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1、word基于微波暗室的天线近远场测量与应用研究摘要微波暗室是一个能够屏蔽外界电磁干扰、抑制部电磁多路径反射干扰、对来波能够几乎全部吸收的相对寂静的电磁测量环境。通过远场和近场测量软硬件系统可准确测量雷达、通信设备的天线参数和导弹与各种飞行目标电磁散射特性等,同时可进展微波电路、元器件的网络参数测量和高频场仿真等。微波暗室的建成可以极大改善电磁场与微波技术学科的实验环境和实验手段,对培养高层次军事微波应用人才,开展新武器装备微波应用技术研究和提高教学科研水平具有重要作用。本文将介绍微波暗室设计原理的研究与应用，微波暗室回波损耗的检测以与微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响。并在最终应用于圆柱
2、形GPS接收天线与2.4GHz高增益阵列微带天线的测量中。关键词：微波暗室 回波损耗 天线的近远场测量Abstract Anechoic chamber is a shielded external electromagnetic interference, multipath reflection suppress internal electromagnetic interference, almost all to wave the relative silence electromagnetic absorption measurement environment. Antenna p
3、arameters can be accurately measured by the far-field and near-field measurement hardware and software system radar, munications equipment and missiles and flight target electromagnetic scattering properties, microwave circuits, ponents of the network parameters measurement and high-frequency field
4、simulation . The pletion of the anechoic chamber can greatly improve the electromagnetic field and microwave technology disciplines experimental environment and experimental means, an important role in the training of high-level military microwave applications talents, new weapons and equipment micr
5、owave application technology research and improve the level of teaching and research.This article describes the research and application of microwave chamber design principles, anechoic chamber return loss testing and anechoic chamber limited testing from the far-field antenna measurement. And event
6、ually applied to the cylindrical GPS receiving antenna and 2.4GHz high gain array microstrip antenna measurement.Keywords: microwave darkroom return loss of the antenna near-and far-field measurements目录一引言11.1 课题的来源与意义11.2 国外开展现状1二微波暗室设计原理的研究与应用22.1 微波暗室的结构22.2 暗室设计的一般考虑22.3 紧缩场暗室的例子3三微波暗室回波损耗的检测43.
7、1 回波损耗的检测原理43.2 微波暗室回波损耗的测量原理53.3 暗室的测量方法53.4 测量数据63.5 总结7四微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响94.1 远场测量条件94.2 有限测试距离对天线测量的影响分析11五分析结论应用于实际天线的测量125.1 圆柱形GPS接收天线125.2 125.3 结果与分析13六总结15参考文献16附录17一 引言课题的来源与意义微波暗室是一个能够屏蔽外界电磁干扰、抑制部电磁多路径反射干扰、对来波能够几乎全部吸收的相对寂静的电磁测量环境。通过远场和近场测量软硬件系统可准确测量雷达、通信设备的天线参数和导弹与各种飞行目标电磁散射特性等,同时可进展微
8、波电路、元器件的网络参数测量和高频场仿真等。微波暗室的建成可以极大改善电磁场与微波技术学科的实验环境和实验手段,对培养高层次军事微波应用人才,开展新武器装备微波应用技术研究和提高教学科研水平具有重要作用。现代电子科技事业的飞速开展对天线各项电性能指标的要求越来越高。为了研制符合要求的高性能天线，除了要求掌握天线的现代分析与设计技术外，还必须具备先进的测试技术。天线测试的目的主要是为了检验天线的性能指标是否满足设计要求，以实现对关键部件和尺寸进展调整。它作为检查与质量控制的过程，来验证设计思路的正确与否，进展有效的故障诊断，对天线测试而言，无论是远场直接测量还是平面近场扫描测试，其实质都是为待测
9、天线提供一平面波照射。远场测试精度受距离有限和周围环境的反射限制。平面近场测量是把探头在各不同位置上辐射的准球面波的不同权相叠加而综合出一个沿不同方向投向待测天线的平面波。该平面波的幅相均匀度确定了该待测天线测量精度。由于近场法是依靠合理的选择权函数用数学的方法去综合出平面波。它的精度在很大程度上取决于软件，同时系统硬件误差亦可以用软件来补偿。平面近场测量技术的根本思想是把待测天线在空间建立的场展开成平面波函数之和。展开式中的加权函数包含着远场图的完整信息，根据近场测量数据算出加权函数，进而确定天线的远场方向图。由于近场扫描测量获得的信息量大、环境与电气随机干扰小、计算精度高、投资少、性好、可
10、全天候工作，同时还具有诊断调整功能等诸多优点。因此，它为现代天线测试提供了一个高精度、自动化的测量手段和计量标准。 国外开展现状微波暗室建设是一项科技含量较高、组成较为复杂的系统工程,所采用的设备、技术都是国最先进的,涉与的测量容和手段大都属于正在开展的技术领域,因此,微波暗室的建设在很大程度上是一项科研性的工作。如何因地制宜从实际需求出发,在已有条件的根底上以最小的投资和最短的建设周期取得最优建设成效,是一个值得探索的课题。天线的近远场测量近场测量系统涉与天线理论与工程、大型机械设备、计算机与自动控制、仪器仪表智能化等一系列高新技术。基于机电一体化工程实用型设计思想，建成的全新结构的平面近场
11、扫描架所采用的机械结构和控制系统与国际当前流行技术接轨，达到了探头多种扫描和高精度定位的要求研制开发的具有自主知识产权、多功能、高精度的工程实用型软件，集系统控制、数据采集、近远场数据变换与逆变换、数据分析与图象处理于一体，达到了以色列ORBIT公司和美国NSI公司同类产品的先进水平，经综合环境试验和大量测试结果明确，该系统可以满足各类军民用天线测量的实际需要，目前已在国达到广泛的推广应用。二微波暗室设计原理的研究与应用 微波暗室是进展天线参数测试与电磁波辐射、散射特性测试的理想场所。随着以信息技术为代表的高新技术的迅猛开展和广泛应用，无论是军事还是民用领域都出现了对电磁测试的巨大需求，雷达、
12、通信设备的天线参数和导弹与各种飞行目标电磁散射特性等，除了理论分析计算之外，更多的要依赖于实测数据进展验证和完善。微波暗室的结构暗室的结构形式主要有以下几种(a)全封闭矩形暗室，(b)全封闭锥形暗室，(c)半开口矩形暗室，(d)半开口锥形暗室，(e)抬高的半开口矩形暗室，(f)垂直方向开口的矩形暗室。图2-1 微波暗室的主要结构形式暗室设计的一般考虑静区，是指暗室受各种杂波(含反射、散射和绕射波等)干扰最小且满足远区条件的测试区域。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。频率围，工作频率的下限取决于暗室的宽度和吸波材料的厚度，上限由暗室的长度和静区决定。
13、 反射率电平，定义为等效反射场与直接照射场之比。而等效反射场是指室反射、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的待测天线时，孔径上场强振幅的不均匀程度。通常要求静区横向幅值变化不超过土025dB，纵向幅值变化不超过士2dB。微波暗室性能的优劣除与设计是否合理有关外，还与吸波材料的选择息息相关。吸波材料应具有外表反射小、部损耗大的特点，尽可能大地衰减投射到其外表的电磁波。在暗
14、室后墙、侧墙、地板和天棚的前20个菲涅耳区应铺设性能较好的材料，而其他次要部位可使用稍差的材料以节约本钱。暗室拐角处可采用小角度渐变过渡的方法减小反射。2.3紧缩场暗室的例子下面给出一个微波暗室的实例。AMCCC(Automatic Measurement and Calculation Collimatorplex)是国防科技大学从俄罗斯引进的一套先进的时域超宽带紧缩场测量系统。该系统利用一定条件下的窄脉冲经切割抛物面反射器反射在近区形成平面波这一特性，进展天线电气特性和目标RCS的测量，并可以通过强大的计算软件进展逆合成孔径雷达定位成像(RLI)。整套系统通过数字采样头和相关控制输入输出接
15、口实现计算机自动测量与控制。 该系统的反射器包括一套校准仪器和自动聚焦系统；频带围是50MHz375GHz，静区尺寸为25X25m*。PC接口采用IEEE-488或其它GPIB协议标准。发射与接收辐射器分为五个频段。发射机的主要部件是窄脉冲发生器，它可以产生频谱很宽的ps(皮秒)级超短脉冲。超宽带采样接收机的作用是接收被测目标返回的信号并进展高速采样，把回波信息数字化以供PC处理，其采样过程与普通高速采样示波器工作过程根本一致。PC与配套软件控制整个系统的同步以与目标和天线平台的转动、平移，同时完成数据处理和显示任务。超宽带时域紧缩场原理框图如图2-2所示。系统工作流程为：计算机程控转台和接收
16、机，设置转台并形成同步脉冲给发射机。后者通过馈源发射短脉冲到反射器；同时，稳相接收天线接收到探测信号进入取样头的第二端口，校直反射器把球面波转换为平面波，照射到目标。目标反射回波信号到反射器，经接收机接收，再经超宽带放大器放大后进人取样头的第一端口，并转换成数字码，存储在计算机中。接收机形成下一个选通触发脉冲再次触发发射机，同时，接收机每隔T+dt形成下一个探测脉冲(T为脉冲重复周期，dt为取样间隔)，把取样头以后脉冲的取样信号不断存人计算机RAM，直到测量完毕，计算机再设置目标的方位角并控制转台，测量完毕后再对数据进展处理。在以上分析中，接收机传给PC的是一个窄脉冲信号，要获得人们习惯使用的
17、频域电气参量，需先对采样信号进展快速傅立叶变换(FFT)，因此这是一套时域测量系统。本系统的测控软件由三局部组成，分别是主监控程序、天线测量子程序、雷达目标特性测量子程序。软件系统主要完成测量触发信号的产生、数据采集和数据处理任务，是整个测量系统的重要组成局部。主系统管理软件用来调整、管理和从采样接收器采集的时域原始数据。本程序主要包含两类窗口：DPMS控制程序主窗口和参数管理窗口。信号图形窗口实时显示时域采样接收信号，用于直观监视测量进程，确保测量的正常进展。参数管理窗口包括扫描控制窗口、显示设置窗口、校准窗口、稳相窗口、采集窗口和主控面板等，通过点击对应的菜单或工具条命令，进展相关参量的设
18、置。图2-2超宽带时域紧缩场原理框图图2-3 天线特性测量子程序主界面图2-4 绘图显示窗口三 微波暗室回波损耗的检测微波暗室的回波损耗是衡量微波暗室吸收特性的一个重要指标,因此对微波暗室的回波损耗的检测是检验微波暗室性能优劣的一个重要方面。回波损耗的检测原理利用定向耦合器把单口网络转化为双口网络的测量要测量回波损耗,首先应将单口网络转化为双口网络才能利用微波标量网络分析仪进展测量,转化的原理如图3-1所示。这里利用定向耦合器可以很方便地将回波送入微波标量网络分析仪中进展测量,而不受入射波的影响。作为原理示意图,当终端接一短路负载时,利用标网测量校准,其校准后短路负载的各频率点上的回波损耗应为
19、0dB。图3-1利用定向耦合器把单口网络转化为双口网络微波暗室回波损耗的测量原理测量校准线路图3-2是测量回波损耗的校准测量线路。扫频信号源信号经过隔离、定向耦合到收发天线上发射出去,在天线前放一金属反射板,金属反射板的反射面D与金属板距天线的距离R应保证反射波能全部返回到收发天线,这样才能对标网进展校准。图3-2 校准测量测量校准(1)金属反射板和发射天线的距离R的计算保证金属反射面D对天线的角大于天线方向图半功率波瓣宽度2R=D/tan(20.5/2)(2)测量校准按计算的距离,把金属板直立于发射天线前R处,对标网进展归零校准。校准好后的回波损耗曲线如图3-3所示图3-3 校准后的标网示意
20、图暗室的测量方法按图3-4所示测量电路连接好仪器,对其按步骤2.2.1进展校准,然后在金属板前加上吸波材料,进展测量,此时的测量结果便为所测的吸波材料的回波损耗。图3-4 暗室的测量原理图测量数据根据吸波材料角锥形状的大小,我们将角锥从小到大依次分为1、2、3、4号角锥。并对每号角锥在(0.118)GHz的围进展了测量,其测量结果如图3-5所示。图3-5 4种大小不同的角锥的回波损耗的测量结果总结 此种测试方法简单方便,易于操作,方法独到。测量准确度高。 从被检测的微波暗室看,该暗室只在C波段的(4.060)GHz间有较大的回波损耗(即吸波性能较好),而在其它波段(如L波段、X波段、K波段和K
21、u波段)该暗室所用的吸波材料均对电波无吸收(衰减)效果,这对于要在该暗室中进展其它波段天线的测量和其它开放性系统性能的测量来说,会带来很大的影响,造成测试结果的误差,应引起足够的重视 从图3-5中也可以看出来,微波暗室的吸波性能是由吸波材料的性能决定的,至于角锥形状的大小如此对回波损耗影响不大。 此种测量方法与测量结论可作为微波暗室承建方和业主方验收的依据。四 微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响室外测试场的电磁环境干扰问题日益突出,而微波暗室作为室测试平台,能提供稳定可控的信号环境,具有、全天候的特点,因此在测试领域得到了广泛应用。远场测量条件 微波暗室也是天线测量的典型场所。在微波暗室
22、进展天线测量的方法一般有近场测量和远场测量之分。近场测量是指在距离天线口径310个波长距离上进展的测试。由于近场测量需要本钱昂贵的专用配套测试系统,同时受到实时性等因素的制约,在某种程度上限制了这种方法的应用。远场测量是指在天线的辐射远场区直接测试得到天线参数的方法。远场测量作为传统的天线测量方法,由于简单易行,且测试系统组建方便快捷,因此应用仍然十分广泛。在微波暗室进展天线远场测量,会受到一些限制和约束。比如:微波暗室的物理尺寸会使待测天线的尺寸和频率围受到限制,或者说因为微波暗室尺寸有限,使得实际的有效测试距离有限,进而对一定尺寸和频率的天线测量精度产生较大影响;再如:微波暗室性能,如静区
23、反射率电平、交叉极化度等也会对天线参数的测量精度产生影响。本文主要从微波暗室有限测试距离的角度,分析其对天线远场测量的影响,并建立相应的误差模型,结合应用实例详细说明了微波暗室有限测试距离对天线场强测量、增益测量的影响,以方便指导在微波暗室开展天线远场测量的工作。对于大多数天线,通常需要的是其远场辐射特性。对天线的测量也需要在远场的条件下进展,即用一个理想的均匀平面波照射待测天线,这在理论上需要无限远的测试距离,但完全理想的远场条件在实际中是很难实现的。工程中常根据测量精度的要求选择适宜的测试距离,普遍采用的远场最小测试距离为式中,R为测试距离,D为待测天线最大尺寸,为天线工作波长。这是在辅助
24、天线为点源或弱方向性天线时,待测天线口面上最大相位差为/8时得到的。 当需考虑辅助天线的影响时,远场最小测试距离为式中,d为辅助天线最大尺寸。根据Rmin=2D2/准如此,可以得到不同尺寸、不同工作频率的天线测量时所需的最小测试距离。图4-1给出了待测天线最大尺寸分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m时在不同频率时所需的最小测试距离。图4-1 型尺寸、不同工作频率天线所需的最小测试距离由图4-1可知,当待测天尺寸达到2.5 m,工作频率为10 GHz时,所需的最小测试距离为417 m。可见,当待测天尺寸较大、且工作频率较高时,远场测量需要的测试距离往往是很难实现的。当
25、在微波暗室进展天线远场测量时,由于空间(有效测试距离)有限,会使待测天线的尺寸和频率围受到限制,或者说测量尺寸较大、工作频率较高的天线时,产生的误差会很大。实践中,如何根据微波暗室的具体条件和测量精度的要求,判断某个尺寸和工作频段的天线是否适合在微波暗室进展远场测量是必须面临的问题,下面将进展详细分析。有限测试距离对天线测量的影响分析以平面口径场为例,分析有限测试距离对天线测量结果的影响。如图4-2所示,假设一个平面口径场S位于XOY平面,其中任意一面元ds的坐标为(xs,ys,0),P(x,y,z)是平面口径S辐射场中的任意一点,其中面元ds的矢径大小为s,面元ds到P的矢径大小为rs,OP
26、 = r。根据惠更斯-菲涅耳原理,可得到平面口径S的辐射场的表达式为图4-2 平面口径s的辐射场示意图由图4-1可知,当待测天尺寸达到2.5 m,工作频率为10 GHz时,所需的最小测试距离为417 m。可见,当待测天尺寸较大、且工作频率较高时,远场测量需要的测试距离往往是很难实现的。当在微波暗室进展天线远场测量时,由于空间(有效测试距离)有限,会使待测天线的尺寸和频率围受到限制,或者说测量尺寸较大、工作频率较高的天线时,产生的误差会很大。实践中,如何根据微波暗室的具体条件和测量精度的要求,判断某个尺寸和工作频段的天线是否适合在微波暗室进展远场测量是必须面临的问题。实例分析假设微波暗室能提供的
27、有效天线测试距离为25 m,由暗室吸波材料性能确定的天线测量频率围为118 GHz,再假设待测天线的尺寸围为011 m。依此条件,分析有限测试距离对天线场强测量、增益测量的影响,从而确定适合在微波暗室进展测量的天线尺寸和工作频率围。以辐射场为均匀分布的圆口径天线为例来分析。由式(11)和式(13)可以得到不同有限测试距离下的待测天线场强相对误差和增益相对误差,图4-3和图4-4分别是场强相对误差E和增益相对误差G与的关系变化曲线。图4-3 场强相对误差E与的关系图4-4 增益相对误差G与的关系综合反映了天线测试距离、天线工作波长和天线尺寸三者之间的关系。由天线有效测试距离R=25 m、天线工作
28、频率f的围为118 GHz(有相应的工作波长与其对应)、天线尺寸D的围为011 m,可以得到一些典型工作频率和天线尺寸的天线测量场强相对误差和增益相对误差的值,数据见表1和表2。表1典型工作频率和天线尺寸时场强测量相对误差E表2典型工作频率和天线尺寸时增益测量相对误差G从表1中可以看出,当待测天线尺寸为1 m、工作频率为10 GHz时,场强测量的相对误差已经达到了173%,这对于日常测试来说已经很大。而当工作频率为5 GHz时,场强测量的相对误差为45%,这对于日常测试来说根本上可以承受。以此类推,可得到不同尺寸的天线在允许承受的测量误差的前提下,适合在微波暗室测量的最高测试频率;或者得到在不
29、同天线工作频率时,在允许承受的测量误差的前提下,适合在微波暗室测试的最大天线尺寸。对于天线增益测量,依据以上同样的分析方法,参照表2,可得到类似的结论。对于不能在现有条件下完成测量的天线,如此需要利用室外测试场或借助近场天线测试系统来进展。五 分析结论应用于实际天线的测量数据有待进一步完成。六 总结总结于五完成毕业设计末期数据收集结果比照分析后整理完成。七 主要参考文献1Jungo Ltd. WinDriver V6. 03 Users GuideZ/OL.20032贵山.PCI局部总线开发者指南M.:电子科技大学，1997.3苗，健.基于AD9244和PCI9054的虚拟无线电接收子系统J.
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