西南交大-天線測量與微波測量課件221

微波測量與天線測量教材：

微波測量與天線測量(1)

《微波測量與實(shí)驗(yàn)教程》哈爾濱工程大學(xué)出版社出版

《天線測量手冊》國防工業(yè)出版社出版參考書:注意：缺5次課及以上者平時(shí)成績記零分！成績評定：

理論:55％；實(shí)驗(yàn):30％；平時(shí):15％《微波測量原理》西安電子科技大學(xué)出版社出版（研）

《天線測量技術(shù)》電子科技大學(xué)出版社出版微波測量與天線測量(2)(3)第一部分天線測量概述天線測量的主要任務(wù)：一、檢驗(yàn)理論;二、獨(dú)立研究;三、工廠制造檢驗(yàn);四、安裝和維修。微波測量與天線測量(4)第一章天線測試場地的設(shè)計(jì)和鑒定§1.1概述天線測試場地的分類：⒈自由空間測試場：能夠消除或抑制地面、周圍環(huán)境及外來干擾等影響的一種測試場。⒉反射測試場：就是合理地利用和控制地面反射波與直射波干涉而建立的一種測試場。微波測量與天線測量(5)§1.2幾種常見的天線測試場一、高架天線測試場：平坦地面輔助天線(發(fā))待測天線(收)θ0/2hR1、天線架設(shè)高度:h=(R/2)tg(θO/2)微波測量與天線測量⒉地面反射消除法:(6)⑴二次反射法：≥100二次反射法微波測量與天線測量(7)⑵反射柵法：待（收）輔（發(fā)）反射柵法吸收材料反射柵網(wǎng)微波測量與天線測量(8)⑶垂直測試法：絕緣塔架吸收材料垂直測試法輔待微波測量與天線測量(9)⑷頻率調(diào)制法：頻率調(diào)制法fbdfbRfbd通過傳輸線送來的信號直射波信號反射波信號混頻器高通濾波器微波測量與天線測量fbd(fbR):通過傳輸線送來的信號與直射波信號(反射波信號)差拍后產(chǎn)生的拍頻信號。(10)二、斜天線測試場：θ0/2絕緣塔架輔待斜天線測試場微波測量與天線測量(11)微波測量與天線測量三、微波暗室（無反射室）：微波暗室是墻壁、天花板、地板均鋪上高頻吸收材料的室內(nèi)測試場。其優(yōu)點(diǎn)是：能全天候工作，便于保密和避免外來電磁干擾，工作可靠等。它屬于自由空間測試場。⒈矩形微波暗室:波前振幅矩形微波暗室矩形微波暗室?guī)缀纬叽缭O(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：W≥R/2.75式中R是源天線和待測天線之間的距離,W是微波暗室的寬度和高度。(12)微波測量與天線測量⒉錐形微波暗室:它有兩種工作狀態(tài):一種是從頻段低端進(jìn)行設(shè)計(jì),另一種是從頻段高端進(jìn)行設(shè)計(jì)(類似于矩形微波暗室的設(shè)計(jì))。波前振幅錐形微波暗室錐形微波暗室?guī)缀纬叽缭O(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：dt﹤λR/(4dr)式中dt是源天線到側(cè)壁的垂直距離dr是待測天線到側(cè)壁的垂直距離R是源天線和待測天線之間的距離λ是天線的工作波長微波測量與天線測量(13)錐形微波暗室的使用受到以下條件的限制:

⑴錐形微波暗室的交叉極化特性和場的幅度均勻性極強(qiáng)地依賴發(fā)射天線對錐形截面的對稱性;⑵只能作單端測量,不適合測量雷達(dá)的散射截面;

⑶由于空間傳輸損耗與自由空間不一樣,因而只能用比較法測量天線增益。⒊微波暗室的主要電性能:⑴靜區(qū)：指暗室內(nèi)雜散波（含反射波、散射波和繞射波等）干擾最小的區(qū)域，待測天線通常就放在此區(qū)域內(nèi)。矩形微波暗室（各面均鋪設(shè)相同吸收材料）靜區(qū)直徑的估算公式：靜區(qū)直徑≥（Rλ/2）1/2式中R是源天線與待測天線的距離λ是電磁波的波長微波測量與天線測量(14)微波測量與天線測量(15)⑵反射率電平：定義為等效反射場與直接入射場之比。暗室中靜區(qū)的反射率電平越低，則測量精度越高。

⑶交叉極化特性：是指電磁波在傳輸過程中，產(chǎn)生的與原極化特性相正交的極化分量的大小，它表征了電磁波的極化純度。通常用正交極化分量與原極化分量的比值來表示暗室交叉極化特性的大小。它的值一般應(yīng)小于-25dB。⑷多路徑損耗的均勻性:它是指暗室內(nèi)電磁波傳輸路徑損耗的不均勻性。這對圓極化天線的測量尤為重要。這種不均勻性一般限制在±0.25dB之內(nèi)。微波測量與天線測量(16)⑸場強(qiáng)幅值均勻性:它是指源天線照射置于靜區(qū)內(nèi)的待測天線時(shí),待測天線孔徑上場強(qiáng)振幅值的不均勻程度。

一般要求靜區(qū)橫向幅值變化不超過±0.25dB,縱向幅值變化在±2dB以內(nèi)。⑹頻率范圍:靜區(qū)工作頻率范圍的下限取決于暗室的寬度和吸收材料的厚度;上限取決于暗室的長度和對靜區(qū)反射電平的要求程度。微波測量與天線測量(17)⒋建造微波暗室還需考慮的其它問題:⑴

暗室的屏蔽;⑵吸收材料的選擇;⑶配套附屬房間與門;⑷通風(fēng)與照明;⑸走道與檢修走廊;⑹安全和消防設(shè)施。微波測量與天線測量(18)§1.3天線的互易測量互易原理:一付無源天線用作發(fā)射和接收時(shí)的電參數(shù)(包括方向圖、阻抗及其它電指標(biāo))是相同的。在使用互易原理測量天線的電性能時(shí),必須注意以下幾點(diǎn):⑴若把待測天線和輔助天線的工作狀態(tài)互換,并保持接收信號的幅度和相位不變,要求信號源、檢波器必須與饋線匹配;⑵天線上的電流或電場分布并不互易；

⑶天線中包含晶體管匹配網(wǎng)絡(luò)、電子管、鐵氧體等有源或非線性元件時(shí)，只能在指定工作狀態(tài)下測量。

微波測量與天線測量(19)§1.4天線場的區(qū)域劃分和測量誤差一、天線場的區(qū)域劃分：天線周圍的場區(qū)可劃分為：感應(yīng)場區(qū)（電抗近場區(qū)）、輻射近場區(qū)（菲涅爾區(qū)）和輻射遠(yuǎn)場區(qū)（夫朗荷費(fèi)區(qū)）。λ/（2π）感應(yīng)場區(qū)輻射場區(qū)電小天線周圍的場區(qū)微波測量與天線測量(20)D2D2/λ感應(yīng)場區(qū)輻射近場區(qū)輻射遠(yuǎn)場區(qū)孔徑天線周圍的場區(qū)微波測量與天線測量(21)1、感應(yīng)場區(qū):

它是指靠近天線的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，占優(yōu)勢的感

應(yīng)場之電場和磁場的時(shí)間相位相差900，波印亭矢量為純虛數(shù)，因此不輻射功率，電場能量和磁場能量相互交替地貯存于天線附近的空間內(nèi)。2、輻射近場區(qū):輻射近場區(qū)里電場的相對角分布（即方向圖）與離開天線的距離有關(guān)，即在不同距離處的方向圖是不同的。因?yàn)椋孩儆商炀€各輻射元所建立的場之相對相位關(guān)系是隨距離而變的；②這些場的相對振幅也隨距離而改變。微波測量與天線測量(22)輻射近場區(qū)的外邊界按通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：R=2D2/λ式中，R是觀察點(diǎn)到天線的距離D是天線孔徑的最大線尺寸λ是天線的工作波長。3、輻射遠(yuǎn)場區(qū):在輻射遠(yuǎn)場區(qū)場的特點(diǎn)是：①場的大小與離開天線的距離成反比；②場的相對角分布（即方向圖）與離開天線的距離無關(guān)；③方向圖主瓣、付瓣和零值點(diǎn)已全部形成。微波測量與天線測量(23)4、三個(gè)場區(qū)的討論:⑴孔徑天線產(chǎn)生的場ZXYOSPdsPsrsR=(x2+y2+z2)1/2nθ

(xs2+ys2)1/2注：孔徑面位于xoy平面,n是孔徑面外法線方向的單位矢量。（n，rs）(xS,yS,0)(x,y,z)ESRrs=[(x-xs)2+(y-ys)2+z2]1/2微波測量與天線測量(24)EP=14π∫SESexp(-jkrs)rs{jk+[jk+(1/rs)]cos(n,rs)}ds……(1)式中：EP—觀察點(diǎn)P處的電場;ES—天線孔徑面上的電場;rs—源點(diǎn)Ps（xs,ys,0）到觀察點(diǎn)P（x,y,z）的距離；S—天線孔徑面積；K—自由空間波數(shù)；ds—天線孔徑面上的面積元;cos（n，rs）—孔徑面法線與矢徑rs之間夾角的余弦。微波測量與天線測量(25)⑵輻射近場區(qū)在此區(qū)域可作如下近似：①∵k>>1/rs[即rs>>λ/(2π)注:K=2π/λ]∴[jk+(1/rs)]≈jk②1/rs≈1/R(振幅項(xiàng)中）③cos(n,rs)≈cosθ④相位項(xiàng)中的rs不能用R近似,須用下式計(jì)算rs=[(x-xs)2+(y-ys)2+z2]1/2

=[x2+xs2-2xxs+y2+ys2-2yys+z2]1/2考慮到R2=x2+y2+z2微波測量與天線測量(26)所以rs=[R2+xs2+ys2-2(xxs+yys)]1/2

＝R{1+[(xs2+ys2)/R2]-[2(xxs+yys)/R2]}1/2由于xs<<R,ys<<R,利用二項(xiàng)式定理將上式展開,并取前兩項(xiàng)得rs≈R{1+(1/2){[(xs2+ys2)/R2]-[2(xxs+yys)/R2]}}

＝R-[(xxs+yys)/R]+[(xs2+ys2)/2R]

{注：二項(xiàng)式定理

(1+x)n=1+nx+[n(n-1)/2!]x2+…+{n(n-1)…[n-(k-1)]/k!}xk+…+xn}利用球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)間的關(guān)系:x=Rsinθcosφy=Rsinθsinφz=Rcosθ微波測量與天線測量(27)故rs≈R-(xssinθcosφ+yssinθsinφ)+[(xs2+ys2)/2R]……(2)(注：相位項(xiàng)中的rs)

通過以上簡化近似處理以后,就可得到孔徑天線輻射近場區(qū)的電場的表達(dá)式為：EP=4π1∫SESexp(-jkR)Rexp{jk[xssinθcosφ+yssinθsinφ-[(xs2+ys2)/2R]]}jk(1+cosθ)dSexp(-jkR)=j2λR(1+cosθ)∫Esexp{jk(xssinθcosφs+yssinθsinφ-[(xs2+ys2)/2R]}dS……(3)微波測量與天線測量(28)在該區(qū)域內(nèi)場隨距離的變化有如下特點(diǎn):

①隨距離R的增加,場的振幅按1/R的關(guān)系非單調(diào)衰減,而是先振蕩地變化,然后單調(diào)地下降;

②場振幅的相對角分布與離開天線的距離有關(guān),亦即在不同的距離處天線的方向圖是不同的。⑶輻射遠(yuǎn)場區(qū)由于這個(gè)區(qū)域離開天線更遠(yuǎn)，相位項(xiàng)中的rs的表達(dá)式可以進(jìn)一步簡化為:rs=R-(xssinθcosφ+yssinθsinφ)(∵xs2+ys2<<R)所以這個(gè)區(qū)域內(nèi)場的表達(dá)式為（由式⑶得出）：微波測量與天線測量(29)exp(-jkR)EP=j2λR(1+cosθ)∫Esexp[jk(xssinθcosφs+yssinθsinφ]dS……(4)從上式可以看出，式中積分號內(nèi)沒有與R有關(guān)的因子，因此，遠(yuǎn)區(qū)輻射場隨距離的變化有以下的特點(diǎn)：①場的振幅按1/R的關(guān)系單調(diào)地衰減；②方向圖與距離無關(guān)，且方向圖主、付瓣已明顯形成，零值點(diǎn)也很深。二、在輻射近場區(qū)測量的誤差:為了分析方便，僅討論在孔徑天線軸線（Z軸）方向上測量的誤差。微波測量與天線測量(30)因?yàn)棣?0，故式⑶和式⑷分別變?yōu)?exp(-jkR)EP=jλR∫Esexp[-jk(xs2+ys2)/2R]dSs（輻射近場區(qū)）′exp(-jkR)EP=jλR∫EsdSs（輻射遠(yuǎn)場區(qū)）如果在輻射近場區(qū)內(nèi)進(jìn)行測量，則相對誤差為δE=EP-EPEP′=1-EPEP′=1-′EPEP=1-∫Esexp[-jk(xs2+ys2)/2R]dSss∫EsdS微波測量與天線測量(31)設(shè)孔徑場ES=常數(shù),于是得:=1-∫exp[-