天线测量第六章

1、近场测量技术 近场测 量技术 缩距技 术 聚焦技 术 解析技 术 近场数 据测取 方法 外推技 术 定义 最小测试距离与最小测试距离与D、的关系曲线的关系曲线 近场测试技术就是在天线的近场测量得到天线远场辐射特性的 技术。用以解决测试场地问题。 近场测试技 术包括： 缩距技术 聚焦技术 解析技术 外推技术 缩距技术 远场测试条件的实质就是要在待测天线孔径上产生一个振幅均 匀、相位偏差较小的近似平面波平面波。 缩距技术的关键在于产生平面波前的源天线源天线 透镜天线可用来做为平行校正器，在待测天线处形成一个平面波来模拟远场区。 为了得到良好的模拟效果，作为源天线的平行校正器透镜之孔径尺寸通常应比待

2、 测天线孔径尺寸大24倍以上，否则，由于透镜的散射和边缘绕射效应等，会使 测量产生较大的误差。 透镜天线基本结构 透镜天线 在厘米波段，许多光学原理可以用于天线方面。 在光学中，利用透镜能使放在透镜焦点上的点光 源辐射出的球面波，经过透镜折射后变为平面波 。透镜天线就是利用这一原理制作而成的。它由 透镜和放在透镜焦点上的辐射器组成。 介质减速透镜天线的原理：透镜是用低损耗高频 介质制成，中间厚，四周薄。从辐射源发出的球 面波经过介质透镜时受到减速。所以球面波在透 镜中间部分受到减速的路径长，在四周部分受到 减速的路径短。因此，球面波经过透镜后就变成 平面波，也就是说，辐射变成定向的。 金属加速

3、透镜天线的原理：透镜由许多块长度不同的金属板平 行放置而成。金属板垂直于地面，愈靠近中间的金属板愈短。 电波在平行金属板中传播时受到加速。从辐射源发出的球面波 经过金属透镜时，愈靠近透镜边缘，受到加速的路径愈长，而 在中间则受到加速的路径就短。因此，经过金属透镜后的球面 波就变成平面波。 无反射表面匹配层法 在介质透镜的表面盖一层介质，其折射率在1（空气折射率）和n（透镜介 质折射率）之间，其作用类似于传输线中的四分之一波长阻抗变换器。 垂直波纹表面 水平波纹表面 蜂窝表面 柱形表面 洞穴表面 低介电常数透镜法 采用低介电常数介质做透镜，可以在一定程度上 减小散射和绕射作用由于介电常数低，即折

4、射率 小，故透镜一般都需作较厚，电磁波在 中的行程 加大，因此，最好选用低损耗介质，以保证增益 不致下降过多。 抛物面平行校正器抛物面平行校正器 初级馈源直接辐射问题 初级馈源及支架的绕射问题 平行校正器边缘的绕射问题 交叉极化问题 互耦问题 室内杂散辐射问题 表面制造公差问题 缩距技术示意缩距技术示意 聚焦技术 解析技术 解析技术是由近场测试数据解析计算解析计算远场方向图的技术 测取待测天线表面上的电流密度和电荷分布，或者测取天线孔径 上的电磁场分布，或者在近场区内离开待测天线适当而方便的任 意距离上测取电磁场分布；然后，将近场测取得到的数据进行数 学转换，推算出远场方向图。推算的基本方法有

5、三种：波动光学 法，电流分布法和模式展开法。 外推技术 外推技术是在远场距离的1/5到1/10的范围内，将接收数据作为 距离的函数来进行测量，从而休正了近距和多次反射效应，能 较精确地测得天线增益和极化特性。外推技术是以平面波散射 矩阵和广义三天线法为基础的。 近场扫描技术 用一特性已知的探针在天线近场区某一表面（平面、 柱面或球面）上取样场的振幅和相位分布 ，通过比较 严格的数学变换而求得待测天线远场特性的技术。 模式展开法 平面、柱面、球面扫描简图平面、柱面、球面扫描简图 天体源测量技术 天体源测量技术就是用宇宙中的天体或人造卫星作源天线，进行天 线辐射特性测量的技术。 天体应满足以下几个

6、条件 在天空中的位置精确知道； 角尺寸，好似一个点源； 在要求频带内，其绝对通量密度已知； 有足够的辐射强度，以便接收设备能正常进行 工作。 通量密度：通量密度：指源在其法线方向上每单位时间单位频率通过单位面积辐射的总功率 亮温度：亮温度： 在给定频率和方向上，具有与天体源相同亮度的理想黑体的温度。 增益测量 天体源可视为点源时，待测天线的有效面积 S kT S s e 2 天线终端为参考的天体源有效噪声温度 天线的有效面积与增益关系为 4 2 G Se S kT G s 2 8 ？ 测试天线增益G的问题，就变成了测试天线指向天体源时，以天线终端为 参考的有效噪声温度。 增益测量 接收天线的噪

7、声接收天线的噪声 0 1 T L L L T T f f f a A 馈线输出截面处的天馈线噪声温度 环境温度 馈线损耗因子 天线输入端的天线噪声温度 天线噪声温度也可以通过使用标准冷、热负载的 Y因子法因子法来测定 2 2) 1 ( Y YTT T RC A 0 ) 1(TLLTT ffAa 增益-噪声温度比的测量 Y S k TG 2 8 s A P P Y 8 2G S PA kTP s 天线主瓣指向冷空时系统输出的噪声功率 RA TTT 系统噪声温度 天线主瓣指向天体源时注入噪声功率 )()(dBYCdBTG 用卫星信号直接测量G/T值 用卫星所发射的未调制的载波信号代替天体源的信号

8、N NNSW P PPP Y 接收到的载波功率 接收到的卫星噪声功率 接收系统的噪声功率 噪声温度表示 kTB kTBBkTP Y SW 试装置的有效噪声带宽 G Lp EIRP P W 卫星的等效全向辐射功率 自由空间的传输损耗 待测地面站天线接收增益 T T Y EIRP Lp kB T G S ) 1( ) 1(Y EIRP kBLp T G 0.20.1TTS 待测地面站天线几何位置的确定待测地面站天线几何位置的确定 接收点P到卫星S的距离为 cos)(2)( 0 2 0 2 HRRHRRd 地球平均半径6370km 地球赤道半径6378km 同步卫星高度35786km coscosc

9、os coscos)(2)( 0 2 0 2 HRRHRRd 接收点所在纬度 星下点的经度 待测地面站天线几何位置的确定待测地面站天线几何位置的确定 仰角仰角 )1511. 0(cos sin 1 1 tg 方位角方位角 ctgctgsin 1 天线测试场的设计与鉴定 天线测试场设计的一般准则天线测试场设计的一般准则 我们已经知道，天线辐射特性的测量一般必须在 它的远区进行。为此，天线测试场的设计应考虑到： 收、发天线间的距离应满足远场条件远场条件； 收、发天线间的耦合耦合应小到可忽略的程度； 测试场中的杂乱反射杂乱反射不应影响测量的结果。 远区条件远区条件 相位条件相位条件 理论上，要满足平

10、面波照射待测天线孔径的条件，即待测天线孔径中心和 边缘相位差为零，所要求的收、发天线的测试距离应为无穷大。 实际上，在满足一般测试精度条件下，通常仅要求待测天线孔径中心与边 缘的相位差小于或等于=/8就行了，这便得到最小测试距离条件: 2 min 2D 照射场相位不均匀会给方向图测量带来误差：零 值变浅，旁瓣电平抬高。因此，需要精确测量旁 瓣或后瓣时，所需的测试距离应比式min大 均匀余弦 1.60.58 0.40.14 0.10.038 0.020.01 min r )(dBG 4 2 D 8 2 2D 16 2 4D 32 2 8D 远区条件远区条件 振幅条件 振幅条件是指照射场在待测天线

11、孔面上振幅的均匀性，它包括两个方面的内容：一 是沿孔径平面内的横向振幅渐变，另一是沿收、发天线联线方向的纵向振幅渐变。 照射场振幅渐变太大的测试场进行天线辐射特性测试时，将带来较大的误差。 纵向振幅渐变 Lr10 横向振幅渐变 横向振幅渐变会使测得的主瓣稍微变宽，旁瓣电 平下降，增益值偏低。实际工作中，我们不必要 用上述办法去计算每次的测量误差，而是把振幅 渐变限制在允许的误差范围内就行了。一般是将 振幅渐变限制在0.25dB之内，因为此时测得的增 益值比实际值仅低0.1dB DdDd r4 26. 0 收、发天线间的耦合收、发天线间的耦合 收、发天线间的耦合有感应场耦合感应场耦合和辐射场耦合

12、辐射场耦合。由于感应场是与距离的平方 成反比的，因此，随着收、发天线间距离的增大，感应场衰减很快。当收、发 天线间的距离r10时，其间的感应场耦合可忽略不计。 2 22 r SSvv P P srsr sr r r 只要满足横向振幅渐变小于0.25dB，辐射耦合引起的测量误差是很小的 测试场中的反射测试场中的反射 2 1 22 0 )( rsr hhrr 2 1 22 2 2 1 22 2 )(zryhzyhr rsr 波相角 )( 2 0rr rr 令测试场表面第N个 菲涅尔区的外边界上的点满足 N 2 0 N rr rr 2 )()( 2 1 222 1 22 2 2 1 22 2 N h

13、hrzryhzyh srrs 椭圆方程 中心坐标 r F zyx 2 1 , 0, 0 2 长轴 2 1 3 2 21 )21 (FFrFLN 短轴 2 1 3 2 2 2 1 )21)(1(FFFrWN22 1 22 3 2 2 1 22 2 1 ) 1( )( ) 1( )( sec 2 rF hh F rF hh F r N F sr sr 测试场中的反射测试场中的反射 一般来说，选取头20个菲涅尔区作主要反射区就能满足测试要求，即N=20. rrNW20 20 2 2D r DW3 . 6 20 地面的不平度应满足公认的瑞利准则 sin16 min h 主反射区主反射区大小确定以后，对

14、此区域内的地面不平整度就按的瑞利准 则进行加工、整理（一般不是按椭圆，而是按矩形矩形面积清理）。 测试场中的反射测试场中的反射 次次反射区反射区也是一个矩形，宽度 为主区宽度的一倍，长度超出 测试端约0.25. 。此区域内允 许的地面不平坦度可比主区大 12倍。 清理区清理区是一个锥形状，长度约为 1.5r在待测天线端的宽度最好等 于源天线水平面方向图的零值波 瓣宽度。在这个区域内不能有大 的反射物体或金属反射体存在。 微波暗室的设计准则 暗室的型式暗室的型式矩形和角锥型优于其他各种类型 全密封矩形暗室 全密封角锥形暗室水平型开口矩形暗室 升高型半开口矩形暗室 半开口锥形暗室 垂直型半开口矩形

15、暗室 微波暗室的电特性微波暗室的电特性 静区静区 静区是指暗室内杂散波（含反射、散射和绕射波等）干扰 最小的区域，待测天线通常就放在词区域内。 静区的大小和形状与暗室的类型、工作频率、吸收材料特 性、要求的反射电平等因素有关。 对于各方面均铺设相同吸收材料的矩形微波暗室而言，静 区是一个柱形，其轴线与暗室的纵轴一致，其直径可用下 式估算 2 静区直径 r 微波暗室的电特性微波暗室的电特性 反射率电平反射率电平 定义为等效反射场与直接照射场之比。 等效反射场是指室内反射、绕射和散射等杂散波的总干扰场。 通过实验来测定。 暗室中静区的反射率电平愈低，则测量精度就愈高。 微波暗室的电特性微波暗室的电

16、特性 交叉极化特性交叉极化特性交叉极化是指电磁波在传输过程中，产生的与原极化 特性相正交的极化分量之大小，它表征了电磁波的极极 化纯度化纯度。必须注意：这里所指的交叉极化特性与收、 发天线本身的交叉极化特性不同，前者是由暗室（包 括材料性能）的不对称引起的，后者则是由于天线加 工精度不够造成的。通常用正交极化分量与原极化分 量的比值来表示暗室交叉极化特性的大小，为了保证 一定的测试精度，该值一般应小于-25dB。 多路损耗均匀性多路损耗均匀性 指暗室内电磁波传输路径损耗的不均特性，这对圆极 化天线的测量尤为重要。因为如果暗室内的路径损耗 不一样，则发射的虽是圆极化波，但到接收点后就变 成椭圆极

17、化波了，显然会给测量带来误差。这种不均 匀性一般限制在0.25dB内。 微波暗室的电特性微波暗室的电特性 场强幅值均匀性场强幅值均匀性 指天线照射置于静区内的待测天线时，孔 径上场强振幅值的不均匀程度。一般要求 静区横向幅值变化不超过0.25dB，纵向 幅值 变化在2dB内。 频率范围频率范围 静区工作频率范围的下限取决于暗室的宽 度和吸收材料的厚度；上限则取决于暗室 的长度和对静区反射电平的要求程度。 微波暗室的尺寸微波暗室的尺寸 矩形暗室长度 2 2D r 取为暗室工作频带的最高频率所对应的波长 暗室中所能测试天线的最大孔径尺寸 静区离后墙距离应约1/31/2室宽 源天线离前墙距离是1/4

18、1/2室宽 21 min 2 max 2 dd D L 暗室最低使用波长 待测天线的最大孔径尺寸 待测天线到后墙的距离 源天线到前墙的距离 微波暗室的尺寸微波暗室的尺寸 矩形暗室的宽度和高度 暗室宽度尺寸与长度尺寸的比值一般取为1：3到1：2。可用下式限制 75 . 2 min r W 暗室的高度一般选得与宽度一样，使暗室的横截面为一正方形，以 保证室的对称性，从而降低交叉极化电平。 锥形暗室的尺寸 锥形暗室的长、宽、高等尺寸基本上和矩形暗室一样，主要问题是锥顶 角大小的选择。为使多种极化波都能工作，掠射角要小，于是锥顶角不 能选得太大；而从便于设置源天线角度考虑，锥顶角又不能取得太小。 一般

19、取20左右为宜。另外，源天线离开侧壁的距离应满足式 r s h r h 4 微波暗室的吸收材料微波暗室的吸收材料 暗室吸收材料应具有表面反射小、内部损耗大，使电磁波在材暗室吸收材料应具有表面反射小、内部损耗大，使电磁波在材 料内得到充分衰减的特性。料内得到充分衰减的特性。 常用的吸收材料有两类： 平板多层介质吸收材料平板多层介质吸收材料 角锥形吸收材料角锥形吸收材料 质地软、重量轻，可以弯成各种形状， 多用于作暗室的辅助材料，如搭成屏障 敷盖在实验设备表面上或作临时性的遮 挡板，以防止暗室的杂乱反射或保护实 验人员免受微波伤害。 角锥形吸收材料是一种高吸收性能的吸收 波材料，它的频带宽，而且电

20、磁波入射角 在070内变化及各种极化状态入射 时，其吸收性能无明显变化。 微波暗室的建造微波暗室的建造 暗室的屏蔽暗室的屏蔽 保障使暗室内的入射信号与一个恒定的背景，防止外来电磁干扰或室 内信号漏出而浅密及干扰别人等，一般应在吸收材料外面贴敷屏蔽材 料。屏蔽材料可用金属板或金属网，但要注意网孔直径应小于最短波 长1/51/10 ，通常，金属网的隔离度可达到-50dB-70dB. 吸收材料的选择和安装吸收材料的选择和安装 根据使用频段、用途、测试精度要求、暗室大小和形状、材料本身 价格、重量、外形尺寸、吸收性能等综合考虑选择。 对暗室的不同部位采取“区别对待”原则。如在后墙、侧墙、地板 和天棚的

21、头20个菲涅尔区铺设性能较好的吸收材料，在其次要部位 铺设性能稍差的材料，测试转台和测试架等设备可用“软性”吸收材料 伪装。 安装顺序一般是天棚、后墙、侧墙、前墙和地板 暗室的拐角处可以采用小角度渐变过渡的方法 微波暗室的建造微波暗室的建造 配套附属房间与门配套附属房间与门 微波暗室除主体室外，还应有12个配套房间用以安装测试设备和进行测 试工作等。房间一般设置在暗室的两端，它们与暗室的隔墙应有金属屏蔽层， 附属房间可不敷设吸收材料，房间的大小和设备视需要而定。 暗室的门应开在非主要反射区处，可用电动平移式，门用吸收材料应与周 围吸收材料同高，门与墙壁的接触应是密封的。附属房间的门可用手动拉开

22、 式，应用金属层屏蔽。 通风与照明通风与照明 由于微波暗室是全密封式，为了不影响暗室屏蔽的效能，通风口可采用 截止波导窗。 暗室的照明应尽可能采用防爆白炽灯，以避免电磁干扰噪声。灯一般可 装在天棚与两侧壁的交接处，灯的四周应仍装有吸收材料。 白炽灯开关装于室外。室内还可安装一些暗插座，以供做其他实验时的 照明和电源用。 微波暗室的建造微波暗室的建造 走道与轨道走道与轨道 在暗室的底层靠近两侧墙处可开设两条1米宽左右的走道，平 时用平板型吸收材料覆盖，走路时将材料移开或直接在上面走。 在走道内侧的锥形材料中间可埋设两条铁轨道，以利于滑动支 架进行其他项目的测试与检修用。 检修走廊检修走廊 安全和

23、消防设施安全和消防设施 UESTC大型微波暗室NSI测试系统 天线测试场的鉴定方法 反射电平的检测反射电平的检测 检测微波暗室反射电平的方法有两种：一种是空间驻波 法；另一种是方向图比较法。前者比较简单和准确，后 者比较直观但工作量大。通常是以前种方法为主，后种 方法作为补充和辅助手段。 空间驻波法空间驻波法 微波暗室仅是一个模拟的“自 由空间”，由于暗室内壁吸收 材料吸收电磁波不完全，对于 入射到它上面的电磁波始终存 在着大小不同的反射，这些反 射随空间位置的不同而不同， 它们与直射波叠加后就在空间 形成了驻波，其大小直接反映 了反射的大小，据此，只要测 出了空间驻波曲线就可确定暗 室某区域

24、反射电平的大小。 空间驻波法空间驻波法 d E r E 来自源天线的直射波场强 等效反射波场强 d E 20 10 A dd EE 同相时的合成场强值Emax=B（dB） 反相时的合成场强值Emin=C（dB） 直射波Ed与反射波Er dr EE 20 20 10 10 201201 A d r A d d rd E EE g E EE gB 20 20 10 10 201201 A d r A d d rd E EE g E EE gC d r E E g201暗室反射率电平 20)( 20)( 101 101 201 A A gCB Ed=A（dB） 110 110 201 110 ) 110(10 201 20)( 20)( 20)( 20)(20 CB CB CB CBA gAg dr EE A dr EE 110 110 201 20)( 20)( CB CB gA 空间驻波法空间驻波法 需要测来自哪个方向来的反射电平，就把探针天线朝向哪个方向， 然后在需检测的静区内，作横向水平或垂直运动，记录