一种电波暗室及其构建方法与流程

1.本发明涉及电磁场测试领域，具体涉及一种电波暗室及其构建方法。


背景技术：

2.镜面单锥系统在瞬态电磁场领域是一种非常重要的系统，在国防电子领域有多重用途。镜面单锥系统需要一个无反射或者反射水平尽可能低的周边环境。这种情况下就需要将系统放置在非常空旷的户外，这显然不是一个好的选择，因为日晒雨淋会损坏设备，而且供电、维护的问题也很大。另一个选择就是建设一个电波暗室，其主要功能是构建低反射的单锥tem室。传统暗室多是一种长方体型，其壳体是钢板，钢板本身对电磁波具有强反射效应，会产生多重反射的强多径分量。
3.如果不抑制这种反射效应，脉冲电磁场在钢板表面会发生多次反射，从而使得脉冲电磁场产生强烈的码间干扰特性，这是一个严重的负面因素，所以为了避免这种情况的发生，就必须在钢板上铺设铁氧体与角锥形吸波材料的匹配结构，这种结构能吸收大部分电磁波，从而降低结构边界上的反射水平。
4.一般来讲，吸波材料在电磁波的入射角为0时，反射率最低。传统的长方体电波暗室、圆柱形电波暗室在一些情况下界面一次反射率较高，愈发难以满足测试要求。
5.对此，中国专利cn109884569b提出一种小反射宽频带标准场产生装置，涉及一种半球状半电波暗室，则在球面电波暗室的情况下，入射到吸波材料的电磁波入射角为零，可以充分降低反射率。但是，半球形暗室的表面为曲面，业内目前采用铸造工艺或多边形钢架拼接工艺搭建暗室，对于半球形暗室，需要制造若干曲面，并拼接进而搭建暗室，切割工艺和拼接工艺成本高昂，实现复杂，可见，半球形暗室的搭建在工程上几乎难以实现。同时，由于吸波材料的底面是平面，对于半球形暗室而言，其内壁为曲面，则在半球形暗室的内壁上难以布设吸波材料。综上，该专利在技术实现上成本高昂，施工难度高，几乎不能实现。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出一种电波暗室及其构建方法，以解决目前电波暗室的反射率与其搭建难度不能兼顾的问题。
7.第一方面，本发明实施例提供一种电波暗室，所述电波暗室包括：
8.顶面，为多边形；
9.多个梯形面，分别与所述顶面的各边一一对应，每个所述梯形面的上边长度与所述顶面的边长相等，每个所述梯形面分别通过上边与所述顶面的对应边连接，多个所述梯形面沿着所述顶面的周向依次连接，且所述梯形面与所述顶面之间呈角度；
10.多个矩形面，分别与多个所述梯形面一一对应，每个所述矩形面的上边长度与所述梯形面的下边长度相等，每个所述矩形面分别通过上边与对应的所述梯形面的下边连接，多个所述矩形面沿着多个所述梯形面的下边的周向依次连接，且所述矩形面与所述顶面相垂直；以及
11.吸波材料，布设在所述顶面、所述梯形面和所述矩形面上。
12.优选地，所述顶面为正多边形。
13.优选地，所述顶面为正十六边形。
14.优选地，所述梯形面的下边的长度为1.2米。
15.优选地，多个所述矩形面所包围形成的环形的半径为3.0755米。
16.优选地，所述顶面的半径与多个所述矩形面所包围形成的环形的半径的差值为0.93米。
17.优选地，所述顶面与所述矩形面的上边之间的高度差为0.8米。
18.第二方面，本发明实施例提供一种用于如第一方面任一项所述的电波暗室的构建方法，所述构建方法包括：
19.确定暗室反射率方程；
20.根据所述暗室反射率方程，确定所述顶面、所述梯形面和所述矩形面的尺寸，以及确定所述顶面的边数、所述梯形面的数量和所述矩形面的数量，拼接所述顶面、所述梯形面和所述矩形面，构建所述暗室。
21.进一步地，确定暗室反射率方程包括：
22.以多个所述矩形面所包围形成的环形的中心为坐标系原点，以多个所述矩形面所包围形成的环形的半径为x轴，以高度方向为z轴，建立球坐标系；
23.确定所述暗室内的镜面单锥的底面半径，确定所述暗室的高度、多个所述矩形面所包围形成的环形的半径和所述吸波材料的厚度；
24.以过所述暗室的中心以及过所述顶面的任一半径的竖直平面为参考面，多个所述矩形面所包围形成的环形的顶点在所述参考面上的投影记为a点，所述顶面的半径与所述相关区域和所述无关区域的分界线的交点在所述参考面上的投影记为c点，所述矩形面与所述梯形面的连接位置在所述参考面上的投影点记为d点，所述梯形面与所述顶面的连接位置在所述参考面上的投影点记为e点，所述矩形面上的所述吸波材料在与所述矩形面连接的接触面上在靠近所述梯形面一侧的端点在所述参考面上的投影记为d1点，所述顶面上的所述吸波材料在与所述顶面连接的接触面上在靠近所述梯形面一侧的端点在所述参考面上的投影点记为e1点。
25.进一步地，所述暗室反射率方程为：
[0026][0027]
其中，θa、θc、θ
d1
和θ
e1
是所述球坐标系中相应点的入射角，
│s│
是电磁波入射功率密度，r
l
(α(θ))是吸波材料的反射率表示为入射角α的函数的线性功率量纲转换，ks是所述球坐标系下直线的方程，ρ是所述球坐标系转换为柱坐标系的半径。
[0028]
本发明实施例提出了一个全新的方程，即暗室反射率方程，可以通过暗室反射率方程确定电波暗室的顶面、梯形面和矩形面尺寸，以及顶面的多边型边数、梯形面的数量和矩形面的数量，电波暗室由顶面、多个梯形面和多个矩形面拼接而成，易于加工，且易于布设吸波材料，同时，可以有效降低暗室反射率。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为本发明实施例的电波暗室的构型示意图；
[0031]
图2为本发明实施例的电波暗室的内部结构示意图；
[0032]
图3为本发明实施例的电波暗室的参考面的示意图；
[0033]
图4为吸波材料的入射角与反射率增长率的关系示意图；
[0034]
图5为有限长镜面单锥在0.1ghz下仿真分析结果示意图；
[0035]
图6为有限长镜面单锥在0.15ghz下仿真分析结果示意图；
[0036]
图7为有限长镜面单锥在0.3ghz下仿真分析结果示意图；
[0037]
图8为有限长镜面单锥在0.6ghz下仿真分析结果示意图；
[0038]
图9为有限长镜面单锥在0.9ghz下仿真分析结果示意图；
[0039]
图10为本发明实施例的co1段0.1ghz下电场强度仿真结果示意图；
[0040]
图11为本发明实施例的co1段0.15ghz下电场强度仿真结果示意图；
[0041]
图12为本发明实施例的co1段0.3ghz下电场强度仿真结果示意图；
[0042]
图13为本发明实施例的co1段0.6ghz下电场强度仿真结果示意图；
[0043]
图14为本发明实施例的co1段0.9ghz下电场强度仿真结果示意图；
[0044]
图15为本发明实施例的暗室反射率方程的与暗室尺寸的关系示意图。
具体实施方式
[0045]
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
[0046]
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
[0047]
如图1和图2所示，是本发明实施例的电波暗室的结构示意图。所述暗室包括顶面，为多边形；多个梯形面，分别与所述顶面的各边一一对应，每个所述梯形面的上边长度与所述顶面的边长相等，每个所述梯形面分别通过上边与所述顶面的对应边连接，多个所述梯形面沿着所述顶面的周向依次连接，且所述梯形面与所述顶面之间呈角度；多个矩形面，分
别与多个所述梯形面一一对应，每个所述矩形面的上边长度与所述梯形面的下边长度相等，每个所述矩形面分别通过上边与对应的所述梯形面的下边连接，多个所述矩形面沿着多个所述梯形面的下边的周向依次连接，且所述矩形面与所述顶面相垂直；以及吸波材料，布设在所述顶面、所述梯形面和所述矩形面上。
[0048]
所述电波暗室可以通过以下方法构建：根据暗室反射率方程确定电波暗室的顶面、梯形面和矩形面尺寸，以及顶面的多边型边数、梯形面的数量和矩形面的数量，拼接所述顶面、所述梯形面和所述矩形面构建所述暗室。
[0049]
本发明实施例提出一个全新的方程，即暗室反射率方程，可以用于设计及构建电波暗室，下面，给出暗室反射率方程的推导：
[0050]
以多个所述矩形面所包围形成的环形的中心为坐标系原点，以多个所述矩形面所包围形成的环形的半径为x轴，以高度方向为z轴，建立球坐标系。
[0051]
所述暗室内的镜面单锥的底面半径记为rc，其中，所述镜面单锥以单锥馈电点靠近地面的方式安装在所述暗室内，且所述单锥馈电点处于所述球坐标系的z轴上。
[0052]
所述暗室的高度记为h，多个所述矩形面所包围形成的环形的半径记为w，所述吸波材料的厚度记为l。
[0053]
所述顶面包括相关区域和无关区域，其中，所述无关区域为所述镜面单锥沿高度方向在所述顶面的投影所覆盖的部分，所述相关区域为所述顶面沿高度方向未被所述镜面单锥的投影所覆盖的部分。
[0054]
如图3所示，以过所述暗室的中心以及过所述顶面的半径的竖直平面为参考面，多个所述矩形面所包围形成的环形的顶点在所述参考面上的投影记为a点，所述顶面的半径与所述相关区域和所述无关区域的分界线的交点在所述参考面上的投影记为c点，所述矩形面与所述梯形面的连接位置在所述参考面上的投影点记为d点，所述梯形面与所述顶面的连接位置在所述参考面上的投影点记为e点，所述矩形面上的所述吸波材料在与所述矩形面连接的接触面上在靠近所述梯形面一侧的端点在所述参考面上的投影记为d1点，所述顶面上的所述吸波材料在与所述顶面连接的接触面上在靠近所述梯形面一侧的端点在所述参考面上的投影点记为e1点。
[0055]
如图4所示，一般来讲，吸波材料的入射角与反射率增长率的关系，为：0
°
～45
°
，增长率是0.1db/
°
；45
°
～60
°
，增长率是0.2db/
°
；60
°
～90
°
，增长率是0.3db/
°
。
[0056]
吸波材料的反射率表示为入射角α的函数，记为r
(α)
，则：
[0057][0058]
r0是吸波材料在0
°
入射角时的反射率；
[0059]
将r
(α)
的表示式转换为线性功率量纲为：
[0060][0061]
r0[db]是垂直入射情况下的反射率，r0[db]转换为线性量纲为：
[0062][0063]
镜面单锥的电场表示为：
[0064][0065]
r是球坐标系半径，zd是传输线的特征阻抗，zc为单锥的特征阻抗，工程上一般zd＝zc，因此本实施例也以zd＝zc为例进行说明，然这并不用于限制本实施例(本领域技术人员可以根据本实施例的记载而合理推导zd与zc不相等时的结果)，此处令zd＝zc，有：
[0066][0067]
镜面单锥的电场表示式转化为在柱坐标系中表示，为：
[0068][0069]
其中，ρ是柱坐标系的半径，需注意的是，上式是无限长镜面单锥的规律公式，对于有限长镜面单锥当前无解析解。下面通过仿真分析进行模拟，得出在有限长镜面单锥情况下的仿真结果：
[0070]
如图5-图9所示，是通过仿真分析对有限长镜面单锥的多个频点进行分析的结果，依次为0.1ghz、0.15ghz、0.3ghz、0.6ghz和0.9ghz下的分析结果。由上述分析结果可推知，由于锥面遮挡效应，co1(参见图3)之间的电场强度相比其他区域要小很多，其中，电场强度仿真如图10-图14所示。
[0071]
因此，在分析电波暗室总反射功率比例时，co1段不应计入，应只分析三段：
[0072]
在球坐标系中，a点的坐标和入射角θa为：
[0073]
a＝(w,0)
[0074]
θa＝0
[0075]
在球坐标系中，c点的坐标和入射角θc为：
[0076]
c＝(rc,h)
[0077]
θc＝angle(rc+jh)
[0078]
在球坐标系中，d1点的坐标和入射角θ
d1
为：
[0079]
d1＝(x
d1
,z
d1
)＝(w,h-bd-lsinβc)
[0080]
θ
d1
＝angle(x
d1
+jz
d1
)
[0081]
在球坐标系中，e1点的坐标和入射角θ
e1
为：
[0082]
e1＝(x
e1
,z
e1
)＝(w-be-lcosβc,h)
[0083]
θ
e1
＝angle(x
e1
+jz
e1
)
[0084]
c点的入射角的余角为：
[0085]
[0086]
记电磁波的入射角为α，则：
[0087]
在上：
[0088]
α＝θ
[0089]
ρ＝w
[0090]
在上：
[0091]
矢量的单位矢量表示为则：
[0092][0093]
直线的方程为：
[0094][0095]
对方程组求解：
[0096][0097]
得到：
[0098][0099]
在上：
[0100]
α＝90-θ
[0101]
ρ＝hcotθ
[0102]
馈电功率为：
[0103][0104]
电磁波入射功率密度为：
[0105][0106]
同时考虑到θ实际是球坐标系中的变量，面积分元表示为：
[0107][0108]
在上：
[0109]
z＝xtanθ,dx＝0ds＝2πx2sec2θdθθ∈[θa,θ
d1
)
[0110]
在上：
[0111][0112]
在上，
[0113][0114]
则暗室反射率方程可表示为：
[0115][0116]
需要说明的是，在上述推导中，应注意，在工程上，优选zd＝zc，例如zd＝zc＝50ω。同时，馈电功率应注意归一化处理，即，馈电功率为1w的情况下，有：
[0117][0118]
由此，根据测试的镜面单锥的参数(例如镜面单锥的半径和高度，为已知参数)及电波暗室的参数(例如暗室高度和吸波材料厚度，为已知参数)代入上式即可获得电波暗室的反射率与电波暗室的尺寸参数的关系。具体来讲，通过镜面单锥的参数等已知数据代入上式，可以获得be与bd的长度数值，本领域技术人员结合实际工程需要(例如场地大小、暗室内部空间大小需求等等)进而可以确定顶面、梯形面和矩形面的尺寸参数，以及顶面多边形的边数、梯形面的数量和矩形面的数量。从而可以设计出相应的切割方案，所述切割方案指的是通过钢板切割及拼接工艺来搭建暗室，也即通过拼接顶面、梯形面和矩形面来搭建暗室。以下举例说明根据上述公式搭建暗室的操作实例：
[0119]
如图15所示，本实施例以暗室高2.6米，最大半径3.07米，吸波材料厚度0.5米为例，镜面单锥的母线2米，bd分别取值0.2m、0.4m、0.6m和0.8米为例，暗室反射率方程的曲线可表示为图15所示的曲线。可见，当bd取值较大时，边界总反射率低，但同时随着bd的取值变化，暗室边沿处的吸波材料可能会对进入的实验人员造成影响。因此综合考虑后，本实施例取bd＝0.8m和be＝0.93m，考虑到暗室性能、搭建场地的大小、镜面单锥的大小、搭建难度以及后续实验人员进入暗室内部空间等因素，由此推算出暗室为正十六边形设计为宜，即顶面为正十六边形，梯形面和矩形面的数量均为十六，同时，梯形面的下边长度为1.2米，矩
形面包围环形的半径是3.0755米，此时电磁吸收效果最好。
[0120]
在工程实现上，可以通过拼接的方式将若干梯形面和矩形面与顶面拼接而成，搭建暗室，由于顶面、梯形面和矩形面均为平面，不但降低了成本(包括切割成本和制造成本)，而且易于加工，而且更容易布设吸波材料。尤其是相比于现有技术中提出的半球形电波暗室，半球形表面作为曲面，难以切割和拼接，且曲面表面难以布设吸波材料，本实施例具有明显优势。
[0121]
另外，应理解，本实施例以构建的是正十六边形暗室为例进行说明，这并不用于限制本实施例，本领域技术人员可以根据本实施例的暗室反射率方程结合实际工程需要而自由设计暗室的形状，即可以是任意多边形的暗室。
[0122]
本发明实施例提出了一种暗室的设计方法，尤其是推导出一个全新的方程，即暗室反射率方程。通过该方程可以计算出暗室的尺寸参数(例如bd和be的长度)与暗室的反射率之间的关系，从而可以确定出兼顾暗室尺寸与暗室反射率的bd和be的长度数值，进而可以确定顶面、梯形面和矩形面的尺寸参数，以及顶面多边形的边数、梯形面的数量和矩形面的数量。从而为暗室的搭建提供了数据和理论基础。本发明实施例的电波暗室兼顾低成本与低反射，可以更好地满足工程上电波暗室的测试需求。
[0123]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。