微波工程導(dǎo)論：第8章 微波測(cè)量技術(shù)（2）

1、第8章 微波測(cè)量技術(shù)微波測(cè)量的意義微波功率的測(cè)量微波頻率的測(cè)量微波噪聲系數(shù)的測(cè)量微波頻譜的測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)分析儀及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)量天線參數(shù)的測(cè)量天線測(cè)量的典型誤差源測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備不同天線參數(shù)的測(cè)量 天線參數(shù)的測(cè)量第7章 天線測(cè)量天線測(cè)量的典型誤差源測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備不同天線參數(shù)的測(cè)量7.1天線測(cè)量的典型誤差源場(chǎng)地對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響D遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試優(yōu)點(diǎn)按任何距離測(cè)量的場(chǎng)波瓣圖都是有效的，只需要對(duì)場(chǎng)強(qiáng)按1/r進(jìn)行簡(jiǎn)單的變換。若要得到功率波瓣圖，只需簡(jiǎn)單地進(jìn)行功率(幅度)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果對(duì)于天線相位中心的位置變化不太敏感，因而旋轉(zhuǎn)待測(cè)天線并不會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差。待測(cè)天線和源天線之間的藕合和多次反射并不重要。遠(yuǎn)場(chǎng)

2、測(cè)試缺點(diǎn)天線之間所必需的距離要求有很大的測(cè)量場(chǎng)地。測(cè)量距離可能大得使吸波室無(wú)法容納；室外測(cè)量受環(huán)境影響大；需要考慮在輻射近場(chǎng)內(nèi)的測(cè)量，簡(jiǎn)稱為近場(chǎng)測(cè)量；電抗性近場(chǎng)區(qū)之外邊界的近場(chǎng)區(qū)。天線測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系7.1天線測(cè)量的典型誤差源（2）反射原因： 直射波受從周圍物體反射波的干涉，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)形成場(chǎng)的變化（幅度與相位的起伏），使起伏的長(zhǎng)度屬于波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)。結(jié)果：導(dǎo)致測(cè)出的待測(cè)天線旁瓣偏高。解決方法：盡可能降低來(lái)自測(cè)試環(huán)境中的反射。7.1天線測(cè)量的典型誤差源（3）其他誤差源低頻時(shí)與電抗性近場(chǎng)的耦合可能較顯著。天線測(cè)量屬于三維矢量場(chǎng)的測(cè)量，可能存在各種對(duì)準(zhǔn)誤差。當(dāng)在室外測(cè)量時(shí)，人為干擾信號(hào)會(huì)耦合到靈敏的

3、接收機(jī)。對(duì)于很長(zhǎng)的測(cè)試距離，需要考慮大氣層的影響。不正確地使用電纜會(huì)引起誤差。儀器與天線之間的阻抗失配對(duì)增益測(cè)量造成誤差。發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及轉(zhuǎn)臺(tái)的不完善都會(huì)引起誤差。第7章 天線測(cè)量天線測(cè)量的典型誤差源測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備不同天線參數(shù)的測(cè)量7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（1）架高場(chǎng)地天線被置于高塔、建筑物或山崗上，借以減少環(huán)境的影響。在大多數(shù)場(chǎng)合下，待測(cè)天線工作在接收狀態(tài)。 測(cè)量場(chǎng)地的長(zhǎng)度通常取決于遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)，測(cè)量低旁瓣天線時(shí)甚至需要比2D2/更長(zhǎng)；場(chǎng)地的寬度應(yīng)足以容納源天線的主波束。7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（2）地面反射的場(chǎng)地對(duì)于甚高頻（VHF）以下的頻率，源天線的尺寸限制了它的定向性，使地面的反射難

4、以避免，只能利用存在地面反射的測(cè)量場(chǎng)地，天線位于平整的反射表面（附設(shè)或未附設(shè)埋地屏）上方，其鏡面反射表現(xiàn)為來(lái)自鏡像源。源天線的理想架高：地表面均方根高度差：7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（3）吸波室與吸波材料吸波室可用于小天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。吸波室的墻壁、天花和地板，整體被吸波材料所覆蓋，用來(lái)模擬無(wú)反射的自由空間，允許在可控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行全天候的測(cè)量。吸波材料是天線技術(shù)整體中必需的組成部分，用于吸波室的寬頻帶吸波材料通常使用摻碳的聚亞胺醋泡沫，且廣泛采用棱錐或楔的形狀7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（3）吸波室與吸波材料吸波室通常取矩形或錐削形。矩形吸波室中端墻、側(cè)墻的中部、地板和天花板都用棱錐形吸波材料覆

5、蓋，其余部分覆蓋楔形吸波材料。天線被放置在吸波室的中軸線上。對(duì)于1 GHz以下的頻率，矩形吸波室仍有較高電平的反射，改用錐削形吸波室的效果較好，。此時(shí)，源天線應(yīng)放在接近錐削部分頂點(diǎn)的位置上。反射最小的測(cè)試區(qū)域稱為靜區(qū)。矩形室錐削形室7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（4）緊縮場(chǎng)的場(chǎng)地緊縮的天線測(cè)量場(chǎng)地（CATR）借助于反射鏡、透鏡、喇叭、陣列或全息術(shù)所產(chǎn)生的平整波前來(lái)仿真無(wú)限長(zhǎng)度的場(chǎng)地。大多數(shù)緊縮場(chǎng)天線由一架或多架反射鏡組成，測(cè)試場(chǎng)通常被裝置在吸波室內(nèi)，但特別大的緊縮場(chǎng)天線被置于室外，甚至某些射電望遠(yuǎn)鏡也被用做緊縮場(chǎng)天線。7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（5）近場(chǎng)場(chǎng)地近場(chǎng)測(cè)量理論基礎(chǔ)：若已知在閉合表面上由其內(nèi)部

6、某天線所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)，就能計(jì)算在該表面外空間任何點(diǎn)處的場(chǎng)，于是從近場(chǎng)的測(cè)量入手就能計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣圖。近場(chǎng)測(cè)量借助一枚已知的探頭天線在接近待測(cè)天線的某已知表面上掃描來(lái)實(shí)施。探頭天線應(yīng)該很小而具有寬的波束，在每一取樣點(diǎn)處測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交極化的幅度與相位，根據(jù)測(cè)出的場(chǎng)分布數(shù)據(jù)計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣圖。 平面系柱面系球面系7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（5）近場(chǎng)場(chǎng)地近場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：（1）場(chǎng)地非常緊湊；（2）易于根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算天線參量；（3）方便診斷陣列中有缺陷的天線單元；（4）在超低副瓣天線測(cè)試方面具有優(yōu)勢(shì)；近場(chǎng)測(cè)量的缺點(diǎn)：（1）測(cè)量設(shè)備較為昂貴，建設(shè)成本高；（2）測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)；（3）對(duì)試驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定性要求較高，

7、維護(hù)成本高；7.2測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備（6）場(chǎng)地監(jiān)測(cè)常用自由空間的電壓駐波比法（VSWR）和天線波瓣圖比較法（APC）來(lái)測(cè)量場(chǎng)地反射率，據(jù)此評(píng)價(jià)測(cè)試區(qū)內(nèi)所測(cè)量的場(chǎng)的均勻性，根據(jù)結(jié)論提供測(cè)試誤差估計(jì)和場(chǎng)地改進(jìn)依據(jù)。（7）儀器設(shè)備右圖所示為天線測(cè)量場(chǎng)地的典型儀器設(shè)備，包括：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)、源天線、參考天線以及轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成部分第7章 天線測(cè)量天線測(cè)量的典型誤差源測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)試設(shè)備不同天線參數(shù)的測(cè)量7.3不同天線參量的測(cè)量（1）定向波瓣圖定向的功率或幅度波瓣圖測(cè)量，通常是旋轉(zhuǎn)置于轉(zhuǎn)臺(tái)上的待測(cè)天線而檢測(cè)接收功率隨角度的變化。測(cè)試時(shí)，源天線的極化應(yīng)該在同極化或交叉極化波瓣圖測(cè)量中與

8、相應(yīng)的極化場(chǎng)匹配。波束寬度、波瓣圖形狀、旁瓣電平及其方向、零輻射方向等都是易從測(cè)出的波瓣圖中獲得的參量。天線的定向性D卻無(wú)法直接測(cè)量，只能由歸一化的功率波瓣圖Pn(,）計(jì)算得出。7.3不同天線參量的測(cè)量（2）增益增益測(cè)量的兩種基本方法是絕對(duì)法和比較法。絕對(duì)法：假定兩完全相同天線A與B，測(cè)試環(huán)境滿足遠(yuǎn)區(qū)條件，由弗里斯傳輸公式得： ，化簡(jiǎn)得：只要測(cè)出收發(fā)功率比、距離和波長(zhǎng)，就能計(jì)算出待測(cè)天線的增益，為了消除測(cè)量誤差，可把收發(fā)天線互換一下，另測(cè)一遍，取平均值；上述方法稱為：兩相同天線法。除此之外，絕對(duì)法的測(cè)試還包括三天線法、鏡像法、輻射計(jì)法等，絕對(duì)法測(cè)量不僅可以確定待測(cè)天線的增益，而且可以確定標(biāo)準(zhǔn)天

9、線的增益。7.3不同天線參量的測(cè)量（2）增益比較法：比較法的實(shí)質(zhì)就是把待測(cè)天線的增益與已知標(biāo)準(zhǔn)天線的增益進(jìn)行比較而得出待測(cè)天線的增益。根據(jù)互易原理，可以把待測(cè)天線作發(fā)射使用，也可作接收使用。其中，PAUT為用待測(cè)天線時(shí)接收到的功率（W）；Pref為用參考天線時(shí)接收到的功率（W）；Gref為參考天線的增益。Gref已由其他方法確定，根據(jù)接收天線的接收功率PAUT代入上式即可計(jì)算出待測(cè)天線的增益。7.3不同天線參量的測(cè)量（2）增益需要注意的是：上述兩種增益測(cè)試方法都是在假定收發(fā)天線極化匹配，天線與收發(fā)系統(tǒng)匹配的前提下測(cè)試的，因此，在進(jìn)行天線測(cè)試之前，需對(duì)收發(fā)天線進(jìn)行極化對(duì)準(zhǔn)和完善天線與收發(fā)系統(tǒng)之間

10、的匹配。除了絕對(duì)法與比較法外，若在陸地上所需的遠(yuǎn)場(chǎng)距離太大，可以利用天體射電源法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。此外，雷達(dá)技術(shù)和近場(chǎng)測(cè)量也可用來(lái)確定天線的增益。7.3不同天線參量的測(cè)量（3）相位相位波瓣圖的測(cè)量等價(jià)于尋找遠(yuǎn)場(chǎng)的等相位面，坐標(biāo)系統(tǒng)的中心必須按波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)級(jí)清楚地定義于天線結(jié)構(gòu)。尋找相位中心時(shí)，則相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)待測(cè)天線，直至在主波束范圍內(nèi)觀測(cè)到常數(shù)相位即可。7.3不同天線參量的測(cè)量（4）極化通常情況下，極化測(cè)量時(shí)并不需要完全的極化信息，只需要同極化和交叉極化分量的幅度。極化瓣圖法：將線極化源天線的極化角旋轉(zhuǎn)，測(cè)得幅度隨源天線轉(zhuǎn)角變化的極坐標(biāo)形式，由下圖可得極化橢圓的軸比和傾角7.3不同天線參量的測(cè)量

11、（4）極化旋轉(zhuǎn)源法：將線極化源天線的極化快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)緩慢地改變待測(cè)天線的方向，則可得出如下圖所示的波瓣圖，其最大值和最小值分別對(duì)應(yīng)了源天線所對(duì)準(zhǔn)方向上待測(cè)天線之極化橢圓的長(zhǎng)軸和短軸。于是由該波瓣圖的包絡(luò)可得出沿各個(gè)方向的軸比這種方法適合于測(cè)試接近圓極化的天線。7.3不同天線參量的測(cè)量（5）阻抗天線的作為饋電網(wǎng)絡(luò)的終端，主要關(guān)心的參量是待測(cè)天線的電壓駐波比與頻率的函數(shù)。在阻抗測(cè)試中，只需要保持待測(cè)天線附近不存在強(qiáng)散射物體，若在待測(cè)天線輻射近場(chǎng)區(qū)的主要輻射方向上放置吸波材料，可以顯著改善測(cè)量的準(zhǔn)確性。多單元天線系統(tǒng)中單個(gè)天線單元的阻抗的測(cè)量： 為單元n的復(fù)數(shù)有源反射系數(shù)， 為向內(nèi)行波的電壓； 為

12、向外行波的電壓； 為單元m和單元n的參考面處電壓波之間的S參量，通過(guò)測(cè)得單元之間的所有耦合系數(shù)，綜合這些耦合對(duì)受激單元的反射貢獻(xiàn)，便能得出所有饋端的有源阻抗。7.3不同天線參量的測(cè)量（6）效率天線的效率：天線輻射的功率與送入天線的功率之比值。也可以被定義成在確定方向上功率增益與定向性之比值。定向性/增益法：根據(jù)天線功率波瓣圖經(jīng)積分計(jì)算得出定向性，再與測(cè)得的增益作比較可得天線的效率，也被稱為定向性的波瓣圖積分法。輻射計(jì)法：一架有耗天線可采用一架具有相似定向波瓣圖的無(wú)耗天線與一枚功率損失為L(zhǎng)=D/G= 1/r的衰減器相組合的模型。若使無(wú)耗天線指向吸波器，輸出功率只需由吸波器的溫度來(lái)確定。采用如同低噪聲接收機(jī)的輻射計(jì)，借助測(cè)量待測(cè)天線的輸出噪聲功率，便能按下列公式確定天線的效率：7.3不同天線參量的測(cè)量測(cè)量配置暖目標(biāo)冷目標(biāo)7.3不同天線參量的測(cè)量（6）效率第三項(xiàng)測(cè)量是采