它与这个比值有某种复杂的相关性。进一步，由于R是方向图随接收天线位置变化的度量，因此可用于表征吸波暗室的性能。

图5    天线方向图比较法的测试图形示范

根据上述讨论，所得到的R值很明显地与推导时所处的方向图电平位置有关。在APC法中，R值往往以不同的方式取平均，这与操作的工程师有关。由于R值表征了吸波暗室中方向图的测量精度，所以R的最大值就意味着最大的测试误差，暗室所宣称的测量精度水平也就由此给出。

除了R有不同的方式求取平均之外，方向图的叠加方式也有不同。这主要是由于在测量期间，可以釆用以下的一种或两种调整方式：

（1）通常的测试安排为图纸上的0度相应于接收天线指向平行于吸波暗室轴线。也可能按某种方式来调整方向图记录，使图纸上的0度相应于接收天线指向发射天线。在文献[3]中描述了当接收天线移动和偏离吸波暗室轴线并作调整的情况。在反射的量级很大时，主瓣的方向会发生改变，于是需要做出调整以避免记录的方向图出现不正确的叠加。

（2）在测量期间，通过改变接收机的增益，不同方向图的主瓣在图纸上调整到了相同电平。调整的目的是认为天线方向图扫描和天线间距离的变化并不改变直射信号。应该注意，在反射很大并足以影响到主瓣的情况时，这样的调整不能达到目的。通过在吸波暗室轴线连续移动接收天线来检测主瓣电平，可以观察到大反射的情况。如果观察到的波动明显达到零点几个分贝，就属于大反射。在这种情况下，VSWR法作为一种更好的方法被推荐为用于检测反射电平。

进行上述调整的意义在文献中还没有见到研究。很明显，调整对最终结果的影响程度取决于实验装置以及反射电平的幅度。接下来将描述常用的测量过程。

3.2  实验过程

采用APC法评估了尺寸为2×4×4m3的吸波暗室，在10GHz频率，使用了典型的16dBi标准增益天线，在发射采用垂直极化时测试方位方向图。通过在吸波暗室轴线移动被测天线来测量主瓣电平，观察到由于反射引起的振荡小于0.2dB。接收机增益做了调整，使不同方向图的主瓣电平在图纸上有相同的电平。在分析中，让主瓣彼此覆盖来叠加显示所记录的方向图，记录方向图的测试点位取自垂直于接收天线和发射天线连线的水平线。测试点位的间隔取半个波长，共记录了17个离散点位的方向图。其中，暗室轴线上有1个方向图，轴线左右两边各有8个方向图，这意味着检测区域的直径扩展到24cm。在这个区域内，发射天线基本上建立起了平面波照射。事实上，当收发天线之间的距离为240cm时，入射场的相位变化约为λ/10。本次APC法的几条扫描线取自距离发射天线2～3m的范围内，由记录在扫描线上的17个方向图从-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的方向图电平位置求解R值，这些方向图电平相对应的角度约为50°、60°、70°、75°。对于16dBi的定向天线，取水平面的H切面方向图来求解R值，并选取其最大值来表征-90°<Ф<90°范围内的最大反射，部分结果显示在第5节中。

4   自由空间VSWR法

4.1  理论

在做VSWR测试时，发射和接收天线的安排与APC法相同。对于给定的方向角Ф，接收天线在扫描线上连续移动。通过耦合接收天线的线性运动到记录仪，来记录通常类似于驻波比曲线测试的干涉方向图。如图6所示，该曲线显示了直射信号与反射信号之间的干涉，它来源于反射的振荡并叠加到直射信号之上的合成效果。有2种变化类型被观察到，振荡的幅度随反射场位置的复杂变化而变化。由于2个天线扫描的变化、天线之间距离的变化以及远场条件的变化，干涉图形的平均电平也随之发生变化。在图6的情况下，直射信号的变化主要源于天线方向图的扫描，参考图4可以较容易理解这一点，在图中人为地设置了检测到的反射信号并使其能量保持恒定。

图6    记录的驻波曲线示例（频率10GHz、方向角Ф=70°）

驻波曲线的分析基于以下探讨，作一个方向图，相应于角度Ф的方向图电平为a，它的误差由记录的最大VSWR来确定，参见图6。和APC法一样，反射电平R由b和c来确定。为求b和c，画出如图6所示的包络线，大致分为两条，一条连接最大值，另一条连接最小值，选取极限的b和c值以便获取R的最大值电平。由图6可以看出，R的最大值出现在a=-36.3dB的方向图电平上。图7表明，有可能从图上找出反射电平低于方向图电平的dB值。由于a=-36.3dB，得到R为-45.7dB。很明显，对于同样的b-c值，R值随方向图电平而增加。

假设检测到的反射信号小于直射信号。从图4可以看出，不会总是这种情况。很明显，由于方向图的零点在某些位置和某些方向角上，直射信号可能小于反射信号。为了描述在这样的情况下干涉方向图的分析方法，可参考图8的示例：

图8    干涉方向图示例（3GHz、a

图8中，振荡的幅度随直射信号的变化而变化，而干涉方向图的平均电平随反射场的复杂变化而变化。通过在干涉方向图的最大电平处来分析，R的最大值可由干涉方向图的平均电平来确定。在实现这样的分析之前，有必要鉴别干涉方向图的直射信号是否小于反射信号。当然，如果天线方向图是事先已知的，这样的鉴别不难。如果情况不是这样，也许可考虑放弃该方向角的信息。但是，作为例子，可通过釆用以下方法来解决这样的模糊问题：

（1）干涉方向图考虑在不同的电平上进行3次分析，如图8所示。每次分析可获取2个数。由于检测到的直射信号通常呈比较规则地缓慢变化，所以通常可以从得到的6个数中指定3个作为检测到的直射信号电平[9]。

（2）将所得到的检测方向图电平以及反射电平的原始数据，与靠近所考虑的方向角所得到的同类数据进行比较，依据R和方向图电平变化的连续性原理可以解决这个问题。

（3）可以利用反射电平或者方向图电平的对称性。

（4）通过引入金属板或移动吸波材料使反射电平改变，而方向图电平则被认为是不变的参数。

应该指出，上述的方法可用于识别方向图电平低于反射电平的情况[9]。

4.2  实验过程

VSWR法的实验装置与APC法相同。接收天线沿垂直于接收天线与发射天线连线的水平线移动，扫描长度为24cm。由于方向图分别为-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的电平对应的指向角约为50°、60°、70°、75°，于是在这些角度上做驻波记录。这样做是为了便于将VSWR法所得结果与前述APC法的情况进行对照。相应的结果在第5节中予以描述。

（后文详见第24期）endprint

再考虑图2的情况，只取一个反射信号，假设方向图电平（单位为dB）在角度v上为a，令直射信号Ed、反射信号Er分别同相和反向，令检测到的场为b、c，则有：

（1）

（2）

（3）

其中，R为反射电平，即反射信号与直射信号之比（单位为dB）。为了得到b和c，将所有实测方向图叠加到一起，使它们的主瓣峰值电平彼此重合，参见图5。采用这种方式就可以得到极限值b和c，然后根据文献[7]和[8]中的曲线或表格，即可计算出R值。根据前述设定可以理解，R不是被测空间内的反射总能量与入射总能量之比，但它与这个比值有某种复杂的相关性。进一步，由于R是方向图随接收天线位置变化的度量，因此可用于表征吸波暗室的性能。

图5    天线方向图比较法的测试图形示范

根据上述讨论，所得到的R值很明显地与推导时所处的方向图电平位置有关。在APC法中，R值往往以不同的方式取平均，这与操作的工程师有关。由于R值表征了吸波暗室中方向图的测量精度，所以R的最大值就意味着最大的测试误差，暗室所宣称的测量精度水平也就由此给出。

除了R有不同的方式求取平均之外，方向图的叠加方式也有不同。这主要是由于在测量期间，可以釆用以下的一种或两种调整方式：

（1）通常的测试安排为图纸上的0度相应于接收天线指向平行于吸波暗室轴线。也可能按某种方式来调整方向图记录，使图纸上的0度相应于接收天线指向发射天线。在文献[3]中描述了当接收天线移动和偏离吸波暗室轴线并作调整的情况。在反射的量级很大时，主瓣的方向会发生改变，于是需要做出调整以避免记录的方向图出现不正确的叠加。

（2）在测量期间，通过改变接收机的增益，不同方向图的主瓣在图纸上调整到了相同电平。调整的目的是认为天线方向图扫描和天线间距离的变化并不改变直射信号。应该注意，在反射很大并足以影响到主瓣的情况时，这样的调整不能达到目的。通过在吸波暗室轴线连续移动接收天线来检测主瓣电平，可以观察到大反射的情况。如果观察到的波动明显达到零点几个分贝，就属于大反射。在这种情况下，VSWR法作为一种更好的方法被推荐为用于检测反射电平。

进行上述调整的意义在文献中还没有见到研究。很明显，调整对最终结果的影响程度取决于实验装置以及反射电平的幅度。接下来将描述常用的测量过程。

3.2  实验过程

采用APC法评估了尺寸为2×4×4m3的吸波暗室，在10GHz频率，使用了典型的16dBi标准增益天线，在发射采用垂直极化时测试方位方向图。通过在吸波暗室轴线移动被测天线来测量主瓣电平，观察到由于反射引起的振荡小于0.2dB。接收机增益做了调整，使不同方向图的主瓣电平在图纸上有相同的电平。在分析中，让主瓣彼此覆盖来叠加显示所记录的方向图，记录方向图的测试点位取自垂直于接收天线和发射天线连线的水平线。测试点位的间隔取半个波长，共记录了17个离散点位的方向图。其中，暗室轴线上有1个方向图，轴线左右两边各有8个方向图，这意味着检测区域的直径扩展到24cm。在这个区域内，发射天线基本上建立起了平面波照射。事实上，当收发天线之间的距离为240cm时，入射场的相位变化约为λ/10。本次APC法的几条扫描线取自距离发射天线2～3m的范围内，由记录在扫描线上的17个方向图从-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的方向图电平位置求解R值，这些方向图电平相对应的角度约为50°、60°、70°、75°。对于16dBi的定向天线，取水平面的H切面方向图来求解R值，并选取其最大值来表征-90°<Ф<90°范围内的最大反射，部分结果显示在第5节中。

4   自由空间VSWR法

4.1  理论

在做VSWR测试时，发射和接收天线的安排与APC法相同。对于给定的方向角Ф，接收天线在扫描线上连续移动。通过耦合接收天线的线性运动到记录仪，来记录通常类似于驻波比曲线测试的干涉方向图。如图6所示，该曲线显示了直射信号与反射信号之间的干涉，它来源于反射的振荡并叠加到直射信号之上的合成效果。有2种变化类型被观察到，振荡的幅度随反射场位置的复杂变化而变化。由于2个天线扫描的变化、天线之间距离的变化以及远场条件的变化，干涉图形的平均电平也随之发生变化。在图6的情况下，直射信号的变化主要源于天线方向图的扫描，参考图4可以较容易理解这一点，在图中人为地设置了检测到的反射信号并使其能量保持恒定。

图6    记录的驻波曲线示例（频率10GHz、方向角Ф=70°）

驻波曲线的分析基于以下探讨，作一个方向图，相应于角度Ф的方向图电平为a，它的误差由记录的最大VSWR来确定，参见图6。和APC法一样，反射电平R由b和c来确定。为求b和c，画出如图6所示的包络线，大致分为两条，一条连接最大值，另一条连接最小值，选取极限的b和c值以便获取R的最大值电平。由图6可以看出，R的最大值出现在a=-36.3dB的方向图电平上。图7表明，有可能从图上找出反射电平低于方向图电平的dB值。由于a=-36.3dB，得到R为-45.7dB。很明显，对于同样的b-c值，R值随方向图电平而增加。

假设检测到的反射信号小于直射信号。从图4可以看出，不会总是这种情况。很明显，由于方向图的零点在某些位置和某些方向角上，直射信号可能小于反射信号。为了描述在这样的情况下干涉方向图的分析方法，可参考图8的示例：

图8    干涉方向图示例（3GHz、a

图8中，振荡的幅度随直射信号的变化而变化，而干涉方向图的平均电平随反射场的复杂变化而变化。通过在干涉方向图的最大电平处来分析，R的最大值可由干涉方向图的平均电平来确定。在实现这样的分析之前，有必要鉴别干涉方向图的直射信号是否小于反射信号。当然，如果天线方向图是事先已知的，这样的鉴别不难。如果情况不是这样，也许可考虑放弃该方向角的信息。但是，作为例子，可通过釆用以下方法来解决这样的模糊问题：

（1）干涉方向图考虑在不同的电平上进行3次分析，如图8所示。每次分析可获取2个数。由于检测到的直射信号通常呈比较规则地缓慢变化，所以通常可以从得到的6个数中指定3个作为检测到的直射信号电平[9]。

（2）将所得到的检测方向图电平以及反射电平的原始数据，与靠近所考虑的方向角所得到的同类数据进行比较，依据R和方向图电平变化的连续性原理可以解决这个问题。

（3）可以利用反射电平或者方向图电平的对称性。

（4）通过引入金属板或移动吸波材料使反射电平改变，而方向图电平则被认为是不变的参数。

应该指出，上述的方法可用于识别方向图电平低于反射电平的情况[9]。

4.2  实验过程

VSWR法的实验装置与APC法相同。接收天线沿垂直于接收天线与发射天线连线的水平线移动，扫描长度为24cm。由于方向图分别为-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的电平对应的指向角约为50°、60°、70°、75°，于是在这些角度上做驻波记录。这样做是为了便于将VSWR法所得结果与前述APC法的情况进行对照。相应的结果在第5节中予以描述。

（后文详见第24期）endprint

再考虑图2的情况，只取一个反射信号，假设方向图电平（单位为dB）在角度v上为a，令直射信号Ed、反射信号Er分别同相和反向，令检测到的场为b、c，则有：

（1）

（2）

（3）

其中，R为反射电平，即反射信号与直射信号之比（单位为dB）。为了得到b和c，将所有实测方向图叠加到一起，使它们的主瓣峰值电平彼此重合，参见图5。采用这种方式就可以得到极限值b和c，然后根据文献[7]和[8]中的曲线或表格，即可计算出R值。根据前述设定可以理解，R不是被测空间内的反射总能量与入射总能量之比，但它与这个比值有某种复杂的相关性。进一步，由于R是方向图随接收天线位置变化的度量，因此可用于表征吸波暗室的性能。

图5    天线方向图比较法的测试图形示范

根据上述讨论，所得到的R值很明显地与推导时所处的方向图电平位置有关。在APC法中，R值往往以不同的方式取平均，这与操作的工程师有关。由于R值表征了吸波暗室中方向图的测量精度，所以R的最大值就意味着最大的测试误差，暗室所宣称的测量精度水平也就由此给出。

除了R有不同的方式求取平均之外，方向图的叠加方式也有不同。这主要是由于在测量期间，可以釆用以下的一种或两种调整方式：

（1）通常的测试安排为图纸上的0度相应于接收天线指向平行于吸波暗室轴线。也可能按某种方式来调整方向图记录，使图纸上的0度相应于接收天线指向发射天线。在文献[3]中描述了当接收天线移动和偏离吸波暗室轴线并作调整的情况。在反射的量级很大时，主瓣的方向会发生改变，于是需要做出调整以避免记录的方向图出现不正确的叠加。

（2）在测量期间，通过改变接收机的增益，不同方向图的主瓣在图纸上调整到了相同电平。调整的目的是认为天线方向图扫描和天线间距离的变化并不改变直射信号。应该注意，在反射很大并足以影响到主瓣的情况时，这样的调整不能达到目的。通过在吸波暗室轴线连续移动接收天线来检测主瓣电平，可以观察到大反射的情况。如果观察到的波动明显达到零点几个分贝，就属于大反射。在这种情况下，VSWR法作为一种更好的方法被推荐为用于检测反射电平。

进行上述调整的意义在文献中还没有见到研究。很明显，调整对最终结果的影响程度取决于实验装置以及反射电平的幅度。接下来将描述常用的测量过程。

3.2  实验过程

采用APC法评估了尺寸为2×4×4m3的吸波暗室，在10GHz频率，使用了典型的16dBi标准增益天线，在发射采用垂直极化时测试方位方向图。通过在吸波暗室轴线移动被测天线来测量主瓣电平，观察到由于反射引起的振荡小于0.2dB。接收机增益做了调整，使不同方向图的主瓣电平在图纸上有相同的电平。在分析中，让主瓣彼此覆盖来叠加显示所记录的方向图，记录方向图的测试点位取自垂直于接收天线和发射天线连线的水平线。测试点位的间隔取半个波长，共记录了17个离散点位的方向图。其中，暗室轴线上有1个方向图，轴线左右两边各有8个方向图，这意味着检测区域的直径扩展到24cm。在这个区域内，发射天线基本上建立起了平面波照射。事实上，当收发天线之间的距离为240cm时，入射场的相位变化约为λ/10。本次APC法的几条扫描线取自距离发射天线2～3m的范围内，由记录在扫描线上的17个方向图从-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的方向图电平位置求解R值，这些方向图电平相对应的角度约为50°、60°、70°、75°。对于16dBi的定向天线，取水平面的H切面方向图来求解R值，并选取其最大值来表征-90°<Ф<90°范围内的最大反射，部分结果显示在第5节中。

4   自由空间VSWR法

4.1  理论

在做VSWR测试时，发射和接收天线的安排与APC法相同。对于给定的方向角Ф，接收天线在扫描线上连续移动。通过耦合接收天线的线性运动到记录仪，来记录通常类似于驻波比曲线测试的干涉方向图。如图6所示，该曲线显示了直射信号与反射信号之间的干涉，它来源于反射的振荡并叠加到直射信号之上的合成效果。有2种变化类型被观察到，振荡的幅度随反射场位置的复杂变化而变化。由于2个天线扫描的变化、天线之间距离的变化以及远场条件的变化，干涉图形的平均电平也随之发生变化。在图6的情况下，直射信号的变化主要源于天线方向图的扫描，参考图4可以较容易理解这一点，在图中人为地设置了检测到的反射信号并使其能量保持恒定。

图6    记录的驻波曲线示例（频率10GHz、方向角Ф=70°）

驻波曲线的分析基于以下探讨，作一个方向图，相应于角度Ф的方向图电平为a，它的误差由记录的最大VSWR来确定，参见图6。和APC法一样，反射电平R由b和c来确定。为求b和c，画出如图6所示的包络线，大致分为两条，一条连接最大值，另一条连接最小值，选取极限的b和c值以便获取R的最大值电平。由图6可以看出，R的最大值出现在a=-36.3dB的方向图电平上。图7表明，有可能从图上找出反射电平低于方向图电平的dB值。由于a=-36.3dB，得到R为-45.7dB。很明显，对于同样的b-c值，R值随方向图电平而增加。

假设检测到的反射信号小于直射信号。从图4可以看出，不会总是这种情况。很明显，由于方向图的零点在某些位置和某些方向角上，直射信号可能小于反射信号。为了描述在这样的情况下干涉方向图的分析方法，可参考图8的示例：

图8    干涉方向图示例（3GHz、a

图8中，振荡的幅度随直射信号的变化而变化，而干涉方向图的平均电平随反射场的复杂变化而变化。通过在干涉方向图的最大电平处来分析，R的最大值可由干涉方向图的平均电平来确定。在实现这样的分析之前，有必要鉴别干涉方向图的直射信号是否小于反射信号。当然，如果天线方向图是事先已知的，这样的鉴别不难。如果情况不是这样，也许可考虑放弃该方向角的信息。但是，作为例子，可通过釆用以下方法来解决这样的模糊问题：

（1）干涉方向图考虑在不同的电平上进行3次分析，如图8所示。每次分析可获取2个数。由于检测到的直射信号通常呈比较规则地缓慢变化，所以通常可以从得到的6个数中指定3个作为检测到的直射信号电平[9]。

（2）将所得到的检测方向图电平以及反射电平的原始数据，与靠近所考虑的方向角所得到的同类数据进行比较，依据R和方向图电平变化的连续性原理可以解决这个问题。

（3）可以利用反射电平或者方向图电平的对称性。

（4）通过引入金属板或移动吸波材料使反射电平改变，而方向图电平则被认为是不变的参数。

应该指出，上述的方法可用于识别方向图电平低于反射电平的情况[9]。

4.2  实验过程

VSWR法的实验装置与APC法相同。接收天线沿垂直于接收天线与发射天线连线的水平线移动，扫描长度为24cm。由于方向图分别为-20dB、-25dB、-30dB、-35dB的电平对应的指向角约为50°、60°、70°、75°，于是在这些角度上做驻波记录。这样做是为了便于将VSWR法所得结果与前述APC法的情况进行对照。相应的结果在第5节中予以描述。

（后文详见第24期）endprint