基于 CST 建模仿真的微波暗室性能评价方法

如今对天线等射频设备的测量及设备电磁兼容测试的需求已经深入到各个行业，雷达、通信设备的天线参数优化，飞机、导弹、舰船等的电磁散射特性等，都需要进行实际的测量，然而自然界中已经很难找到符合要求的远场测试条件[1]。

 

由于电磁波又会受到频率、材料和环境影响，正是在这一背景下，微波暗室应运而生，它能够有效地屏蔽外界的电磁干扰，吸收内部用于测试的电磁波，防止其污染外部环境和发生反射而影响测量的精度[2]。

 

微波暗室的功能和作用是毋庸置疑的，然而在建设时都不可避免的面临一大难题：设计成本十分昂贵，投资巨大，一旦建造完成，其尺寸不可更改。因此在建造之前必须准确预测其性能，并严格仔细地评估方案的可行性。

 

随着计算机技术的发展，基于数值模拟的仿真方法已逐渐应用于工程设计的方方面面。在充分理解待分析的问题，合理设置仿真模型和求解参数的前提下，仿真可以非常有效的预测待分析问题的性能，并具有高效率、低费用、高灵活性等特点。

 

CST工作室套装是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内，为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。典型应用包含电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI/EMI/PI/眼图、手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真[3]。

 

基于实际项目的实施情况，为充分预测构建暗室的性能，以防止不必要的试错和节省时间，在建设前利用CST电磁仿真软件来分析和预测微波暗室建设方案的可行性是非常有必要的。

 

1.吸波材料建模

暗室中的吸波材料一开始采用含碳的聚氨酯角锥，这样形状的吸波材料利用垂直入射的多次反射原理，由于渗入碳的角锥为电损耗媒质，使得电磁波在多次反射的过程中逐渐消耗掉。其制作方法是根据使用频段的不同将其按不同的锥角及高度进行切割，由于聚氨酯泡沫的阻燃性较差，因此完成以后将其在特殊配制的阻燃和导电液体里浸泡，烘干后掺杂一定比例的碳粉，以提高对电磁波的吸收性能。角锥形吸波材料具有良好的通用性，能够在 200MHz 到 40GHz 的宽频段内对电磁波具有较高的吸收效率。角锥型吸波材料的外观如下图1所示。

 

 

图 1. 角锥型吸波材料

 

常用电损耗型吸波材料大多是由聚氨酯渗入一定浓度的碳粉制成，为取得最佳的反射率，应调整吸波材料的高度和形状，并选择合适的含碳量。一方面，聚氨酯角锥吸波材料的含碳量必须具有一定浓度，否则不能充分吸收入射波；另一方面，含碳量的浓度又不能过高，否则入射波在吸波材料的表面产生的一次反射较大[4]。

 

本论文所采用的SA型海绵吸波材料是由聚氨酯类泡沫塑料在碳胶溶液中渗透而成。它的反射率与尖劈长度和使用频率有关，尖劈愈长，频率愈高，反射率愈小。一般情况下，角锥长度应至少大于或等于最低吸收频率的四分之一波长，这种材料具有较好的阻燃特性。因为这种类型的吸波材料能较少地前向散射，并提供良好的后向散射性能，所以它适合用在暗室中的所有位置。本次暗室建设方案选择的SA型海绵吸波材料的电磁参数如下图所示，根据相应的电磁参数对吸波材料进行建模优化，可以得到满足电波暗室性能要求的尺寸。

 

根据实际吸波材料厂商提供的参数可以在CST中构建相应的材料参数，下图2为含碳量10%的SA型聚氨酯海绵材料电磁参数随频率的变化图。

 

 

图 2. 聚氨酯海绵材料电磁参数

 

建立好材料属性后，可以对吸波材料进行建模。吸波材料模型如图3所示，分为两部

分，上部分为一个四棱锥，高度为L；下部分底座为一个底面为正方形的长方体，高度为D，底边长为d。通过调整相应参数，可以获得符合暗室标准的反射系数的模型尺寸。同时也可以验证设计的锥体尺寸性能是否能够满足暗室的要求。CST工作室套装提供了方便快捷的优化和参数扫描算法，极大简化了仿真设计的工作量。

 

吸波材料单个模型由聚氨酯角锥构成，聚氨酯吸波材料含碳量约为10%[5]。为了使仿真满足实际情况，同时兼顾效率和准确性，CST工作室套装提供了unit cell边界条件，在x/y方向选用unit cell边界条件，z方向选用Floquet port边界条件。经过参数优化，最终得到下列参数，角锥总高度700mm，底座高100mm，棱锥高600mm，底边为边长250mm的正方形。通过仿真，在平面波垂直入射的情况下，可以得到在1GHz-4GHz范围内反射系数均低于-35dB，达到良好的吸波性能。

 

 

图 3. 吸波材料反射系数

 

图4仿真了电磁波不同入射角度下角锥体吸波材料的吸波性能，从图中可以看出，在不同角度电磁波的入射下，反射系数均低于-34dB，吸波性能良好。这个结果与通常吸波材料越往高频性能越好的特性不完全一致，考虑到Floquet port的特性和CST自身插值算法的特性，这个仿真结果是可以理解的。因此可以将将此模型作为吸波材料单元进行暗室的铺设。

 

 

图 4. 不同入射角度下吸波材料反射系数

 

2.暗室仿真评价指标

微波暗室作为开阔场的替代场地，要求具有良好的性能，以保证实验或测试结果的准确性。国际上对微波暗室已经做过很多设计与研究，为保证微波暗室建造的统一性和准确性，国内外均提出了相应的建设标准，例如：GJB 6780-2009（经中华人民共和国总装备部批准的国家军用标准）标准、EN61000-4-3-2010 (国际标准)、ANSI C63.4-2014 (美国国家标准)、以及 GJBz 20219-94《军用电磁屏蔽室通用技术要求和检验方法》等。

 

归纳起来主要有以下四个方面要求[6]：

（1）暗室静区性能：静区是指屏蔽室内受直射以外的电磁波影响最小的区域，其形状可以是矩形、球形或圆柱形等等。其性能的优劣通常用静区的反射电平来衡量，其他参数都与其直接或间接相关。静区反射电平是建造暗室所要实现的最主要功能，其定义为激励源辐射的电场在各墙产生反射后达到静区的电场矢量和与直接辐射到此位置的电场幅值之比。通常对微波暗室静区性能的要求为-30dB到-50dB。

 

（2） 交叉极化特性：由于暗室内的摆设问题，其几何空间并不能完全关于中轴线对称，吸波材料在铺设过程中也不能完全保持平直，同时由于剩余反射电平的存在、静度不满足要求等，会导致用于测试的电磁波极化不纯的问题。交叉极化度定义为静区内与激励源极化平面平行和垂直的幅值之比的对数值，通常要求比值小于±25dB。

 

（2）场幅度均匀性：在测量过程中，从激励源辐射的电磁波在到达静区时必须近似为平面波，而实际上由于暗室各面墙壁的反射， AUT(待测天线) 接收到的电磁波的场幅和相位必然会受到严重影响，从而形成不均匀平面波。对其要求为：在静区内沿暗室中轴线方向移动 AUT时，接收到的最大信号差值不超过±2dB；垂直轴线移动 AUT时，最大信号差值小于±0.25dB。

 

（4） 多路径损耗：由于微波暗室对垂直及水平极化信号的传播损耗不相等，导致电磁波产生极化和旋转。将 AUT 对准电磁波的辐射方向并旋转，要求接收信号最大差值不超

过±0.25dB。

 

3.暗室建模

根据吸波材料模型和相应暗室的尺寸，建立了34m*32m*20m的暗室测试模型，暗室在不同平面的剖面图如下图所示。

 

 

图 5. 暗室结构示意图

 

暗室六个面均为PEC作为屏蔽，在屋顶和四面墙分别铺设SA型聚氨酯海绵吸波材料，左墙采用SAH-1200型，上墙和前后墙采用SA-700型。暗室中设置梯形台用以放置待测物体，梯形台长边紧靠左墙体，四周铺设SA-500型吸波材料。梯形台下底为8m，上底为6m，长7m，高9m。待测物放置在梯形台上距左墙5m处。待测物为2m正方体。为保证与待测物的测试距离相同，右墙（阵列面）设置为以待测物中点为中心，以25m为半径的弧形，该面采用SA-300型吸波材料进行铺设。SA-300、SA-500、SA-700、SAH-1200的具体尺寸如下表1所示。

 

表 1 SA 各型吸波材料尺寸

 

 

在进行微波暗室静区反射电平的测量时，激励源和接收天线都应该采用全向天线，全向天线能够向四面八方辐射信号，在暗室的整个空间都会产生反射，作为接收天线时能够接收各个方向的电磁波（包括激励源直接辐射和经过各面墙壁反射后在该点叠加后的电场），在这种情况下测得的静区反射电平是在最差条件下得出的，如果测量结果符合暗室要求，那么实际测试中，不管采用什么种类的天线作为激励源和发射源，结果都能够满足要求。

 

引用中华人民共和国国家军用标准 GJB 6780-2009（其中规定，发射天线应使用低方向性的天线，以保证能够有足够的电磁能量照射到墙面、地板和天花板上。）天线的增益要符合下表的要求，在 1GHz 以下频段，一般选择对数周期天线（LPDA）作为发射天线，在 1GHz 以上的频段，一般选择标准增益喇叭天线作为发射天线。本次仿真采用接收天线在实际测量频率点的驻波应小于1.5，天线增益应符合表2要求。在1GHz以下频段，一般选择八木天线作为接收天线。在1GHz以上频段，一般选择标准增益喇叭天线作为接收天线。本次仿真中采用的喇叭天线方向图如下图6所示。

 

 

图 6. 喇叭天线方向图

 

3.暗室性能指标仿真

实际的微波暗室的大量角锥结构会给仿真带来大量的细节导致仿真速度变慢。对于微波暗室中铺设的成周期排列的角锥形吸波材料，λ数值与吸波材料高度相当，材料沿轴向方向渐近慢变化和角锥横截面方向周期性快变化，可将其沿垂直于轴线方向分成若干层。

 

对吸波材料均值法等效后的分层模型进行建模，其仿真结果如下图所示。从图中可以看出在2-4GHz内反射系数均小于-15dB，在3GHz反射系数达到最小，为-32.8dB，吸波性能良好。可在3GHz时用该平面吸波材料来代替实际的锥体吸波材料。

 

同时，在高频情况下，微波暗室的尺寸通常都为几百个电尺寸以上，采用常规的全波算法会引入大量的矩阵和方程，因此如果使用全波算法需要大量的仿真时间和内存。CST自带的A求解器（渐进求解器） 采用弹跳射线法，能够很好的适用于解决电大尺寸的电磁仿真问题。

 

通常可认为反射波是沿各个方向分布的，因此可认为合成波的最大值是直达波和反射波相加，最小值是直达波与反射波相减。为了充分找到合成信号的最大值和最小值，在静区每隔2500px放置一个探针，即静区每个方向均为3个探针，一共27个探针。通过CST进行仿真，可以得到各不同位置处不同频率下的电场强度值。将各Z坐标相等的电场幅值与自由空间中各点的电场幅值代入反射电平计算公式，通过计算可得到对应点的反射电平。如图所示，是静区中心平面内一点分别位于自由空间和等效微波暗室两种仿真环境下的电场强度结果，其差值为0.12dB。根据公式计算得到，垂直于微波暗室轴向方向的反射电平约为-33dB，考虑到平面吸波材料相对锥形吸波材料在3GHz时反射大10dB，因此，实际的反射电平小于-40dB，满足静区的设计要求。静区内典型位置电场强度值如下图7所示。

 

 

图 7. 不同仿真条件下的电场强度值

 

标准中对静区中场均匀性的要求为：在静区内沿暗室中轴线方向移动 AUT时，接收到的最大信号差值不超过±2dB；垂直轴线移动 AUT时，最大信号差值小于±0.25dB。在静区垂直于微波暗室轴线的方向，间隔1m取三个平面，在每个2m*2m正方形静区平面内间隔1m取3*3共九个点放置探针。由于微波暗室关于轴向垂面完全对称，所以在仿真中仅设置一侧的6个点查看数据。这6个点按照从左到右，从上到下的顺序标记为1-6号点，仿真得到的场强数据如下图8所示。

 

 

图 8. 静区中心平面（25m 处）各采样点电场强度值

 

在距场源最近的24m处的平面上，采样点的场强最大差值为0.11dB，满足标准中要求的不大于0.25dB。在静区的前平面（24m处）和后平面（26m处）的中心位置，电场强度值分别为-1.78dBV/m，-2.47dBV/m，其差值为0.69dB，达到了标准中小于2dB的要求。

 

多路径损耗均匀性用两天线极化方向保持一致的条件下，在暗室内以天线轴为中心同步旋转时接收信号幅度的变化来表示。测试时，将发射天线放置在暗室内预期的发射天线位置上，接收天线放在静区中心，通常是在暗室的测量轴上。天线间的距离应满足远场条件。发射天线和接收天线应均为线极化。

 

在仿真中，使用喇叭天线作为发射天线，使用探针作为接收天线。测量时需至少选择在垂直面、水平面、以及两个45°平面内进行路径损耗均匀性测量。按照GJB 6780-2009的要求，在本项目要求的频率范围内，应选择3GHz作为测量路径损耗均匀性的频率。

 

仿真得到的结果如下图9所示，天线转动角度分别为0°，45°，90°，135°。在不同的转动角度下，接收电平在测试标准要求的3GHz频点下的差距极小，路径损耗均匀性指标良好。

 

 

图 9. 路径损耗均匀性仿真结果

交叉极化度是在收发天线之间，电磁波在水平和垂直两个极化方向强度的隔离程度。交叉极化指标与收发天线本身的极化隔离度、吸收材料对不同的极化方向是否一致以及吸收材料吸收性能指标高低等因素有关。由于暗室形状不规格、结构不严格对称、吸波材料对不同极化方向的波吸收不一致，导致电磁波在暗室传播过程中出现极化方向偏转的现象。对于交叉极化度的要求主要是保证发射天线自身极化隔离度足够，使水平极化和垂直极化两个方向上的测量结果互不影响。交叉极化度的要求是收发天线极化面相互正交时，所测场强之比于-25dB。

 

为了充分找到合成信号的最大值和最小值，在静区每隔500px放置一个探针，即静区每个方向均为10个探针。通过CST进行仿真，可以得到各不同位置处不同频率下的的电场强度值。根据标准，由于交叉极化隔离度需要额外关注3GHz和10GHz处的情况，因此图10中仅列出了3GHz时部分关键点的两种极化的电场强度值。从图10中可以看出，微波暗室的静区内交叉极化隔离度大于25.8dB，满足指标要求。

 

 

图 10. 交叉极化隔离度仿真结果

 

4.结论

本文提出了一种新型用于微波暗室性能评价的方法，通过在CST中进行建模仿真，可以预先判断出暗室性能是否符合指标要求，从而在建设前进行优化处理。在方法具有实际的工程意义，目前已应用于我公司多处微波暗室建设。

 

资料来源：达索官方