微波暗室：“小黑屋”里乾坤大

　　微波暗室：“小黑屋”里乾坤大

　　■張 毅 梅廣輝 張 昀　　

微波暗室示意圖。資料圖片

　　7月14日，印度發(fā)射月船3號探測器，在月船1號、2號任務(wù)接連失敗之后，再一次嘗試將探測器送上月球。就在5個月前，印度空間研究組織發(fā)布公告稱，月船3號探測器完成了新一輪太空能力測試，成功通過了電磁干擾、電磁兼容性測試。

　　在官方公布的畫面中，月船3號探測器在一間布滿尖錐狀物體的神秘“小黑屋”中進行電磁試驗。這個“小黑屋”，就是微波暗室。

　　微波暗室聽起來有些高深莫測，實則它已經(jīng)有了將近一個世紀(jì)的歷史。21世紀(jì)以來，微波暗室更是被世界各國廣泛用于通信、電子、隱形戰(zhàn)斗機、航空、導(dǎo)彈、雷達等諸多領(lǐng)域與電磁相關(guān)項目的測試。由于其能夠節(jié)省大量成本，縮短試驗時間，在民用端和軍用端都廣受青睞。

　　只為電磁波傳播更加“純凈”

　　微波暗室又稱無回波室或吸波室，是一種專門被設(shè)計成用來做電磁相關(guān)測試的特殊試驗場所。因微波也有光的某些特性，借用光學(xué)暗室的含義，故取名為微波暗室。

　　走進微波暗室，映入眼簾的是一個布滿“釘子”的房間。這些尖錐狀的“釘子”就是吸波材料。借助蜂窩狀吸波材料和其獨特的棱錐造型，可以弱化并吸收散射到墻面的測試電磁波，避免測試電磁波二次反射向待測對象而構(gòu)成雜波干擾。此外，金屬屏蔽體、鐵氧體材料與吸波材料的應(yīng)用，能夠更好地屏蔽外界電磁波，有效阻止內(nèi)部測試信號溢出。同時，微波暗室中的測量活動也不受天氣的影響。

　　微波暗室的出現(xiàn)，與人們對電磁波的探索息息相關(guān)。

　　20世紀(jì)初，人們開始利用無線電技術(shù)進行廣播和通信。隨著設(shè)計研發(fā)電磁產(chǎn)品對參數(shù)測試的精準(zhǔn)度要求越來越高，普通實驗室已無法滿足研發(fā)人員的需求?？茖W(xué)家開始嘗試建造一個簡單且理想的電磁測試試驗場，早期的微波暗室出現(xiàn)了。

　　第二次世界大戰(zhàn)期間，對雷達和通信等技術(shù)提出更高要求，進一步推動了微波暗室的發(fā)展。20世紀(jì)50年代初，美國麻省理工學(xué)院把吸波材料應(yīng)用于輻射實驗室。與之前使用的材料相比，吸波材料可以將電磁波吸收水平提高幾個檔次，使電磁波在微波暗室中的傳播更加“純凈”。幾乎在同一時期，德國哥廷根大學(xué)、瑞士郵電部、日本東京大學(xué)等也相繼建立了微波暗室，廣泛應(yīng)用于電磁波的研究和測試。

　　后來，為了滿足使用者的需要，各種各樣的微波暗室被設(shè)計出來。研究人員設(shè)計出一半有微波暗室效果、一半是普通電磁環(huán)境的半封閉微波暗室，用于測試某些特定方向上的近場電磁特征。還有研究人員為了進行快速近場電磁環(huán)境測試，將一個尺寸較小的全功能微波暗室安裝在汽車、火車車廂上，使得整個暗室可以進行快速機動，創(chuàng)造出能夠靈活應(yīng)用于不同場合和環(huán)境的移動微波暗室……

　　隨著人們對吸波材料的研發(fā)以及對暗室結(jié)構(gòu)和設(shè)計的完善，微波暗室在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展和廣泛運用。當(dāng)前，通信技術(shù)、模擬仿真、隱身技術(shù)以及各種電子產(chǎn)品、軍事電子武器裝備發(fā)展迅速，微波暗室也如雨后春筍般得到發(fā)展普及，商業(yè)化程度大大提高。

　　隱形戰(zhàn)機從這里“起飛”

　　馬島戰(zhàn)爭中，英軍謝菲爾德號驅(qū)逐艦因無線電兼容問題而被迫關(guān)閉關(guān)鍵性設(shè)備，導(dǎo)致阿根廷飛魚導(dǎo)彈來襲時無法反擊攔截，釀成被擊沉的慘劇。這一戰(zhàn)例充分證明：電磁技術(shù)在現(xiàn)代化武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，電磁陣地一旦失守，往往難逃一敗。

　　想要牢牢守住電磁陣地，必須對裝備電磁輻射特性進行精準(zhǔn)測量。與電磁運用相關(guān)的新型武器裝備的研發(fā)，都必須經(jīng)過微波暗室的“煉制”。

　　有人把微波暗室比喻成給武器裝備“電磁面孔”畫像的畫室，用于讓武器裝備研發(fā)人員直觀看到該型裝備的電磁特征，揚長避短，充分發(fā)揮武器裝備效能。

　　俄羅斯軍工企業(yè)阿爾馬茲-安泰公司，是俄羅斯最大的防空和導(dǎo)彈系統(tǒng)制造商之一。微波暗室正是他們研究武器系統(tǒng)的重要工具。在微波暗室中，工程師可以進行各種評估雷達性能的測試。他們通過模擬不同頻段的電磁波，以測試武器系統(tǒng)對不同頻率的響應(yīng)和靈敏度。此外，他們還可以模擬電磁干擾和雜散信號，以評估武器系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　經(jīng)過微波暗室的測試，工程師可以檢測到信號泄漏、反射、干擾等問題，并有針對性地進行調(diào)整和改進，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題。這有助于確保防空和導(dǎo)彈系統(tǒng)在真實戰(zhàn)斗環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性，減少在實際環(huán)境中的試錯成本，同時降低風(fēng)險。可以說，微波暗室是高端武器研制過程的加速器。

　　值得注意的是，微波暗室在隱形戰(zhàn)機的研制中發(fā)揮了非常重要的作用。為研制新一代大型隱形無人作戰(zhàn)飛機，歐洲航空防務(wù)與航天公司在德國建立了一座新的大型飛機測試專用微波暗室。據(jù)稱，經(jīng)過新型微波暗室測試出來的雷達散射截面積(RCS)會比目前航空飛行器的水平降低1個數(shù)量級。若以世界上較為先進的隱形戰(zhàn)斗機為比較基準(zhǔn)，其RCS應(yīng)達到0.001～0.01平方米。要知道一只鳥的雷達反射面都能達到0.01平方米。

　　而那些缺乏大型微波暗室的國家，在研發(fā)隱形戰(zhàn)機時往往會“事倍功半”。以日本為例，由于日本本土沒有大型微波暗室，所以日本在研發(fā)五代機心神時，只能選擇將心神戰(zhàn)斗機的全尺寸模型不遠(yuǎn)萬里運到法國武器裝備總局的微波暗室進行RCS測試，然后再根據(jù)反饋結(jié)果對心神戰(zhàn)斗機的外形方案進行二度調(diào)整和修正。

　　由此可見，微波暗室對一個國家現(xiàn)代化武器裝備的研發(fā)有多么重要。

　　從“空間模擬”向“作戰(zhàn)模擬”轉(zhuǎn)變

　　射頻威脅模擬器是當(dāng)前微波暗室中最關(guān)鍵、技術(shù)含量最高、最昂貴的設(shè)備。它常被用于模擬友方系統(tǒng)、敵方輻射源、商業(yè)機構(gòu)、政府等可能信號源的復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境，涵蓋陸、海、空軍各類系統(tǒng)中的指揮、控制、預(yù)警、跟蹤與制導(dǎo)的射頻信號源。它可以將不可見的第五維戰(zhàn)場“復(fù)雜電磁環(huán)境”，變成直觀的計算機視景仿真、數(shù)據(jù)曲線、分析報告等。隨著射頻與數(shù)字技術(shù)的進步，射頻威脅模擬器的發(fā)展之路逐漸明晰。

　　典型的射頻威脅模擬器CEESIM，是最早出現(xiàn)且使用最廣泛的模擬器。隨著技術(shù)進步與新需求的出現(xiàn)，該模擬器可以涵蓋現(xiàn)代最重要的500MHz至40GHz電子戰(zhàn)頻段，以及低至20MHz的通信、導(dǎo)航和識別頻段。最新的CEESIM還集成了先進脈沖發(fā)生器、可視化組件等模塊，正不斷拓展新的功能與應(yīng)用方向。

　　模擬器回放記錄的射頻信號，是一個新興的發(fā)展方向。電子戰(zhàn)與雷達系統(tǒng)技術(shù)的不斷進步，對射頻威脅模擬器提出了更高逼真度模擬的要求。解決該問題的關(guān)鍵是發(fā)展DDS(直接數(shù)字頻率合成)信號源技術(shù)。CEESIM曾利用DDS技術(shù)對真實世界的射頻信號進行仿真，通過將記錄的射頻信號回放來復(fù)現(xiàn)真實世界的射頻信號，從而生成無限接近實戰(zhàn)的電子戰(zhàn)環(huán)境。也正是因此，讓模擬器回放記錄的射頻信號，進而讓微波暗室從“空間模擬”向“作戰(zhàn)模擬”轉(zhuǎn)變，已成為目前世界各國微波暗室研究的重點。

　　此外，開發(fā)用于測試非射頻信號、多光譜的傳感系統(tǒng)，也是業(yè)內(nèi)專家鉆研的方向之一。隨著一些非射頻(如紅外、紫外)信號的測試需求越來越旺盛，開發(fā)高度集成、高度傳感器融合、靈敏且智能的軍事系統(tǒng)和平臺已成為一種趨勢。

　　當(dāng)然，目前微波暗室測試距離實現(xiàn)真實閉環(huán)的射頻電子戰(zhàn)還有一定距離。在戰(zhàn)機進行電子戰(zhàn)模擬測試時，模擬威脅射頻信號的行為不會隨著被測戰(zhàn)機采取抗干擾動作而改變——這與現(xiàn)實世界是不同的。因此，開發(fā)閉環(huán)電子戰(zhàn)系統(tǒng)仍是當(dāng)前微波暗室最重要發(fā)展方向之一。

　　未來，隨著一些核心設(shè)備研發(fā)、改進型結(jié)構(gòu)設(shè)計、新型吸波材料的應(yīng)用，微波暗室正在從“空間模擬”向“電子戰(zhàn)模擬”進發(fā)，以適應(yīng)新域新質(zhì)作戰(zhàn)力量的測試需求。這將會給各種新型武器裝備的研發(fā)、測試、技術(shù)維護等領(lǐng)域，帶來翻天覆地的變化。