了解用于電磁和射頻測試的電波暗室

電子工程師使用電波暗室進(jìn)行電磁兼容性 (EMC)或電磁干擾 (EMI)和射頻測試。這些腔室的內(nèi)壁經(jīng)過特殊材料處理，可以吸收電磁波。

“消聲”一詞的意思是“沒有回聲”。消聲室指的是設(shè)計為墻壁、天花板和地板的波反射的房間。
電子工程師使用電波暗室進(jìn)行電磁兼容性 (EMC)或電磁干擾 (EMI)和射頻測試。這些腔室的內(nèi)壁經(jīng)過特殊材料處理，可以吸收電磁波。
還有音頻消聲室，專為錄音等應(yīng)用而設(shè)計，吸收聲波而不是電磁能。
本文涉及電磁波暗室的基礎(chǔ)知識，特別是它們與 RF 測試的關(guān)系。 
電磁測量：常見要求
廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域需要測量電磁波。例如，在使用天線時，我們需要知道天線如何將電磁能量發(fā)送到太空（或用作接收器時如何接收）。這通過天線的輻射方向圖來表征，如圖 1 所示。 
圖 1(a) 顯示了由兩條沿 z 軸定向的細(xì)線創(chuàng)建的偶極天線。

圖 1. 天線模型和方向圖。圖片由思科提供

該圖還顯示了 3-D 輻射方向圖（圖 1(b)），以及完美偶極天線的主平面方向圖（圖 1(c) 和 1(d)）。
天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，會影響整個系統(tǒng)設(shè)計中的許多關(guān)鍵決策。例如，了解手機(jī)信號塔的輻射模式以確定它們之間的間距很重要。 
在導(dǎo)彈、飛機(jī)或其他類似武器的電磁兼容性測試和雷達(dá)截面測試等領(lǐng)域也需要測量電磁波。
室外電磁波測量挑戰(zhàn)
圖 2 顯示了測量天線輻射方向圖的示例設(shè)置。

圖 2. 天線輻射測量的示例設(shè)置

在此設(shè)置中，被測天線 (AUT) 充當(dāng)接收器。
參考天線傳輸已知量的功率。定位器將 AUT 旋轉(zhuǎn)到所需位置（調(diào)整 θ 和 φ），測量系統(tǒng)記錄接收到的功率。這些測量形成了方位角/仰角平面中輻射方向圖的極坐標(biāo)圖。
這種測量可以在開放區(qū)域測試場地 (OATS) 中進(jìn)行；然而，戶外測試有一些缺點(diǎn)。
首先，測試環(huán)境中存在的外來電磁波也會被 AUT 接收，從而在我們的測量中引入誤差。這些外來波可能來自各種，例如 FM 無線電發(fā)射器、手機(jī)、空中交通等。
室外電磁波測量也容易受到風(fēng)雨等天氣條件的影響。
另一個問題是地板和任何其他周圍結(jié)構(gòu)的反射。如上圖所示，這些不需要的反射也會被 AUT 拾取。 
電波暗室作為可靠的射頻屏蔽測試環(huán)境
解決我們剛才討論的問題的一種方法是使用電波暗室。
消聲室使用金屬墻來保護(hù)我們的設(shè)備免受外來無線電信號的影響。為了盡量減少不需要的反射，特殊的 RF 吸收材料（如圖 3 所示）用于覆蓋腔室的內(nèi)壁。 

圖 3.用于無線 (OTA) 測試的電波暗室示例。圖片由羅德與施瓦茨提供

屏蔽測試環(huán)境免受外部干擾以及的墻壁反射波，實(shí)際上模擬了在一個無限大的房間內(nèi)并實(shí)現(xiàn)的可重復(fù)測量。
消聲室的大小可以從桌面外殼到典型的房間，工程師可以走進(jìn)去工作，再到像飛機(jī)機(jī)庫一樣大的空間（圖 4）。

圖 4. 大型電波暗室示例。圖片由愛德華茲空軍基地和 克里斯托弗奧庫拉提供

大型電波暗室通常要花費(fèi)一大筆錢。一個大到足以在 AUT 和發(fā)射天線之間提供 10 m 物理距離的電波暗室的成本可能高達(dá) 200 萬美元。 
電波暗室用射頻吸波材料
電波暗室的內(nèi)表面通常覆蓋著裝有導(dǎo)電碳的泡沫金字塔。金字塔的錐形結(jié)構(gòu)將無線電波從空氣傳輸?shù)浇鹱炙惺褂玫挠袚p碳，波反射。
RF 吸收器應(yīng)吸收所有入射電磁能并將其轉(zhuǎn)化為熱量。
然而，在實(shí)踐中，一部分入射 RF 功率不可避免地從腔室壁反射。反射波通常約為入射波的 0.1% 至 1%，相當(dāng)于 -30 至 -20 dB 的衰減。
新一代寬帶吸收器可以為微波頻率的垂直入射提供優(yōu)于?60 dB 的反射系數(shù)。
泡沫金字塔吸收較高頻率的電磁波，而較低頻率通常由鐵氧體瓦處理，鐵氧體瓦可能是腔室中昂貴的組件之一。
用于不同類型測量的不同消聲室
如前所述，電波暗室用于各種測量，例如：
? 天線方向圖測量
? 輻射發(fā)射測試
? 輻射抗擾度測試
? 無線發(fā)射器 (RF) 測試
? 雷達(dá)橫截面測量 
每種類型的應(yīng)用可能需要不同的腔室。
例如，對于發(fā)射器/接收器測試，我們可能有興趣消除所有表面的反射，包括暗室的地板，以模擬沒有多徑偽影的環(huán)境。在這種情況下，我們需要一個全消聲室 (FAR)，其中所有表面都覆蓋有 RF 吸收材料。 
但是，幾乎所有輻射和傳導(dǎo)發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)（包括ANSI C63.4和CISPR 16）中描述的測試設(shè)施都是半電波暗室 (SAC) 和 OATS。
SAC 的墻壁和天花板覆蓋有 RF 吸收材料，而地板則由金屬反射地平面制成。
在許多 EMC 標(biāo)準(zhǔn)中使用 SAC 的一個主要原因是反射接地更接近于模擬真實(shí)情況。實(shí)際上，被測設(shè)備發(fā)出的電磁能會從地面反射到附近的設(shè)備。
腔室的選擇也會受到您用于測量的標(biāo)準(zhǔn)類型的影響。
例如，在汽車 EMC 測試中，采用的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)會影響測試范圍的大小和/或電波吸收器的放置。每個標(biāo)準(zhǔn)都有自己的要求，工程師必須確保所使用的暗室符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。