（电磁场与微波技术专业论文）调制散射近场测量系统的研究.pdf

摘要 摘要 调制散射近场测量技术最大限度地减少了测量装置对被测场的扰动，可以用 于辐射天线的近场测试，为天线的设计和研究提供精确的试验数据。本文从近场 测量技术出发，总结了调制散射近场测量技术的优点。采用互易原理分析了单双 站调制散射近场测量系统的工作原理，并对三种调制散射技术进行了讨论。详细 分析了调制散射近场测量系统的结构，设计了电调制控制电路，给出了解调的方 法和系统各部分的参数。本文同时对影响调制散射近场测量系统精度的因素进行 了分析，并给出了相应的补偿办法，设计了接收系统前端高频低噪声放大器。调 制散射近场测量探头采用印刷偶极子进行设计，指标基本满足要求，实际测试数 据与理论分析吻合较好。 关键词：近场测量调制散射技术精度分析调制解调散射探头 a b s t r a c ti l l a b s t r a c t t h i sp a p e ru s e sm o d u l a t e ds c a t t e r e rs y s t e mt om e a s u r em i c r o w a v ef i e l dw i t h m i n i m a ld i s t u r b a n c e t h i sm e t h o di se s p e c i a l l ya d a p tt om e a s u r em a g n i t u d ea n dp h a s e o fm i c r o w a v ef i e l dc l o s et oa n t e n n a s oi tc a nb eu s e dt om e a s u r er a d i a t i o na n t e n n a s n e a r - f i e l d t h ep r e c i s em e a s u r e m e n td a t ac a nb eu s e f u lf o ra n t e n n ad e s i g n b a s e do nt h e n e a r - f i e l dm e a s u r e m e n t ，t h i sp a p e rg i v e st h ea d v a n t a g eo ft h em o d u l a t e ds c a t t e r e r n e a r - f i e l dm e a s u r e m e n t t h i sp a p e ra n a l y s e st h em o n o s t a t i ca n db i a s t a t i co p e r a t i o n t h r o u g hr e c i p r o c i t yp r i n c i p l ea n dd i s c u s s e st h r e em o d u l a t e ds c a t t e r e rt e c h n i q u e s t h i s p a p e rg i v e st h es t r u c t u r eo ft h em o d u l a t e ds c a t t e r e rn e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e mi n d e t a i la n dd e s i g n st h em o d u l a t i o nc i r c u i t ，a n dg i v e st h em e t h o do fd e m o d u l a t i o na n dt h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ep a r to ft h es y s t e m t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h ef a c t o r s t h a ta f f e c tt h em o d u l a t e ds c a t t e r e rn e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e m sa c c u r a c y , a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t i o ni sg i v e n ，a n dd e s i g n st h el o w n o i s ea m p l i f i e r i nt h i sp a p e r , s c a t t e r i n gp r o b eu s em i c r o s t r i pd i p o l ea n t e n n at od e s i g n ，i t sp e r f o r m a n c e sm e e tt h e b a s i cr e q u i r e m e n t s ，a n dt h ea c t u a lt e s t i n gi ss i m i l a rt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d ：n e a r - f i e l dm e a s u r e m e n t m o d u l a t e ds c a t t e r e rt e c h n i q u e a c c u r a c y a n a l y s i s m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n s c a t t e r i n gp r o b e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蔓压整日期泣立：互! 厶 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 日期型：! ：垒 日期竺竖三：笪 第一章绪论 第一章绪论 1 1 天线测量现状 随着空间技术、射电天文和高分辨率雷达的迅速发展，通信设备的不断更新， 对天线的电参数要求越来越高，天线的增益也要求越来越大，孔径也越做越大， 有的可以达到上千五之多，为了满足远场测试条件，所需要测试距离可能达到几十 公里。显然要建设这样的测量场地是不现实的也是不可能的。同时在对高精度、 高性能天线的研制过程中，对天线测量n 刮的依赖性非常大。当研制一副新型天线 的同时就必须提出相应的测量天线的方案。这样，就迫使人们研究新的天线测量 方法和新的测量仪器设备。 从五十年代至今，天线近场测量技术，经历了五十多年的历程，并且由理论 研究进入了大量的工程应用，尤其是近场平面扫描技术，它不仅能够用来测量天 线的辐射特性，而且能能够用来“诊断”天线的口面场分布情况，为大型平面阵 天线的设计、研究提供可靠准确的设计依据。但是近场平面扫描技术存在很多缺 陷，致使人们继续开发研究近场测量技术，随后人们提出了调制散射近场测量技 术。这种方法测量速度快、精度高，正在成为近场测量技术的主要方向。从2 0 0 1 年法国s a t i m o 公司研制出第一个调制散射近场测量系统开始，我国研究近场测量 的部门和高校也着重把精力放在了调制散射近场测量系统的开发上。在以下的章 节中我们将详细介绍天线测量方法及调制散射近场测量技术。 1 2 天线的测量 1 2 1 远场测量 远场天线测量能确定增益和方向图。这就意味着我们对天线直接“诊断 就 能确定天线很远处的能量分布。然而对于大型天线远场测量无法进行，因为这些 模型的远场区距离太远，寻找一些合适的测量点有些不方便。这就需要进行近场 测量。 通常的远场测量不能提供天线内部或近场的信息，也不能提供电流是怎样流 通它的金属外表面或内部的，但是这些信息又对改善设计有利。这也要求我们进 行近场测量。 1 2 2 直接近场测量 近场测量是利用网络分析和接收天线探头进行测量的，待测天线通常保持固 2 调制散射近场测量系统的研究 定，使探头围绕着它转，得到不同的平面、柱面、球面的近场图。只是在距离上 和远场测量不同，其他的和远场天线测量是很相近的。 在近场测量中，接收到的信号是由探头接收的。为了得到场中离散点处的场 值，探头必须做的相当小，但是又不能特别的小。因为探头太小会使信号很微弱， 导致测量无效。当探头小于波长很多时，信号会在探头中心产生一个近似场。 如图1 1 描述的是直接近场测量设置，探头与接收机之间用同轴线或者波导连 接。这将产生两大问题： ( 1 ) 靠近待测天线的金属传输线将影响场的分布，因为它能使切向电场局部 短路。即使使用很细的电缆时，也会产生同样的情况。 图1 1 直接近场测龟设备 ( 2 ) 在精确高频信号测量时，传输线由于柔软、易变形，有时测量待测点幅 度和相位不是很稳定。 因为这两种原因，直接近场测量不适合在天线的很近的场区进行。这就要求 寻找减少干扰的近场测量方法来实现精度高的测量。下面我们介绍问接近场测量， 它能很好的提高测量精度。 1 2 3 间接近场测量 间接近场测量技术是采用相干技术进行的。也就是在近场的局部进行扰动得 到相干场。这种测量是借助介入场中很小的散射体来完成的。但是这散射体必须 满足两个条件： ( 1 ) 它必须相当小，不至于使我们要测量的场发生极端的改变。通过散射体 我们测量到的是探头和待测天线的相干场，因此测量的精确度直接取决于散射体 第一章绪论 3 的空间尺寸。 ( 2 ) 它必须又要求足够大，这样才能探测到被测信号。这就是说，测量信号在 探头产生的作用要远大于噪声产生的作用，以有利于精确的分析。 这两个要求是相互矛盾的，因此必须保持两者的协调。这种间接测量能探测 到很小的场值，而不会受影响太厉害。在测量过程中选取的参数必须具有很高的 灵敏度，以至于场中微小的变化都能感应到。 1 2 4 调制散射近场测量技术 在进行间接近场测量时，散射体n 0 。1 5 1 散射回去的信号比较微弱，而且会被寄生 信号所掩盖( 不匹配，热的或机械的变化等产生) 。为了改进这种方法，必须使散 射信号具备一种特征，而这种特征能为接收机所识别。我们可以使用调制器对散 射体散射回去的信号进行调制，然后在接收机部分用相干解调得回原来的散射信 号。这样很大程度地提高了系统的灵敏度，也减少了相应的干扰。 1 2 5 近场测量和远场测量方法的比较 远场测量尽管方法简单，很容易实现，但在测量大型天线时，由于场地的限 制还是不可避免的存在着缺点。近场测量与远场测量相比，有如下的优点【l 。3 】： ( 1 ) 近场测量系统需要的场地小，可在实验室内进行高精度测试工作。 ( 2 ) 所需数据被表示为m a x w e l l 方程的精确复矢量解的线性组合，精度高。 ( 3 ) 微波暗室中存在着的地面反射和掠角反射均可忽略。因为待测天线和探 头彼此十分靠近，吸收材料基本上可以垂直于辐射方向。因此，信噪比 高，随机误差和环境噪声低。 ( 4 ) 给出的信息十分详尽，例如远场振幅或极化特性通常可以在上万个方向 上给出来。 ( 5 ) 近场扫描方法几乎与地面湿度、大气气候条件无关，因此可以用来测试 在大气吸收波段的天线的辐射特性。另外还可以全天候工作。 ( 6 ) 一个完整的卫星可以考虑为一副天线。这样，卫星其他部分的散射都自 动包含在测试中了，可利用扫描技术测取和计算包括天线在内的整个卫 星的特性。 近场测量的缺剧卜3 】： ( 1 ) 测量系统复杂，制造成本昂贵。 ( 2 ) 在近场测量中，对探头的校准比在远场测量中对辅助天线的校准更精 确，更全面，以便对探头的影响进行补偿。 ( 3 ) 待测天线方向图不能实时获得。 ( 4 ) 频率很低时，由于吸波材料的反射特性变坏而限制了扫面方法的使用； 频率很高时，作为位置的函数的卡h 位测量变得更加困难。 ( 5 ) 在进行大电尺寸天线扫描测量时，需要测量和处理的数据量很大，这就 4调制散射近场测量系统的研究 要借助计算机进行数据处理，因而计算机软件起着重要的作用。 1 2 6 直接近场测量和调制散射技术近场测量的比较 由于直接平面近场测量上的缺点的存在，使近场测量方法的研究更加深入， 现在积极开发和研究基于调制散射技术的间接近场测量系统。这是因为调制散射 技术相对于直接近场测量技术具有以下优点： ( 1 ) 探头对信号的干扰相对于直接近场测量很小。 ( 2 )当对大电尺寸天线扫描测量时，扫描速度提高，相对于普通近场测量， 测量速度相对的提高。 ( 3 ) 在检测信号时采用相干检测的方法，使得数据的精度得到了提高。 ( 4 ) 调制散射技术可以在近场非常近的场区进行测量，而直接法不行。这 是因为直接近场测量的电源线对场有影响。而调制散射技术，探头和接收机中间 是无线的，避免了这种干扰。 这样，调制散射近场测量系统得到人们的普遍关注，正在很快的发展起来。 1 3 本章小结及以后工作安排 本章主要介绍了天线测量的发展现状，按测量区域的不同分类介绍了天线测 量的种类。分析比较了远场测量、直接近场测量、调制散射间接近场测量的优缺 点，明确了我们研究调制散射近场测量技术的目的。本文的工作安排如下： 第一章，绪论。介绍了天线测量的现状及发展。简单介绍了调制散射近场测 量技术的优点。 第二章，调制散射技术的分析。主要从互易原理出发分析单、双站调制散射 技术的工作原理，分析调制散射系统的分类。 第三章，调制散射近场测量系统的设计。主要分析调制散射近场测量系统的 构成，分析了调制散射近场测量系统设计的关键技术，设计了电调制控制电路。 第四章，调制散射近场测量系统的精度分析。主要分析了可能对调制散射近 场测量系统产生影响的因素，并相应的给出了一般补偿办法。并对接收系统前端 高频低噪声放大器进行了设计。 第五章，调制散射近场测量系统中散射探头的设计。主要分析了调制散射近 场测量系统中散射探头的一般理论。本文中采用印刷偶极子设计散射探头，设计 出来基本满足需要，经过实际测试，其结果和理论分析相差不大。 结束语，对本文的主要工作进行总结，并提出了需要进一步解决的问题。 第二章调制散射技术 5 第二章调制散射技术 2 1 调制散射技术的基本原理 2 1 1 调制散射技术的基本原理 在间接测量时探头必须很小，这样才不会对待测场产生太强的干扰，而这就 导致探头散射的信号很弱，微弱的信号可能被周围的噪声环境所覆盖。另一方面， 由于测量设备的支撑结构的存在，也会对这个散射信号进行干扰。 所以必须要采取措施来减小噪声的影响，辨别信号，提高系统灵敏度。这就 需要对散射信号加上一些标签，比如对散射波进行调制等，零拍接收机接收这些 已调信号，并从周围未调制的噪声背景中提取出来，这些信号内包含了被测点场 值，然后经过滤波并进行相干解调得到被测点场值。 2 1 2 散射体探头上的场 当由短偶极子、小环或者其他的小型天线构成的探头接入电磁场时，他们和 电磁场会立即产生相互作用。表现为在探头的金属中将产生电流，这电流将产生 两个不同的作用： ( 1 )当探头连接负载时，信号将通过传输线到达负载。这时的探头将作为 接收器接收信号传输到负载。我们称这种形式为探头的接收模式。 ( 2 )同时探头又向空间散射电磁场，这就增加了一附加场，这将改变原待 测场的分布。这就是探头的散射模型。 这两种作用都是用于测量所在点的电磁场值。为了准确的得到场的信息，比 如幅度、相位以及极化特性等。我们设计不同的测量系统结构，这些测量系统结 构的区别在于接收机是直接探测信号还是探测探头的散射场信号。 2 1 3 接收模式下探头特性 图2 1 给出了直接近场测量系统。图中探头放置在待测天线的场中，探头和接 收机之间直接用电缆连接。探头天线接收的能量与探头处的场及探头辐射特性是 直接相关的。这时探头就像接收天线。 源dut 接 图2 1 直接近场测最系统示意图 这种情况下，探头和接收机之间用电缆连接。这些电缆上有测量信号，这些 6 调制散射近场测量系统的研究 信号通常是高频或微波信号，这样会影响场的分布，降低测量的精度。另外，为 了测量到详细的数据，要求能随便的移动测量探头，所以传输线必须柔软并可弯 曲。并在测量过程中，传输线的位置和形状均可以改变。但是这种改变将可能改 变传输线的传输参数，产生误差。为了避免这些问题，散射模式中，传输线部分 由天线无线传输代替。 2 1 4 双站系统 探头散射场被作为干扰场入射到辅助天线上，有以下两种情况：辅助天线是 待测天线本身，另外辅助天线是其他天线。 当辅助天线是其他天线时，这种系统被称为双站系统，如图2 2 所示。它利 用两个相互独立的天线，一个发射信号到探头，一个接收从探头散射回来的信号。 辅助天线接收到的信号可能也包括其他的输入，如待测天线与辅助天线的直 接传输及与周围障碍物的响应输入。当探头放置在待测天线的周围时，常采用预 防措施使不想要的信号保持一个相当低或者不产生干扰的水平。 双站系统一般应用在散射探头和辅助天线之间的传输函数为常数时，或者预 先已经知道这个传输函数的时候。通过这个传输函数，这时测量信号只与探头位 置处的场有关。另一方面，如果散射探头和辅助天线之间的传输函数在测量过程 中一直变化，利用测量的数据来确定场就很困难了。因此单探头工作时，双站系 统基本不用。它常常用在探头阵列工作的情况下。 源 一 v 7 丛、 散射探头 图2 2 双站系统 2 1 5 单站系统 待测天线也可以作为辅助天线。在这种情况下，也可以测量天线辐射场。同 时，也可以接收和测量探头的散射场。这种形式被称为单站系统。 图2 3 给出了单站散射测量系统。待测天线通过中继线或者环流计连接着接 收机。在天线和中继线或者环流计之间有一匹配螺母，来调节匹配。在匹配情况 下，如果没有散射体，将没有任何的信号进入接收机。 在单站模式下，测量信号从待测天线传输到探头，然后经过探头再返回到待 测天线，这中间就产生了传输函数的二次方。这就意味着这种测量中不能明确的 确定相移情况，相移将在1 8 0 。之间变化。 第二章调制散射技术 7 图2 3 单站系统 2 1 6 单站系统与双站系统的比较 单站系统被认为是双站系统的特殊情况，单站情况下辅助天线就是待测天线。 因为这两种传输途径是相同的，待测信号均是从待测天线向探头传播。但是单站 系统的相位在1 8 0 。之间变化。 这个缺点在双站系统中是不存在的，然而双站系统相当的复杂。除了散射体 探头，辅助天线也包含在测量系统中，这就增加了系统数据的计算量。为了避免 复杂的计算，在测量中从散射体到辅助天线的传输因子应该保持常量。但是这对 于移动中的探头来说这点是很难做到的。 2 2 调制散射技术的分类 2 2 i 机械调制散射 一种简单的调制散射技术方法是机械地移动探头或用交变方式使探头变形： 当转动马达时，偶极子能如图2 4 所示那样旋转。用这种方法可以在达到高效率 调制的同时，而把扰动保持在非常低的水平上。但是要为散射体提供一个合适的 非扰动支撑。例如，用尼龙绳来悬挂散射体。 图2 4 机械调制散射示意图 ， 头x 帐奇11l散 8 调制散射近场测量系统的研究 金属探头放在线极化电场里，当它和电场平行时，会产生最大的影响。在它 的两端聚集电荷，这样沿探头有电流流动。当同样的探头横放在电场中时，电场 线垂直于探头，场不会被扰动，探针也不会产生任何有影响的反射。这两个探头 的取向如图2 5 所示。 ( a ) ( b ) 图2 5 探头纵向和横向放置在场中对场的影响 改变探头的外形也会改变它的散射方向图。用谐振散射体，探头尺寸的微小 变化( 频率固定) 或在工作频率上的变化( 尺寸固定) 可能产生失配，因此可以 调制散射场。机械调制方案需要复杂和灵活的实验装置，所以探头的支撑装置采 用细小、柔软并且不会对场分布产生很大影响的尼龙绳。 这里有一个调制方案，就是把螺旋天线放进场里，然后通过拉动系着它的尼 龙绳使它机械地伸展。这样就改变天线的散射，并且散射信号也相应地被调制出 来。但是，在实际中这种方式已经证明是很难实现的，特别是因为要移动探头来 获得场图。 总之，机械调制散射的确很好，因为它对待测场产生的扰动非常小，但同时 在实际运用中它面临着许多困难，它要求测量设备非常精密。由于这个原因很少 应用到它。 2 2 2 电调制散射 图2 6 是用电调制【m 1 散射体的单站设备。探头上装有非线性半导体负载( 肖 特基，p i n 二极管等) ，由低频方波调制。二极管连续地处于通和断状态中，以及 在近似短路和近似开路之间振荡。这样接收机获取到的散射信号中包含了用低频 调制的信号。 第二章调制散射技术 9 图2 6 单站电调制散射系统 要传送调制信号到半导体二极管，没必要用任何高频传输线，因为在这种情 况下只有低频信号通过导体。这意味着这罩可以用高阻电线，它的电场可以忽略。 因此可以忽略它产生的影响，而不影响到测量的灵敏度和精确度。 调制器输出的信号电平是调制过的，考虑到在电线上电压的损耗，探头连接 的信号电压为1 v 就足以达到一个好的调制效率。为了提高测量效率，可以采用双 极化甚至三极化探头对待测场进行测量。 2 2 3 光调制散射 在某种情况下，期望得到非常高的精确度，而调制用到的电缆的存在，即使 是用高阻材料制成也仍对场有影响。这时可以通过用光学的方法输送调制信号到 探头来减小潜在扰动，这罩可以用激光光束或光学纤维来调制。光学纤维完全由 介质材料( 玻璃) 组成，不会扰动场。 负载元件是感光设备，有可能是光敏电阻，光电二极管，或光电晶体管。但 是长期以来，大多数商业用的设备比探头的尺寸大得多，这样会减小空间分辨能 力和产生别的扰动。另外，感光设备的应用对调制频率有限制的能力，它的使用 限制了应用的动态范围。 由于这些限制的存在，电调制成为大多数实验装置的最佳选择。技术的不断 发展使光调制的技术特点得到改进提高，有可能使其成为调制散射测量的一个更 加有用的方法。 2 3 调制散射技术的理论基础 调制散射测量技术的理论基础为互易原理，下面将从互易原理出发得到单站 和双站调制散射测量技术的理论基础。 1 0调制散射近场测量系统的研究 2 3 1 单站调制散射技术的理论推导 ( 1 ) 利用场的互易原理推导 图2 7 互易原理作用仝1 日j 如图2 7 所示：s ，表示一无穷大的面，把天线及发射传输装置和散射器包围 在里面。品包围了天线和发射传输装置，分为昂和s h 。如为包围散射器的面。 在由s 、s h 、包围的体积v 中，为线性无源媒质，故l o r e n t z 互易原理可以写 为： 皿一n 2 ) d 君= 匾瓦) d s ( 2 - 1 ) 设巨、丽t 为天线通过s h 面向体积v 中发射的场。一e z 、一h z 表示由位于面包 围的体积v 中心处的一个无限小的偶极矩矢量丽在体积v 中产生的场。在天线和 传输发射系统匹配的情况下，传输系统产生的波为向外的行波，没有反射波。 将( 2 1 ) 式在各个面上展开得到： 两h 一2 ) d 3 + j ( 酉一h 2 ) d s + ( 酉瓦) d i q$1-1 s d ( 2 - 2 ) = 匾一h i ) d 琴+ 面一h i ) d s + j 匾h i ) d s 在墨上，由于为无穷大面，所以为球面波，因此有： 己一级_ 1 摇 ( 2 - 3 ) 磊一叙瓦侩 ( 2 - 4 ) 磊为s ，面的向外的法向矢量。因此有下式成立： ( 一e 2x 瓦) 面一【( 级或) 鬲】叫挚_ ( 级或) ( 级一1 ) 挚 ( 2 - 5 ) 第二章调制散射技术 ( 一e l 一n 2 ) d s 一【( 叔一h 1 ) x n 2 石推e - _ 2 _ o d s - ( 级一1 ) ( 级一n 2 ) 争 = _ 【( ” 一f = ( 以日1 ) ( 似 f 丛凼 由( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可得： ( 秀一h ：) d s = ，( 面z 万一) d i ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在霸面上，因为s - 为理想导体，故电场e 没有切向分量而只有法向分量， 可以写为面：施，则： ( e l xh 2 ) d s = - 巨( n xn 2 ) r i d s = 巨( 刀刀) h 2 d s = 0 ( 2 - 8 ) ( 重：再。) d 季= 一e 2 ( n “x h ，) 施= e 2 ( n “xn “) 一h 。d s = 0 ( 2 - 9 ) 在计算s 面上的积分时，需要考虑波导里面的场的分布，因为在实际应用时， 传输波导一般工作在主模式下。这里采用的是b j l 0 0 波导，其工作主模式为h 模， 其坐标设为如图2 8 所示。设波导传输凰。模( b a ) ，则场分布为： e x = j a s i n ( y ) ，e v = e z = 0 ，h = n e z o = z e x z o 设西l - 西l ，一：a j s i n ( z ： ；瓦：一e ，：一=，其中haws i n ( z y b ) x e 2 b w b j s i n ( z y b ) x 为向设e l - e t ，= = ；易= x = = ，其中为向 外传输的电场的模系数，w 为位置的函数。b 为散射器散射的向内传输的电场的模 系数。则： 日l = ( z w ) a z o ( 2 1 0 ) h 2 = - ( z w ) b z o ( 2 1 1 ) ( 2 1 1 ) 中的负号是由于b 为向波导内传输的行波，故方向为一z 。s 面上的 积分为： ，( e , ix 万2 ) d s = - a b y o 卜w x ( 三动施 s 0s 矗hh = - a b y o ，( 三- ) ( 三一w ) d s = - a b y o ，w 2 d s ( 2 m ) s 矗s 0hh 一彳础如s i n ( b 助2 d s = 4 b 警 同理： ，( 秀2 瓦) d s = a b y o ，w 2 d s = - a b 譬( 2 - 1 3 ) s 哼s 寸 。 hh 在& 面上，利用高斯定理有： f ( 酉夏) d 否= p ( 瓦一h 2 ) d v = j ( 夏v 写一一e l v 一h 2 ) d v ( 2 1 4 ) 在体积v 中，v x e , = 珥，v x h 2 = j + j o e o e z 。其中一j 足和散射器上电 1 2 调制散射近场测量系统的研究 荷的振动有关的。将上述两式带入到( 卜1 4 ) 中，有： ，( 鬲夏) d 君= p - j o , o 鬲夏一缈亏夏一写s 一) d v ( 2 15 ) s d y 而v x q = j c o 占o e , ，因为与在体积v 内没有与之相关的电流。因此： f ( 夏瓦) d 否= ( 一歹掣。h 2 - j ( _ o 钿一e l e 2 ) d v s o ， ( 2 1 6 ) 由( 1 1 5 ) 、( 卜1 6 ) 可得： ( 虿一h 2 - e 2 研) d s = 一( 巨j ) a v 。(9-17) s o ， 根据假设电流密度了分布于一根细的导线上，设导线方向为二，则了：，磊，设 电场磊在体积v 内为常数。因此，可以得到： i ( e l j ) d v = “巨i 尻如= “巨( 1 0 = j c o q l u 巨 ( 2 1 8 ) yv q l u 即为偶极矩m ，则： i ( 局2 一岛日1 ) d s = 一j c o m 蜀 ( 2 1 9 ) s n 由以上各式可以得到： a b y o a b = j c o m e l( 2 2 0 ) 因为酉和a 是线性关系，故夏可以表示为a 与分布函数的关系： e = a f ( x ，y ，z ) 。故： b = ( j c o z o a b ) m f ( x ，y ，z ) ( 2 2 1 ) 因为这里的砺由电场瓦极化散射器产生，方向为沿散射器方向，且假设电场 在散射位置大小不变，因此：m 大小与电场瓦的大小成线性的关系，可以写为： m = a ( u e 1 ) = a a u f ( x ，y ，z ) 】 ( 2 2 2 ) 其中口表示散射器的极化率，假设电场虿在v 中为常量，口只与散射器本身 特性有关，与所处的电场大小无关，表征散射器自身的特性。最后得到： b ：彳( 掣) ( 品) z ( 2 2 3 ) 口0 所以返回波导的电场散射信号的大小反映了天线发射的信号在散射器位置电 场信号大小的平方。通过测最散射信号，即可以探测天线场分布。 第二章调制散射技术 图2 8b j l 0 0 波导坐标系统 ( 2 ) 利用偶极子及互易原理推导h 1 日 图2 9 偶极于等效不意图 如图2 9 所示，把微波源等效为一个位于，= 的偶极子a = f a i p 埘，其在自 由空间，= r 2 处产生的电场为巨：= p 。，为一复常标量。设散射器位于处，由 于散射器的影响，这时吃处的场强变为易，设散射器等效的偶极子的强度为见， 则在r 2 处的实际的场为p l o p 2 共同产生的合成场，即为： 巨= a + f 1 2 p ： ( 2 2 4 ) 殷表征a = 0 ，即没有天线时，散射器和其周围环境的关系的复常标量，为吃 的函数。对称的，我们可以写出厂= 处的场强为： 巨= 段+ p , p 。 ( 2 2 5 ) 屈表征p ：= 0 时天线和其周围环境的关系的复常标量。为的函数。又由互易 原理可知： e 1 2 p 2 = e 2 l p l ( 2 2 6 ) 将巨：= p 。、最。= 口：p ：两式带入( 2 - 2 6 ) 式中可以得到： o r , p lp 2 = 口2 p 2 p l ( 2 2 7 ) 故有：q = 口：= 口。所以( 卜2 4 ) 、( 卜2 5 ) 式中的和口：为同一参数，设为口。 由于散射器被低频调制，故可以设p ：和易的关系为： 1 4调制散射近场测量系统的研究 p 22 s l q f j 乜2 占( q f ) 为散射器的极化率，因为采用了低频调制， 制角频率为q 。由( 2 2 4 ) 、( 2 2 8 ) 式可以得到： 胪嵩器 由( 2 - 2 9 ) 、( 2 2 5 ) 可得： 巨= 高糍+ 届a ( 2 2 8 ) 故为时间t 的周期函数。调 ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 因为：e ：= 口见，将其带入( 卜3 0 ) 式，可以得到： 骂= 嬲+ 届a ( 2 - 3 1 ) 1 a ( 1 一f ( q f ) 屈) p 。表示微波源的分量，为不变化的常量，当届= 屈= 0 即表示不考虑外部环境 影响时的简单情况。屈b 表示在没有散射器存在时也会由外部环境反射回去的微 波成分，是没有调制分量，相对应于混频中出来的直流分量，散射器与周围环境 的相互作用由屈反映，同时其对巨的影响还会受极化率参数e ( c o ，t ) 的影响，故 ( 1 6 ( o ) ，t ) f 1 2 ) 反映了考虑周围环境和散射器相互作用时对置的影响。由于对散射器 进行调制就相当于改变g ( c o 。t ) ，如果只取测量结果的交流值，故最后经过解调后测 量得到的为巨的变化量蝎。 由( 2 - 3 1 ) 式知，如果不考虑环境的影响，设测量得到的交流值为e ，则： e = 蝎竿= 掣铲锄呦v 御刎 3 2 ， 最：2 丽1 2 ：1 2 ( 2 - 3 3 ) 躲南 ( 2 _ 3 4 ) 其中曰为被测场点的相位，缈为发射源的角频率。如果不考虑环境和散射器之 间的相互影响( 多次反射等) ，则由( 2 3 2 ) 式可以看出检测到的e 幅值与被测量 场值e ，的幅值的平方成比例的，相位值应该为被测量场点相位值的2 倍。与前面 用场的互易原理得到的结果是一致的。 当散射器很接近天线或者导体周围时，或者散射器本身的几何尺寸比较大时， 散射器与周罔环境之 i j 的相互作用较显著，不能再用公式( 2 3 2 ) ，而还应该用 ( 2 - 3 3 ) 式对结果进行修正。因为( 2 3 3 ) 中的s 只和散射器有关，只& 空问位 第二章调制散射技术 置有关，与散射器无关，故可以通过用两个不同的散射器对同一场进行测量，从 而消去，求得e 。 ( 3 ) 小结 单站调制散射近场测量技术以互易原理为基础，测量天线与被测量天线采用 同一天线，散射器可以采用电调制。这种方法最大限度地减小了探头对被测量场 的影响。通过场的互易原理和等效的方式的互易原理都可以得到，被测场点的场 值的平方与散射回接收装置的场值成正比。即：v = g e 2 ，v 为接收装置处的电压 值，e 为被测点的场值，都为复数，包含了场值的幅度和相位信息。 2 3 2 双站调制散射技术的理论推导 在双站情况下，我们可以得到相似的形式。探头和辅助天线之间也符合互易 原理。但必须引入第三激励源c ，这种情况是辅助天线接收，探头传输。通过互易 原理可以知道，源s 在场p 点产生的场经散射器散射后回到辅助天线的散射信号 和p 点的场值是成正比的。 2 3 本章小结 本章主要分析了调制散射技术的基本原理，由于散射信号比较微弱需要对信 号进行调制，然后通过零拍接收机进行接收来同步检测得到待测场信号。下面给 出了调制散射技术的分类，主要分为机械调制散射技术、电调制散射技术、光调 制散射技术，给出了他们各自的优缺点。本文中的调制电路采用电调制的方法。 调制散射技术是以互易原理为数学基础的，本章通过场的互易原理和偶极子的互 易原理推导出了单站下散射回接收装置的场值与待测场值平方的关系：v = g e 2 。 第三章调制散射近场测量系统的设计 1 7 第三章调制散射近场测量系统的设计 调制散射近场测量系统n 习以其工作方式的不同分为两种：单站方式和双站方 式，前面已经详细论述。如图3 1 和图3 2 所示。本章将对调制散射近场测量系 统的基本工作原理进行分析，并设计控制电路对探头处场信号进行调制，在解调 部分我们采用相干解调对调制散射信号进行解调，进而得到测量点处的场值。在 这里如何实现信号的调制和如何实现信号的解调是我们要解决的问题。 图3 1 双站方式 图3 2 单站方式 3 1 调制散射系统中信号的调制和解调 调制散射系统的接收机能从未调制信号背景中识别出调制信号，这些信号包 v 冈锹 调制散射近场测量系统的研究 含了探头处场的幅度和相位信息。图3 3 是带有连接线的零拍接收机的图解。图 3 4 是具体的接收机示意图。 相干中频接收机 图3 3 双站下超外差接收机与连接电路 拍接收机 列 图3 4 零拍接收机 来自信号源的输入信号作为参考信号和来自待测天线的信号进行混频，这样 就可以使待测天线发射的信号圪，( f ) 消除掉。来自待测天线的信号为了区分其幅度 和相位，采用相移器使它分为两个通道：一个通道和参考信号同相，另一个通道 通过积分后与参考信号相位相差9 0 。而我们所需要测量的探头处的场值信息， 也从这两个通道出来。 零拍接收机在设计上和许多雷达和通信设备的开发是相似的，许多先进的技 术可以用来设计零拍接收机。然而，这里的接收机和普通的接收机有两点不同： ( 1 ) 在调制散射技术系统罩零拍接收机是工作在相对宽的频带上，而雷达和 通信设备更多地应用在窄得多的频带上。 ( 2 ) 对于部件的要求更精密，这是因为零拍接收机要在所有的频带内实现固 定的9 0 。相位的分离。但是在一个宽频带上保持一个精确的9 0 。相位差是不可能 帮三章调制散射近场测星系统的设计 1 9 的，而我们可以经过修正来基本实现。 这些要求并不容易满足，尽管轻度不匹配可以通过修正来实现，但是我们在 设计中仍需要特别注意部件校准。 我们可以通过数学背景来了解接收机中的信号处理过程。在单站情况下出现 的反射系数( 大多数用在移动单探头设备) 和在双站情况下的传输系数( 大多数 用在相控阵天线) 可以分解成已调和未调两个部分： z ( = z o ( t ) + a z ( t ) ( 3 一王) 已调部分包含待测场的信息，而未调部分是由载波残留和寄生反射产生的。 对于一个调幅方案，以上方程可以变为： x ( t ) = a oc o s ( 咄+ ) + 砌( ) 晖c o s ( o , o t + n q , j , ) ( 3 - 2 ) 霉c o s ( c o o t + n q ，p ) 是在探头位置处待测场的分量， a oc o s ( f + 编) 代表在角频 率下非调制贡献。双站情况下，l = l ；单站情况下，n = 2 。k 是一个比例常数， r e ( t ) 是低频调制信号。 当用零拍接收机检测时( 图3 3 ) ，这个信号和以下高频参考信号，( f ) 混合： r ( t ) = a ，c o s ( 钱f + 谚) ( 3 - 3 ) 信号在混频器里相乘，然后时域平均，最后产生同相成分z ( f ) ： - = a o a rc o s ( 孕, o 一仍) + 弛珑( f ) ec o s ( n ( p p 一够) ( 3 4 ) 9 0 。相位差成分擘( f ) 可以通过用相似的方法得到，只是要用到和同相信号相移 霈2 的参考信号： 垡( f ) = = a o a ，s i n ( f a o 一( p r ) + k a ，m ( t ) e ps i n ( n p p 一织) ( 3 - 5 ) 调制信号是频率为的周期信号，而且可以扩展成一个无穷傅立叶级数，如 下： 聊( f ) = m ic o s ( k 2 x f m o d ) ( 3 6 ) k = 0 在同样的调制频率下利用参考信号，这样可以得到实部和虚部信号成分： i = k m ( t ) a ，e ；c o s ( n q , p 一仍) r e 娣e “坼坼 ( 3 - 7 ) q = k m ( t ) a ，e ；, s i n ( m p p 一纺) o ci m e p “咿刚 ( 3 8 ) 然后实部和应郑信号与载波信号进行相干检波就可以褥割测量点场值信息。 2 0 调制散射近场测量系统的研究 3 2 调制电路的设计 下面详细阐述探头处场信号的调制。若要从噪声背景中把微弱的场信号辨别 出来，我们可以把场信号加上一标签，所以这里需要对信号进行调制。这里采用 电调制技术进行调制。框图如图3 4 所示。 图3 4 探头调制控制电路流图 我们通过单片机和上位机p c 之间进行串行通信来实现单片机n 铲2 3 1 的控制，这 里采用单片机a t 8 9 s 5 2 来控制微波开关的通断实现探头在5 0 0 k h z 下的调制。 3 2 1a t 8 9 s 5 2 单片机 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 8 位微控制器，具有8 k 在系统可编程 f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常 规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i 0 口线， 看门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，一个6 向量2 级中断 结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至o h z 静态逻 辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允许r a m 、 定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡 器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 1 引脚结构( 如图3 5 ) 第三章调制散射近场测量系统的设计 2 l 图3 5 引脚结构 v c c ：电源 g n d ：地 p 0 口：p o 口是一个8 位漏极开路的双向i o 口。作为输出口，每位能驱动8 个t t l 逻辑电平。对p 0 端口写“1 时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序 和数据存储器时，p 0 口也被作为低8 位地址数据复用。在这种模式下，p 0 具有 内部上拉电阻。在f l a s h 编程时，p 0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输 出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 p 1 口：p 1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i 0 口，p 1 输出缓冲器 能驱动4 个t t l 逻辑电平。对p 1 端口写“1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流( 。i l ) 。此外，p 1 0 和p 1 2 分别作定时器计数器2 的外部计数 输入( p 1 0 t 2 ) 和定时器计数器2 的触发输入( p 1 1 t 2 e x )