雷达液位计用微波暗室建设.docx

雷达液位计用微波暗室建设技术中心 秦鹏许晓亮严吴莹摘要：微波暗室是进行天线参数测试及电磁波辐射、散射特性测试的理想场所在雷达液位计的研制、生产和性能检测过程 中，发挥这重要的作用本文介绍了微波暗室设计的基本原理，给出了部分参数的选取准则，并分析了其原因同时，作为 暗室建设的例子，详细介绍了一般雷达液位计生产厂家对微波暗室的需求，以便从结构、屏蔽性能、吸波性能、材料选择等 几个方面对小型微波暗室的构建进行阐述关键字：微波暗室；天线测量；雷达液位计0引言微波暗室是实验室条件下保证雷达全系统工作和保护人员安全的必备条件为满足雷达液位计在实验室条 件下全功率辐射的实际需要，很多一线工作场所需要建设全屏蔽的微波暗室建设可以完成雷达远场测试 的大型微波暗室，在很多时候不是完全必要的，特别是对一般雷达液位计生产厂家而言，往往只需要完成 基本天线参数测量，即完成雷达液位计在实验室条件下的全状态检查与测量、天线的辐射检查与测量、微 波通道的驻波比等参数测量，不需要测量天线的方向图，在此情况下，完全可以建设一种小型的全屏蔽的 微波暗室此类暗室的设计空间不需要将整套雷达检测设备都容纳进去，而只需容纳部分检测设备和辐射 天线，并能使天线正常扫描即可。

这里提出了一种实用的小型微波暗室设计方案1结构与屏蔽设计波导通风商图1由于微波暗室主要用于雷达的辐射时微波能量吸收以及微 波通道的参数测量，因此，暗室的空间以能容纳基本工作人 员、天线基本检测设备和天线为宜如：总的空间要求为l 200 X 700 mm2，则暗室在装完吸波材料后的净空间2300（长） X 1 800（宽）X 2 500（高）mm3即可结构形式可以采用外墙 用砖混结构，内部用金属板构建屏蔽室；也可以先构建内金 属屏蔽室，然后在外层装饰其他墙面材料雷达液位计发射 平均功率一般较低，通常为血可左右因此，为保证暗室内 仪器设备不被外界电磁环境所干扰，必须对外界强源辐射的 强功率电磁波进行吸波衰减和屏蔽屏蔽的基本方法有组合 型和焊接型组合型由墙板和使墙板连接的夹具组成，墙板 可以采用两面覆盖镀锌薄层的胶合板或镀锌的钢板，夹具使墙板安装成一个整体，并保证了墙板的导电连 续性焊接方法是由钢板或铜板经焊接而成的密封体，对微波频段，要求焊接工艺精密，同时焊接型结构 造价高对全屏蔽室除需要有通道门外，还需要有散热波导窗、电缆通道、天线安装平台等屏蔽室的屏 蔽效果可由屏蔽性能来定义，对于不同频率，屏蔽性能要求不同，NSA65-6标准中规定，l GHz的平面波和 10 GHz的微波其屏蔽性能应达到100 dB。

本方案采用六面钢板焊接屏蔽结构，具体结构见图1由于雷达工作时的辐射能量被吸波材料所吸收并转化成热能，因此在屏蔽室壁上开两个波导通风窗用于散 热1.1 结构轮廓设计在结构设计阶段主要考虑的因素有以下一些: 静区，是指暗室内受各种杂波(含反射、散射和绕射波等)干扰最小且满足元钱条件的测试区域静区的 大小和形状与暗室的类型、工作频率、吸波材料特性、要求的反射电平等因素有关上限由暗室的长度和静区决定频率范围，工作频率的下限取决于暗室的宽度和吸波材料的厚度， 反射率电平，定义为等效反射场与直接照射场之比而等效反 射尝试指室内反射、绕射和散射等杂波的总干扰场交叉极化，是指电磁波在传输过程中产生的与原极化特性相交 的极化分量之大小，它表征了电磁波的极化纯度多路径损耗的均匀特性，是指暗室内电磁波传输路径损耗的不 均匀特性，这对于圆极化天线的测量尤为重要幅度的均匀性，是指源天线照射置于静区内的待测天线时，孑L 径上场强度振幅的不均匀程度通常要求静区横向辐射变化不 超过±0.25dB，纵向辐射变化不超过土 2dB最终，矩形暗室的尺寸选择如图2所示，其长度L由下式确定：(1) 式中，D为静区直径，W为暗室宽度，R1为发射天线到墙的距离， 通常有 1 m < R 1 < W / 2( m)。

当入射角0 =70°时，宽度应满足W3R/2.75暗室的高度应该等于其 宽度，以保证暗室的对称性从而降低交叉极化电平矩形暗室结构 简单、易于建设、通用性号，是雷达液位计理想的测量暗室结构1.2屏蔽门窗设计屏蔽门窗一直以来都是暗室设计的重点和难点，既要保证人员和测量 设备的自由进出，又有要防止外界电磁干扰和室内电磁波的泄露，为 此门窗均需要特殊处理才能具备使用要求本暗室的电磁屏蔽门为自行设计和建设如图3所示采用了钢质结构，图4和门页，该门框和门页均是用钢板折弯而成的空心体如图4所示，门页的内层 面板面积小于外层面板，以便在外层四周形成凸边所说的凸边内侧面上和门框 相应面上对应设置有屏蔽槽和镀青铜指形簧片，屏蔽槽挤压簧片使其完全与门的 内侧面接触门框与门页的一个边间铰接在一起，它们的另一个边间设置有锁紧 机构其中的紧锁机构由连动机构和锁紧斜楔组成其特点是所说的连动机构呈 隐蔽状安装在门页的内、外层面板之间，而锁紧斜楔固定在与连动机构相对的门 框内侧面板上其中，所说的连动机构含有两个支架，该两支架呈上下对称状固 定在门页内，它们的两侧壁上有用于形成滑道的竖向长槽每个支架内均设置障碍有横向短轴。

门页上有 把手，该把手借助转轴和轴套安装在靠近连杆扯的门页上转轴与连杆间有连接块，该连接块一端与转轴 相固连另一端与连杆活动连接在整个屏蔽门的设计中被青铜指形簧片的安装至关重要，是保证电磁屏蔽性能知皿可的关键，左下图5中具体表示出簧片的简单安装方式2 吸波性能的设计2.1 照射功率密度的计算暗室的吸波能力主要体现在六个壁上所粘贴吸波材料的能吸波能力吸波材料的选择则必须依据雷达辐射 到六面壁上最大功率密度天线辐射功率密度的表达式为：$ _ p D （中）£ l （1一|「|2）4兀R 2 ⑵（2）式中p表示天线输入功率，匕为效率因子，D（0,中）为天线的方向函数，r为天线反射系数，R为离天线的距离 L对均匀幅相照射的平面口径天线，其最大方向性为：D = 4兀 A (3)max 人 2（3）式中A为天线面积，4为工作波长此时，若再考虑天线的口径效率£和传输效率£，则距平面口径天线R处的最大辐射功率密度的表达式 为： A '对偏馈椭圆抛物面天线，若喇叭馈源中心距离抛物面中心的距离为R，喇叭照射到抛物面上最大功率密度 的表达式为：p d（0,中）£（1 - r 2） p £ £ £（1 — r 2）aS = in L = out L A r （4）4兀R 2 R 2入2（4）式中P为发射机输出功率，£通道为传输通道效率因子，&喇叭为喇叭馈源增益，£昭射为喇叭馈源 照射到抛'物面上的效率因子，£匹配为天线辐射效率因子。

' "'、无论何种类型的天线，只要导出辐射功率密度表达式，即可根据雷达实际数据，求出需要吸收的最大功率 密度例如若一部雷达液位计其发射机输出功率为0.8W，天线采用偏馈椭圆抛物面天线，尺寸为1200X700 mm 2，射频传输通道的效率因子为0.8,喇叭馈源增益为10，喇叭馈源照射到抛物面上的效率因子为0.9, 天线辐射效率因子为0.98，馈源距抛物面的距离为0.5m，抛物面口面距离最近吸波壁为1m则吸波壁上受 辐射的最大功率密度可有（5）式求出：S = P £ G £ £ / 4兀 R2 （5）1 out 通道 喇叭照射匹配 1S = P £ G £ £ /4 兀 R 2 =0.8 X 0.8 X 10 X 0.9 X 0.98/（4 X 3.14 X 0.5 2）=1.7797 w / m 2本方案中由于天线是转期辐射，且距吸波材料的距离不超过1m，因此S|可以近似看成口面场在吸波墙处 的辐射功率密度 12.2 材料的选择由于天线是旋转扫描辐射的，因此希望暗室六个壁的散射电平要满足一定要求，对雷达参数检测而言，散 射电平必须低于雷达天线的驻波要求的反射电平，并且是满足在多个转角条件下的回到天线中的散射电平 低于天线自然辐射时的反射电平。

因此，必须在屏蔽室的六面敷设吸波材料，且吸波材料在吸收微波能量并转化为热能后，应不导致吸波材 料性能发生化学变化，更不允许自燃目前，市场上用于暗室吸波的材料主要有宽带吸波类、对消吸波类、 铁氧体和锥形混合类等几种【3】不同类型材料具有不同的特点宽带吸波材料是由泡沫基材制成的锥形 或斧形吸波材料，由于其形状特点使得从锥尖到锥底对入射波形成逐渐变化的阻抗变换，因此具有较小的 反射，且有很宽的频带，在典型带宽内的反射性能低于一 50 dB；对消吸波材料采用三层结构，入射波从 材料底层反射回来通过介质到达表层时和直接从表层反射的电磁波反相，从而减少反射，此类材料在窄频 带具有较好性能，厚度薄，典型的插损可达一 20 dB；铁氧体和锥形混合吸波材料主要用于电磁兼容测试 室，此种情况下不需要有很低的反射电平，且可以在很宽的频带范围内具有优良的特性，在x波段插损可 达一 45 dB暗室地面由于要承重，吸波材料可选用多层蜂窝夹芯结构，其厚度可根据反射性能要求增减， 市场上已出现反射性能达一 50 dB且高度不超过180咖的新型多层蜂窝夹芯吸波材料2.3 吸波材料的粘贴根据以上对吸波材料的分析和实际辐射到暗室壁上的功率密度，本方案四面墙及顶部选择吸波性能良 好、功率承受密度为1 500 W/m2的SA 一 300型锥形材料；地面则采用新型结构、难燃、耐高功率、单 位平方米承重达5 t、高度为180 nlnl的多层蜂窝夹芯型微波吸收材料。

2. 3吸波材料的粘贴吸波材料 的粘贴可选用401强力胶，其工艺流程：(1) 以屏蔽室轴线为基准，按吸波材料底部尺寸，找出垂直、水平点，用木斗弹出分路线，检查验收 合格后，再进行吸波材料粘接先粘接顶部，安装从上往下进行，这样能防止连接时少量黏剂滞漏吸波材 料表面上，影响整体美观2) 粘贴前先将墙体上残余物体清除干净，提前24 h准备粘接3) 粘贴时先在墙体上刷一次强力胶(适量)，待约20 min后刷第二次强力胶(适量)将吸波材料底部(粘 接面)清除干净后刷强力胶(适量)根据室内温度待强力胶基本干后同墙体粘接粘接时，每块吸波材料均 粘到方格线内，用专用工装辅助定位，使吸波材料安装后排列整齐美观4) 屏蔽门内壁上粘贴同样吸波材料，工艺流程墙体相同，需要注意的是铰链处要完全用吸波材料覆 盖好5) 拐角与棱边的处理暗室中拐角及棱边虽不在主要位置上，但处理不当，同样会影响吸波性能 当天线作扫描运动超过土400时，因棱边材料处理不当，皆时会出现较大的驻波包络起伏，因此，暗室中 的拐角及棱边部位应选用均匀过渡式的锥形材料以减少对静电区特性的影响3结束语雷达液位计有其自身独有的特点，因此在进行此类暗室建设中需要根据这些特点选择合适的结构、材料、 屏蔽门和通风口选择，通过综合这些因素系统、合理以及高效实用的进行自身暗室的建设。