微波测量与天线测量课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微波测量与天线测量,教材：,微波测量与天线测量,(1),微波测量与实验教程,哈尔滨工程大学出版社出版,天线测量手册,国防工业出版社出版,参考书,:,现代微波与天线测量技术,电子工业出版社出版,1,注意,：缺,5,次课及以上者平时成绩记零分！,成绩评定：,理论:55 ； 实验:25 ； 平时:20(含中期,考试10,）,微波测量原理,西安电子科技大学出版社出版（研,）,天线测量技术,电子科技大学出版社出版,微波测量与天线测量,(2),2,(3),第一部分 天线测量,概 述,天线测量的主要任务：,一、检验理论,;,二、独立研究,;,三、工厂制造检验,;,四、安装和维修。,微波测量与天线测量,3,(4),第一章 天线测试场地的设计和鉴定,1.1,概述,天线测试场地的分类：,自由空间测试场：,能够消除或抑制地面、周围环境,及外来干扰等影响的一种测试场。,反射测试场,：就是合理地利用和控制地面反射波与,直射波干涉而建立的一种测试场。,微波测量与天线测量,4,(5),1.2,几种常见的天线测试场,一、高架天线测试场：,平坦地面,辅助天线,(,发,),待测天线,(,收,),0,/2,h,R,1,、,天线架设高度,:,h=(R/2)tg(,O,/2),微波测量与天线测量,5,地面反射消除法,:,(6),二次反射法,：,10,0,二次反射法,微波测量与天线测量,6,(7),反射栅法：,待（收）,辅（发）,反射栅法,吸收材料,反射栅网,微波测量与天线测量,7,(8),垂直测试法：,绝缘塔架,吸收材料,垂直测试法,辅,待,微波测量与天线测量,8,(9),频率调制法：,频率调制法,f,bd,f,bR,f,bd,通过传输线送来的信号,直射波信号,反射波信号,混 频,器,高 通,滤波器,微波测量与天线测量,9,(10),二、斜天线测试场：,0,/2,绝缘塔架,辅,待,斜天线测试场,微波测量与天线测量,10,三、紧缩场,(缩距测试场）,紧缩场,是以反射面原理构成的、缩短了测试距离的,天线测试场。,其基本原理是,：采用一个或多个反射面，将馈源,（辅助天线）辐射的球面波，在近距离（典型值是,10-20m)上变换为平面波。,紧缩场系统,可被视为一个在近距离内球面波到平面波,的变换器。,分析和设计紧缩场的理论工具，目前最实用和最有效,应该是,物理学上的几何光学法。,微波测量与天线测量,(11),11,单反射面紧缩场示意图,反射面,抛物面顶点,馈源,（辅助天线）,抛物面,测试区,（待测天线所在区域）,微波测量与天线测量,(12),12,(13),微波测量与天线测量,四、无反射室（微波暗室）：,微波暗室是墙壁、天花板、地板均铺上高频吸收材料,的室内测试场。其优点是：能全天候工作，便于保密和,避免外来电磁干扰，工作可靠等。,它属于自由空间测试,场。,矩形微波暗室,:,波前振幅,矩形微波暗室,矩形微波暗室几何尺寸设,计的经验数据为：,WR/2.75,式中,R,是源天线和待测天,线之间的距离, W,是微波暗室,的宽度和高度。,13,(14),微波测量与天线测量,锥形微波暗室,:,它有两种工作状态,:,一种是从频段低端进行设计,另一,种是从频段高端进行设计,(,类似于矩形微波暗室的设计,),。,波前振幅,锥形微波暗室,锥形微波暗室几何尺寸设计的,经验数据为：,d,t,R/(4d,r,),式中,d,t,是源天线到側壁的垂直距离,d,r,是待测天线到側壁的垂直距,离,R,是源天线和待测天线之间的,距离,是天线的工作波长,14,微波测量与天线测量,(15),锥形微波暗室的使用受到以下条件的限制,:,锥形微波暗室的交叉极化特性和场的幅度均匀,性极强地依赖发射天线对锥形截面的对称性,;,只能作单端测量,不适合测量雷达的散射截面,;,由于空间传输损耗与自由空间不一样,因而只能,用比较法测量天线增益。,15,微波暗室的主要电性能,:,静区,：指暗室内杂散波（含反射波、散射波和绕射,波等）干扰最小的区域，待测天线通常就放在此区域内。,矩形微波暗室（各面均铺设相同吸收材料）静区直径,的估算公式：,静区直径,（,R/2,）,1/2,式中,R,是源天线与待测天线的距离,是电磁波的波长,微波测量与天线测量,(16),16,微波测量与天线测量,(17),反射率电平,：定义为等效反射场与直接入射场之比。,暗室中静区的反射率电平越低，则测量精度越高。,交叉极化特性,：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的大小，它表征了电 磁,波的极化纯度。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。,它的值一般应小 于,-25dB,。,多路径损耗的均匀性,:,它是指暗室内电磁波传输路,径损耗的不均匀性。这对圆极化天线的测量尤为重要。,这种不均匀性一般限制在,0.25dB,之内。,17,微波测量与天线测量,(18),场强幅值均匀性,:,它是指源天线照射置于静区内的,待测天线时,待测天线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,以内。,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,;,上限取决于暗室的长度和对静,区反射电平的要求程度。,18,2024/9/11,19,微波测量与天线测量,(19),建造微波暗室还需考虑的其它问题,:,暗室的屏蔽,;,吸收材料的选择,;,配套附属房间与门,;,通风与照明,;,走道与检修走廊,;,安全和消防设施。,20,微波测量与天线测量,(20),1.3,天线的互易测量,互易原理,:,一付,无源,天线用作发射和接收时的电参数,(,包括方向图、阻抗及其它电指标,),是相同的。,在使用互易原理测量天线的电性能时,必须注意以,下几点,:,若把待测天线和辅助天线的工作状态互换,并保,持接收信号的幅度和相位不变,要求信号源、检波器,必须与馈线匹配,;,天线上的电流或电场分布,并不,互易；,天线中包含晶体管匹配网络、电子管、铁氧体等,有源或非线性元件时，只能在指定工作状态下测量。,21,微波测量与天线测量,(21),1.4,天线场的区域划分和测量误差,一、天线场的区域划分：,天线周围的场区可划分为：,感应场区,（电抗近场,区）、,辐射近场区,（菲涅尔区）和,辐射远场区,（夫,朗荷费区）。,/,（,2,）,感应场区,辐射场区,电小天线周围的场区,22,微波测量与天线测量,(22),D,2D,2,/,感应场区,辐射近场区,辐射远场区,孔径天线周围的场区,23,微波测量与天线测量,(23),1,、,感应场区,:,它是指靠近天线的区域。在此区域内，占优势的感,应场之电场和磁场的时间相位相差,90,0,，波印亭矢量,为纯虚数，因此不辐射功率，电场能量和磁场能量相,互交替地贮存于天线附近的空间内。,2,、辐射近场区,:,辐射近场区里电场的相对角分布（即方向图）与离,开天线的距离有关，即在不同距离处的方向图是不同的。因为：由天线各辐射元所建立的场之相对相位,关系是随距离而变的；这些场的相对振幅也随距离,而改变。,24,微波测量与天线测量,(24),辐射近场区的外边界按,通用标准,规定为：,R=2D,2,/,式中，,R,是观察点到天线的距离,D,是天线孔径的最大线尺寸,是天线的工作波长。,3,、辐射远场区,:,在,辐射远场区场的,特点,是：场的大小与离开天,线的距离成反比；场的相对角分布（即方向图）,与离开天线的距离无关；方向图主瓣、付瓣和零,值点已全部形成。,25,微波测量与天线测量,(25),4,、三个场区的讨论,:,孔径天线产生的场,Z,X,Y,O,S,P,ds,P,s,r,s,R=(x,2,+y,2,+z,2,),1/2,n,(x,s,2,+y,s,2,),1/2,注：,孔径面位于,xoy,平面,n,是孔径面外法线方向的,单位矢量。,（,n,，,r,s,）,(x,S,y,S,0),(x,y,z),E,S,R,r,s,=(x-x,s,),2,+(y-y,s,),2,+z,2,1/2,26,微波测量与天线测量,(26),E,P,=,1,4,S,E,S,exp(-jkr,s,),r,s,jk+jk+(1/r,s,)cos(,n,r,s,)ds,(1),式中：,E,P,观察点,P,处的电场,;,E,S,天线孔径面上的电场,;,r,s,源点,P,s,（,x,s,y,s,0,）到观察点,P,（,x,y,z,）,的距离；,S,天线孔径面积；,K,自由空间波数；,ds,天线孔径面上的面积元,;,cos,（,n,，,r,s,）,孔径面法线与矢径,r,s,之间夹角,的余弦。,27,微波测量与天线测量,(27),辐射近场区,在此区域可作如下近似：, k1/r,s,即,r,s,/(2),注,:,K=2/, jk+(1/r,s,)jk, 1/r,s,1/R,(,振幅项中）, cos(n,r,s,) cos,相位项中的,r,s,不能用,R,近似,须用下式计算,r,s,=(x-x,s,),2,+(y-y,s,),2,+z,2,1/2,=x,2,+x,s,2,-2xx,s,+y,2,+y,s,2,-2yy,s,+z,2,1/2,考虑到,R,2,=x,2,+y,2,+z,2,28,微波测量与天线测量,(28),所以,r,s,=R,2,+x,s,2,+y,s,2,-2(xx,s,+yy,s,),1/2,R1+(x,s,2,+y,s,2,)/R,2,-2(xx,s,+yy,s,)/R,2,1/2,由于,x,s,R , y,s,R ,利用二项式定理将上式展开,并取前两项得,r,s,R1+(1/2)(x,s,2,+y,s,2,)/R,2,-2(xx,s,+yy,s,)/R,2,R-(xx,s,+yy,s,)/R+(x,s,2,+y,s,2,)/2R,注,：,二项式定理,(1+x),n,=1+nx+n(n-1)/2!x,2,+,+n(n-1),n-(k-1)/k!x,k,+,+x,n,利用球坐标与直角坐标间的关系,:,x=Rsincos y=Rsinsin z=Rcos,29,微波测量与天线测量,(29),故,r,s,R-(x,s,sincos+y,s,sinsin)+(x,s,2,+y,s,2,)/2R,(2),(,注,：,相位项中的,r,s,),通过以上简化近似处理以后,就可得到孔径天线辐射近场,区的电场的表达式为：,E,P,=,4,1,S,E,S,exp(-jkR),R,expjkx,s,sincos,+y,s,sinsin-(x,s,2,+y,s,2,)/2Rjk(1+cos)dS,exp(-jkR),=j,2R,(1+cos),E,s,expjk(x,s,sincos,s,+y,s,sinsin-(x,s,2,+y,s,2,)/2RdS,(3),30,微波测量与天线测量,(30),在该区域内场随距离的变化有如下特点,:,随距离,R,的增加,场的振幅按,1/R,的关系非单调,衰减,而是先振荡地变化,然后单调地下降,;,场振幅的相对角分布与离开天线的距离有关,亦即在不同的距离处天线的方向图是不同的。,辐射远场区,由于这个区域离开天线更远，相位项中的,r,s,的表,达式可以进一步简化为,:,r,s,=R-(x,s,sincos+y,s,sinsin),( x,s,2,+y,s,2,R ),所以这个区域内场的表达式为（由式得出）：,31,微波测量与天线测量,(31),exp(-jkR),E,P,=,j,2R,(1+cos),E,s,expjk(x,s,sincos,s,+y,s,sinsindS,(4),从上式可以看出，式中积分号内没有与,R,有关的因子，,因此，远区辐射场随距离的变化有以下的特点：,场的振幅按,1/R,的关系单调地衰减；,方向图与距离无关，且方向图主、付瓣已明显形成，零值点也很深。,二、在辐射近场区测量的误差,:,为了分析方便，仅讨论在孔径天线轴线（,Z,轴）方向,上测量的误差。,32,微波测量与天线测量,(32),因为,=0,，故式和式分别变为,:,exp(-jkR),E,P,=j,R,E,s,exp-jk(x,s,2,+y,s,2,)/2RdS,s,（辐射近场区）,exp(-jkR),E,P,=j,R,E,s,dS,s,（辐射远场区）,如果在辐射近场区内进行测量，则相对误差为,E,=,E,P,-E,P,E,P,=,1-,E,P,E,P,=,1-,E,P,E,P,=1-,E,s,exp-jk(x,s,2,+y,s,2,)/2RdS,s,s,E,s,dS,33,微波测量与天线测量,(33),设孔径场,E,S,=,常数,于是得,:,=1-,exp-jk(x,s,2,+y,s,2,)/2RdS,s,S,E,在距形孔径的情况下,E,=1-,1,D,1,D,2,D,1,/2,-D,1,/2,exp-jkx,s,2,/(2R)dx,s,exp-jky,s,2,/(2R)dy,s,D,2,/2,-D,2,/2,利用菲涅尔积分,上式变成,E,=1-,C(u)-jS(u),u,C(v)-jS(v),v,34,微波测量与天线测量,(34),S,(,t,),=,sin,(,t,2,),/2dt,t,0,式中,C,(,t,),=,cos,(,t,2,),/2dt,t,0,u=,D,1,(2R),1/2,D,2,(2R),1/2,v=,D,1,距形孔径沿,X,方向的边长,D,2,距形孔径沿,Y,方向的边长,同理可得,园形孔径情况下的相对误差为,E,=1-,|,Sin,kD,2,/(8R),|,kD,2,/(8R),式中,D,为园形孔径的直径。,35,微波测量与天线测量,(35),由于天线增益,G,是由与场强平方成正比的功率比确定的,故增益系数,G,的相对误差可直接写出如下,:,距形孔径,G,=1-,C(u)-jS(u),u,C(v)-jS(v),v,2,园形孔径,G,=1-,Sin,2,kD,2,/(8R),kD,2,/(8R),2,36,2024/9/11,37,