（通信与信息系统专业论文）18265ghz功率密度标准的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 当前，世界各国都十分重视微波功率密度标准的研究。现有标准的频率范围 大多在l g h z - 4 0 g h z ，功率密度上限1 0m w 锄2 。我国这方面唯一的标准是中国计 量科学研究院的1 1 8 g h z 功率密度标准，但该标准的频率范围和量程与世界先进 水平都还有一定差距。所以，为缩小我国与世界发达国家问的技术差距，以及推 进我国科学研究事业和国民经济发展，进一步扩展现有标准的频率范围和功率密 度量程，显得十分必要。 本论文的研究目的是：建立一套严谨、精确、可溯源的微波功率密度标准装置， 频率范围1 8 2 6 5 g h z ，量程 5 m w c m 2 。论文主要内容如下： l 、介绍了根据标准场法建立微波功率密度标准的具体过程，提出了建立该标准 所涉及的几个关键问题。 2 、深入分析了标准所涉及的关键问题之一：角锥喇叭天线的近场和远场增益。 对于近场增益，本文利用矩量法( m o m ) 进行计算，并将所得结果与n p l 实测值进行比较，结果表明二者非常吻合。对于远场增益，利用基于m o m 和f i t d 的两款仿真软件分别计算。通过比较仿真值与n p l 实测值以及理论 计算值，可看出本论文的仿真结果符合基尔霍夫公式的预测，并和实测结果 的一致性非常好。 3 、开发了系统控制软件。软件基于v b 开发平台和g p i b 接口。在控制输入功率 方面，该软件利用实际测试得到信号源输入与馈入天线的净功率关系曲线， 提高了测试系统的效率。 4 、研究了测量不确定度的评定方法。本文建立了数学模型，并以1 8 g h z 功率密 度标准的测量不确定度为例，具体分析了测量不确定度的评定方法。 关键词：电场探头；功率密度；喇叭天线增益；不确定度 分类号：t b9 7 3 a b s t r a c t a b s t r a c t ( r r 朋n 弘m 觚yn a t i o 璐h a ：v ea t _ 【战h 。dg r e a ti n l p o n 锄c ct 0t l l e 他a r c ho ft l l e p 0 1 w e r 妇i t ys t a r l d a r d t h e 商s t i n gs t 锄d a | d sa r e 1 0 s 廿yi i lm e 舶q p 即c y 姗g eo f 1g h z - 4 0 g h z 丽t 1 1m ep o w e rd 吼s i t yu p p e rl i l i l i to f10 疵w c l i l 2 1 1 1 eo i d y 耐t 耐0 no f 跚c hac a l i b r a t i o ns y s t e mi n ( = h i mi sn 坞l 1 8 g h zp o w 贸d e i l s i 锣s t a i l d a r dd e v e l o p e db y n a t i o n a lh l s t i t u t eo fm 咖l o g 弘h o w e 葛t h e r ea r es t i l ls o m eg a p sb e t w e e nt h i s s t a r l d a r d 砌l ew o r l d sa d v a n c o dl e v d t h e r e f o r 岛t 0n a r r o wn l et c c h n o l o 百c a lg a p b e t w o e nu s 锄dd e 、，e l o p e d 伽唰1 臼叵骼弛dt 0p us _ hf o 刑a r dm ed e v e l o p m e n to fs c i 觚丘c 鼻鼯鼹r c h 卸dn 撕o n 8 le c o n 伽哕i nc = h i n a ，i t se x 删yn e c 懿s a r yt 0e x t e n dt h e c a l i b r a r t i o n 舭q u e n c y 锄dp i 撇d e l l s i 锣r a n g eo f n l i ss t a n 捌 t h ep l 】q 砷s eo ft h i ss t u d yi s ：t ob l l i l dac o m p l e t e ，a c 吼l r a t e ，缸a c e a ：b l em i c r o w a v e 础1 w e fd e i l s 时s t 觚d a 耐s y s t e m ，而t h 也e 缸q u c y 黜g eo fl8 2 6 5 g h z 雒dd 钆s i 锣 瑚g e 之5 m w 触一嘶sp a p l e r sm a i n 麟e 砌髂a r e 弱f o i l o w s ： 1 、n e s p c d f i cp r o c e 豁o f b l l i l d 啦叩也es t 袖d 砌s y s t 伽b 嬲e d 也es 恤d 莉 f i e l dm e l o di si n 心o d u c e d 加l ds c v e r a lk e yi s s u e si n v 0 1 v o dt o 懿讪l i s ht l l e s t a l l d a r da r cp o i i l t e d0 u t 2 、o o fm ek e yi s 跚髂，h o m 锄t 锄ag a i n ，i si n - 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6 e l d p r o b e ；p o w e rd e i l s i 瞅h o ma n t 锄a 蛐l ；u n c e 慨n t y c l a s sn o ：t b9 7 3 致谢 首先要对我的导师闻映红教授表示衷心的感谢。在我整个研究生生活学 习期间，闻老师不仅以她深厚的学术底蕴和渊博的专业知识为我答疑解惑，更以 她高尚的为人之道和踏实的治学理念教导和激励着我，让我时刻牢记“踏实 是 做任何事情的根本。再次感谢闻老师，我会谨记您的教诲。 感谢沙斐老师、王国栋老师、王风兰老师、周克生老师、朱云老师、陈嵩老 师、崔勇老师对我学业和生活上的指引和教导。各位老师不仅有着扎实的理论基 础和出众的实践能力，更有着谦逊的学术涵养和热忱的待人之心，这些都对我产 生着潜移默化的影响，让我永生难忘。 本论文所研究的课题是中国计量科学研究院信息电子所的技改项目，所以我 有一年时间都是在计量院度过的。感谢高小殉研究员、吴钒研究员、谢鸣研究员 为我提供如此多动手实践的机会，以及对我提出的每一个问题的耐心解答。正是 从你们身上我不仅加深了对理论知识的理解，更提高了动手实践的能力。尤其谢 鸣研究员，还十分关心我在计量院生活上的各种问题，为使我在计量院更好的工 作、学习和生活付出了很多努力，再次感谢谢鸣老师。 感谢中国计量院信电所e m c 室的李大博工程师、孟东林博士、王维龙工程师、 李潇工程师、刘潇博士，你们不仅对我提出的每一个问题都热心而耐心的解答， 还时常主动为我指明研究的方向、为我讲解电磁兼容领域最尖端最实用的技术。 在你们的帮助下，我对电磁兼容领域有了更深刻的理解，我的专业知识水平和动 手实践能力都达到了一个崭新的高度。 感谢中国计量院信电所e m c 室的洪力、胡白涛、刘柏吉、李渤、孔雨玲、李 子龙、谢晶等所有成员对我的帮助，能与您们共同度过一年时光让我感到非常荣 幸，我也从你们每一个人身上学到了很多专业知识和做人的道理。 感谢王强师兄、单秦师兄、张晓燕师姐对我学习和生活上的关心和帮助，你 们的努力和奋进为我树立了良好的榜样，我为有你们这样的师兄师姐感到骄傲。 同时，我也感谢与我一路同行的同学霍宏艳、卢怡、李新坡、张强、王钱矾、杨 永亮、柳海民、叶畅、王显文、于晓丹、李哲，你们的鼓励和帮助让我感到了集 体的团结友爱、同学的真挚友情，也让我度过了美好的研究生时代。 感谢养育我多年的父母，你们对我的信任、理解、支持与鼓励让我逐渐成长 为一个成熟的人，儿子会不断努力拼搏，让您放心。祝父亲母亲身体健康。 最后，感谢所有支持和关注过我的首长、老师、同学们，是你们给了我莫大的鼓励和信 心，让我不断前行。谢谢你们了。 引言 1 引言 1 1 研究背景 随着射频技术的不断发展，如今微波的应用越来越广泛。从雷达系统到广播 电视，从医疗设备到加工设备，从通信发射台到卫星通信站，从电力发电站到输 变电设备，都有微波技术的身影。但是这些设备，以及高压及超高压电线、地铁 列车、电气化火车、微波炉等大多数家用电器都会产生不同频率、不同形式、不 同强度的电磁波辐射，对人体健康构成了一定程度的危害。 为保障人体的健康不受侵害，世界各国先后制定了微波辐射的安全标准。我 国也于1 9 8 7 年、1 9 8 8 年和1 9 8 9 年发布了国家标准，分别是环境电磁波卫生标 准( g b 9 1 7 5 8 8 ) 、电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 8 8 ) 和作业场所微波辐射卫 生标准( g b l 0 4 3 6 8 9 ) 等。其中，国家标准g b 9 1 7 5 8 8 明确规定了环境电磁波 辐射强度安全限值：当频率在1 0 0 k h z - 3 0 m h z 范围时，其辐射强度应小于2 5 v m ； 当频率在3 弧棚z 3 0 0 z 范围时，辐射强度应小于1 2 恤；当频率在 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 范围时，辐射强度应小于4 0 矿佣2 ( 约为1 2 v f m ) ，否则将对 人体健康造成危害。 世界各国对这个问题都十分重视。英国n p l 、美国n i s t 、瑞典s p 、韩国k r i s s 、 德国p t b 、日本m 村等国家计量部门都投入大量资金研究功率密度标准系统和 校准方法。现在，各国建立的校准系统频率范围大多为1 g h z 4 0 g h z ；功率密度量 程大多为：1 0 0 矿朋2 = 1 0 m 矽绷2 ( 2 0 0 v m ) ，个别国家可达到5 0 0 v m 。表1 1 统计了各国计量院电场强度和功率通量密度的校准测量能力【l 】。 表1 1 各国计量院电场强度和功率通量密度的校准测量能力 t a b l e1 1c a l i b r a l i 伽a n dm 如塌e n tc a p a b i l i t yo fe f i e l da n dp 叭盯d s 时i nd i 侬籼t m 咖l o g yi n s t i t l l t 岱 校准 频率范围功率密度或场强范围 扩展不确定度 国别 场区 g h z 最小最大 单位 d b ( k = 2 ) 10 争8 2 4 56 5 0| 蔷 2 4 5 1 80 0 l2 0 0| 蔷 英国n p l近场 1 8 - 4 00 0 11 0 0| 矗 0 5 4 3 5 _ 4 5 50 53 0l 北京交通大学硕士学位论文 表1 1 ( 续) 各国计量院电场强度和功率通量密度的校准测量能力 t a b l e 表1 1 ( c o n 血u e d ) c a l i b 枷阻锄dm e 舔w e 赋殂t p a _ b i l 时o f e 丘d da n d 唧d e n s i t ) ，i n d i 丘e f e l l tm e t l o g yi n s t i t l n 瞎 校准 频率范围 功率密度或场强范围 扩展不确定度d b 国别 场区 。g 最小最大单位 ( k - 2 ) 美国n i s t近场 0 4 5 4 0 l2 0 0 纽0 6 1 韩国l 圆s s 近场 0 4 - 1 80 0 0 39嘲| ol 1 1 4 8l2 0 0钐纽o 6 瑞典s p远场 8 1 3l2 0 0彭纫0 8 1 3 1 8l2 0 0彭纫o 9 中国计量科学研究院( n d 订) 于1 9 9 3 年建立了频率为2 4 5 g h z 的功率密度标 准装置，2 0 0 8 年该院经过技术改革，将该标准的校准频率范围扩展为1 1 8 g h z 。 其技术指标如表1 2 所示： 表1 2 中国计量科学研究院功率密度校准测量能力 t a b l e1 2c a l 妇嘶舳dm 髭s t l 姗饥tc a p a b i l 畸o f p c l w e rd e l l s 毋i nn i m 频率范围 功率密度或场强范围 扩展不确定度d b g h z 最小昂大单位 ( k - 2 ) 2 4 5 0 0 5 o 8 0码鞭| 鼬亡o 2 9 1 1 80 0 5l o心n | 矗0 8 0 9 l g 】乜1 8 g h z 功率密度标准是一套全新的微波探头校准标准，也是目前国内唯 一一套完整的功率密度标准装置，填补了国内微波校准的空白，标志着我国的 1 1 8 g h z 功率密度校准有了标准可依。但我们也必须看到，我们与发达国家的技 术水平仍有较大差距。同时，各种新技术和新应用使得所用的微波频段不断提高。 因此，继续研制频率更高、量程更大、不确定度更小的微波校准标准十分必要。 1 2 研究意义 电场探头作为一种方便易用的场强测量设备，可以代替工作人员在电磁场敏 感区域对监测区域内的场强值进行简单、准确和高效的测量，以确定环境是否满 足相关标准要求。在射频电磁场抗扰度的测试中，电场探头可以用于测量e u t 所 处区域校准场的场强；在检测电波暗室、混响室的性能时，电场探头可以用于监 测室内的叠加场强。在环境影响评价的测试中，电场探头可以用于测量电磁辐射 环境的场强强度；此外，电场探头在评价通信基站、电视台发射塔、广播电台发 2 引言 射塔等周边的居民生活小区和学校校园等地区的电磁环境时，都发挥着巨大的作 用。总之，电场探头在电磁兼容领域中的应用极为广泛，它也是国家规定的强制 性检定计量器具之一。 目前，市场上的电场探头种类多种多样，数量越来越大。很多探头的工作频 率上限都已从原来的l8 g h z 扩展到4 0 g h z ，甚至到6 0 g h z 。这些探头每年都需要 进行检定和校准，对我国的探头校准工作提出了更高的要求。表1 3 列举了国际上 几大电场探头生产厂家生产的探头型号及参数【l 】。 表1 3 各公司部分电场探头型号及参数 参数 公司名称探头型号 频率范围场强量程 功率密度量程 f i 7 0 0 31 0 0 l ( h z 3 g h z0 4 6 6 0v 触4 2n w 佗n 1 2 1 1 5 m 乃，a 2 f ”0 0 61 0 ( ) k h z 6 g h zo 5 8 0 0v 虹6 1 5 i i w c i i l 2 1 6 9 m w r 锄2 f i 7 0 1 83 m h z 18 g h zo 6 1 0 0 0v m 9 5 n 、m f c m 2 2 6 5 m w 亿m 2 美国a r f l 7 0 1 83 m h z - 1 8 g h z1 1 0 0 0 v m2 6 0 n w 儿m 2 - 2 6 5 m w ，c n l 2 f i 7 0 5 03 0 0 m h z 5 0 g h z8 秘v m 2 6 州姒浊2 1 0 3 m w c m ? f p 7 0 6 02 7 m h z - 6 0 g h zo 7 - 3 0 0 v m 1 3 i l w 锄2 - 2 3 m w c m 2 h 1 4 4 3 3 h s e5 0 0 k h z - 1 5 g h zo - 3 3 0 v m2 3 n w 7 佑m 2 加2 3 m w 吼n 2 h 1 4 4 2 2 l o l 【h z - 2 g h zl - 3 0 0 v 触2 6 0 n w c m 2 2 3 m w r c m 2 美国e 睡 h 1 4 4 3 3 s t e5 0 0 k h z - 5 ( m z 3 0 3 0 0 0v h o 2 3 n w 伦m 2 2 3 8 7 m w r 锄2 n n d 班n h 1 6 0 0 5l o ( ) k h z 6 g h z0 5 - 8 0 0v m袄苘n | 心a 鹋试嗣| 矗 h i6 0 _ 5 32 7 假 z 枷h z2 8 0 0 v m l “w c l n 2 1 6 9 m w 舾一 h i 4 4 3 3 g r e5 0 0 k h z 5 g h z3 3 0 0 v m 2 3 州c m 2 2 3 m w 锄2 h i 4 4 3 3 m s e5 0 0 k h z - 5 ( m z 1 0 1 0 0 0v m 2 6 5 1 1 w 锄2 2 6 5 m w 蛔n 2 美国 h i 4 4 3 3 s ，疆5 0 0 k h z 5 ( 、h z2 0 3 0 0 0v m0 1 m w c i n 2 - 2 3 0 0 m w 伦m 2 h o l a d a y h i 4 4 5 08 0 m h z 4 0 g h zl - 3 0 0v m2 6 n 、 ，c m 2 2 3 m w r c m 2 h i - 4 4 5 52 0 0 k h z 舶h z 2 3 0 0 v m、测| 矗五谰| 矗 h i _ 4 4 5 63 0 0 m h z 邶h z3 0 1 0 0 0v m0 2 m w 锄2 - 2 6 5 m w c m 2 3 北京交通大学硕士学位论文 表1 3 ( 续) 各公司部分电场探头型号及参数 参数 公司名称探头型号 频率范围场强量程功率密度量程 。，e m 眠3 0 0 t y p e l 8 cl o 咄z 3 g h z o 2 3 2 0v m iu 时n | 矗心n | 矗 2 2 牟i ，9 0 7 3 e m r 3 0 0 西，p e 9 c 3 m 旺 z - l8 ( m zo 8 1 0 0 0v 抽0 16 町7 c m 2 2 6 5 m w 绝i n 2 2 2 4 4 9 0 2 3 德国 e m r 3 0 0 n a d a r t y p e l l c 2 7 m h z6 0 g h z0 。7 3 0 0v m1 3 0 n w 地n 2 1 2 3 m w 危m 2 2 2 倒9 0 2 5 n b m 5 0 0 1 0 ( 1 k h z 3 ( 邋zo 2 3 2 0v 缅 1 0 n w 先m 2 乏7 m w 伦m 2 e f 0 3 9 l n b a 不5 0 0 3 m h z 1 8 ( m z0 6 1 0 0 0v ml 伽目w 允m 2 乏6 5 m w 亿m ? e f l 8 9 l n b m 5 0 0 3 0 0 m h z 5 0 g h z 8 0 6 1 4v 艋 u 阑| 矗- 、哦洲| 矗 e f 5 0 9 l e p 3 0 01 0 ( ) k h z 3 g h z0 1 3 0 02 郁畦w 托m 2 - 2 3 m w 7 尼m 2 意大利 e p 3 3 m7 0 0 z 3 g h z0 3 3 0 02 3 n 1 ，锄2 2 3 m w c m 2 p m m e p 1 8 3l m h z - 1 8 g h z0 8 8 0 0 0 1 6 i l w 伦m 2 一1 6 0 m w 妇n z e p _ 4 0 8l m 【l l z _ 4 0 g h z0 8 8 0 0 0 1 6 i l w ，锄2 一1 6 0 m w 舾n z 表1 3 所提及的很多探头现在都已在使用，包括频率上限在1 8 g i l z 以上的探 头。这些探头国内现在无法校准。所以建立1 8 2 6 5 g h z 频率范围的功率密度标准， 为这些探头提供一种权威认定，将不仅确保我国微波功率通量密度的量值统一， 有效弥补我国在这个领域的空缺，而且该标准具备日后参加国际比对的能力，可 满足电磁环境监测和制造业测量设备的溯源需求，为我国相关产品的出口提供技 术支持，进而进一步推动国民经济发展。 1 3 论文的研究内容 本论文的研究内容主要分为以下几点： 1 、 1 8 2 6 5 g h z 功率密度标准的组成。主要介绍标准场的产生原理及相关仪器设 备特性。 7 2 、 仿真计算标准喇叭天线的近场增益和远场增益。分析研究仿真的方法，并将 4 引言 重点放在仿真值可靠性的验证上。 3 、控制软件的编写思路及相关操作。主要研究输入量和输出量的关系，从而更 精确的调整仪器输出，以使系统更快达到稳定状态。 4 、 系统不确定度评定工作。分析研究评定1 8 2 6 5 g h z 功率密度标准的方法，并 以1 1 8 g h z 功率密度标准中1 8 g h z 频点的不确定度评定为例，完整地说明 了评定系统不确定度的方法。 文章最后总结了1 8 2 6 5 g l 乜功率密度标准现阶段已完成的研究工作，并对进 一步研究进行了展望。 5 系统组成及原理 2 系统组成及原理 美国电气电子工程师学会于2 0 0 5 年发布了探头校准标准即【i e e e 刚1 3 0 9 2 0 0 5 】 9 k h z - 4 0 g h z 电磁场传感器和探头的校准【2 】，对9 k i i z 4 0 g h z 场强探头校准的环境 和测试设备提出了设计方法及要求。标准规定当使用开放的辐射源时( 如：喇叭 天线或者末端开口波导) ，探头校准应在全电波暗室中进行，场地电压驻波比的最 大值应小于0 5 d b ，推荐用于探头校准的暗室最小尺寸( 即内部空间) 为4 m ( 长) 2 m ( 宽) 2 m ( 高) ，探头校准系统中功率放大器的频谱纯度应满足2 0 d b 要求， 探头固定设备即探头校准时使用支架对场的扰动应尽可能小。该标准明确规定了 场强探头校准的场地和校准使用的测量系统。本论文所研究的18 2 6 5 g h z 功率密 度标准正是依据这一标准展开研究的。 2 1 被校准对象及其校准特性 2 1 1 被校准对象 2 1 1 1 电场探头( p r o b e ) 电场探头由一个或多个传感器组成，可能还有预放大器，目的是测量媒质中 的射频场分量。预放大器通过高阻线与场传感器相连。电缆将传感器“感受”到 的信号传递到信号处理设备或者显示设备中。电缆可能是有屏蔽层的导电线，也 可能是光纤。信号处理器可能是简单的直流放大器，也可能是具有时间平均功能、 多传感器平均功能的数字处理器。如果是后者，数据还能够上传到计算机。一般 情况下，处理器都会包括几个可替换的量程或者自动换量程。 图2 1 电场探头示意图 f i g u r e2 1s c h 锄a t i cd i a g r a mo fa ne f i e l dp r o b e 北京交通人硕士学位论文 图2 2 几种典型的电场探头 f i g u r e2 2s e v e r a lt y p i c a le 一丘e l dp r o b e s 2 1 1 2 场传感器( s e n s o r ) 场传感器是一种不含电子器件的用于测量电场或磁场的电小尺寸设备。传感 器应当能够响应一个特定频率范围内的射频场参数，同时限制其他频段的响应， 以获得被测区域的实际场强。比如，希望传感器对电场作出响应，那么它就应当 将不需要的磁场感应电流降到最小，反之也是这样。传感器同样不能对电离辐射 的各种形态太敏感( 比如u v ，可见光，以及宇宙射线) 。探头通常被指定响应一 个频率范围，超出这个频率范围，传感器将不再敏感。它最好可以有一个特定的 装置，能够防止其他频率的信号影响被测信号的精度。为了防止被测场受到过度 干扰，传感器的物理尺寸应当小于测试人员所测最高频率的波长。再者，探头的 外观应被认真设计，使其对入射电磁场的扰动降到最小。因此，很多探头都用很 薄的塑料制成( 比如，聚苯乙烯) ，以及一些介电常数很低的材料。全向天线应当 对各个方向的响应都一样，不随入射波的极化和角度而变化，可以用在近场测量 环境中。当然，也可以同时测量电场和磁场场强。当场的极化方式和传播方向已 知时，非全向性探头性能才能达到最佳。 图2 3 两种典型的场探头内部结构 f i g u r e2 3i n t 锄a ls 廿u c t u r e so ft w ot y p i c a le 一6 e l dp r o b e s 系统组成及原理 2 1 1 3 电缆( c a b l i n g ) - 由于电磁场很容易通过连接线耦合到探头或是信号处理设备，所以应保证电 缆屏蔽性足够好，同时保证电缆的放置方向要与电场垂直，这样才能保证不探测 到不希望的信号。实际应用中，从场传感器接出的头几厘米电缆( 或者连接到预 放大器，或者连接到探头插孔) 通常都是高阻线，它们会减小场的波动。在较低 频段，波长与设备尺寸相当，这就会带来反射，同时电磁场耦合到连接线的现象 也更严重。所以3 0 m h z 以下时，应当使用光纤或是在电缆上加磁环。 2 1 2 校准特性 2 1 2 1 频率响应( f 嘲u e n c yr e s p o n s e ) 频率响应指的是在场探头和场传感器动态范围里，给定恒定输入功率情况下， 不同频率点响应的起伏变化。因此，频率响应特性决定了传感器的测量范围，传 感器只有在允许的频率范围内进行测试才能保证不失真。实际使用时，应根据信 号特点选择不同探头，以免产生过大误差。另外，探头制造商给出的参考数据可 能并没有对每一个频点的响应进行优化，所以实际使用前应当对关心的几个频点 进行校准。 2 1 2 2 场强线性( l i n e a r i “) 场强线性是指探头或场传感器的输入与输出成正比的场强范围。理论上，设 备灵敏度在该范围保持定值。理想线性响应一般在o 5 d b 内。通常选择在接近中 心频率的频段内检测线性，因为这个频段的探头响应与规定直线吻合度很好。探 头或传感器的线性范围越宽，则其量程越大，测量结果的精度也较高。但实际上， 任何探头或传感器都不能保证绝对的线性，线性度是相对的。所以，如果测量精 度较高时，校准实验室就可以对探头的线性响应进行修正；测量精度较低时，可 将非线性误差较小的传感器看作线性的，这将带来极大的方便。 2 1 2 3 交叉场响应( c r o s s 一6 e l dr e s p o n s e ) 在近场测量时，系统会产生很大的电场和磁场。所以，对于一个电场传感器 而言，它对磁场的敏感度就不应太大，反之亦然。不过在高频时( 大于3 0 0 砌z ) ， 近场区域变得很小，对交叉场响应的要求也不是那么重要了。 2 1 2 4 全向性( i s o t m p y ) 全向性是指探头或场传感器的响应与入射场的传播方向和极化无关。全向性 表示为探头在恒定场中恒定距离，当其方向在规定角度内变化时，最大响应与最 9 北京交通大学硕士学位论文 小响应的比值，通常用分贝表示。非全向性是最大响应和最小响应几何平均数的 最大偏差。 校准实验室如果要对全向性探头进行校准，就需要一套可以沿轴3 6 0 度旋转 的云台，且该云台对场的扰动要尽可能小。，这就对转动云台的工艺和材料提出了 很高的要求，需要在实践中不断摸索。 2 1 2 5 其他( o m e f s ) 其他和探头或传感器性能密切相关的参数包括：调制响应、温度响应、灵敏 度、极化率等。在实际使用时，这些参数也应被认真考虑。 2 2 天线辐射场划分 天线辐射场可以分为：感应近场区、辐射近场区和辐射源场区【3 】。如图2 4 。 2 2 1 感应近场区 图2 4 天线辐射场区分布图 f i g u 2 4f i e l dd i s t r i b u t i 伽o f 雏c a m 妫d i 撕 感应近场区紧邻天线，一般为最靠近天线的区域到3 九范围内。在这个区域， 电磁能量随着距离的增加迅速减小，距离和场强呈现高次幂反比关系。该区域的 能量包括非传播性的能量和传播性的能量。非传播性能量处于容性耦合或感性耦 合状态，如果探头位于该区域，则该能量会容性耦合或感性耦合到传感器上。由 l o 系统组成及原理 于感性能量的存在，该区域的波阻抗不再是1 2 0 兀，电场磁场也不垂直。因此，探 头不能在这个区域校准。 2 2 2 辐射近场区 蠢p 在此区域，电场和磁场相互垂直，且波阻抗恒为1 2 佩，其能量分布基本是均 匀的，可以在此区域进行探头校准。此外，为了获得较大的功率密度，以及场地 条件的限制，现在很多实验室都利用发射天线的辐射近场区范围内的电磁场进行 校准工作和其他工作。但是该区域内，场的角分布与距离有关，天线各单元相对 相位和相对幅度对观察点场的贡献，是离开天线距离的函数。比如，增益的大小 会随着距离的变化而变化，这就是近场增益的概念。 2 2 3 辐射远场区 在此区域，场的角分布与距离无关，功率随距离变化呈二次方衰减，即扩散。 严格的说，只有离天线无穷远处才是天线的远场区。但在某个距离上，场的角分 布与无穷远处时的角分布误差在允许的范围内时，把该点至无穷远的区域称为天 线的“辐射远场区糟。 对于喇叭天线这样的开口天线，公认的辐射近场区和远场区的分界距离为瑞 丽距离r = 2 d 2 名，其中d 为天线的直径( 对喇叭天线而言就是喇叭口面的对角 线长度) ，九为工作波长。在本论文中，对于频率范围在1 8 2 6 5 g h z 的喇叭天线， 其尺寸已知，瑞丽距离如表2 1 ： 表2 1 不同频率的瑞利距离 1 a b l e2 1r a l e i g hd i s t a n c ea td i 丘e 代n t 丘e q u e n c i e s i 频率( g h z )瑞利距离( m ) i 1 80 5 9 6 i2 6 50 8 7 8 o 8 7 8 m 这个距离很小，一般暗室都可满足其远场测量距离需求。所以，从所 需校准场地方面来讲，我们既可以选择在辐射近场区进行校准，也可以选择辐射 远场区。 2 3 系统组成及原理 根据e e s t d l3 0 9 2 0 0 5 ，18 2 6 5 g h z 功率密度标准装置可以依据标准场法原 理建立，即通过标准增益喇叭天线向自由空间区域发射微波信号，在目标区域建 北京交通大学硕士学位论文 立一个功率密度已知的标准场【2 1 。这和1 1 8 g h z 功率密度标准装置相同。标准场 强通过实验和理论计算得出。 2 3 1 系统组成 理想情况下，可将探头放置在距离喇叭口面r 处。喇叭天线持续不断的辐射 平面波，探头持续不断的响应该场。图2 5 为功率密度标准示意图，通过这样的配 置，可以在空问巾产乍，一个已知的场。 图2 51 8 2 6 5 g h z 功率密度标准装置 f i g i 】r e2 ，5l8 2 6 5 g h zp o w e rd e l l s i t ys t a i l d a r ds e t - u p 其中： 1 、微波信号源 2 、微波功率放大器 3 、滤波器 4 、软波导 5 、双定向耦合器 6 、功率探头 7 、功率计 8 、标准增益喇叭天线 9 、被校准探头 1o 、探头卡具 1 1 、喇叭支架 1 2 、全电波暗室 系统组成及原理 2 3 2 系统原理 如图2 5 所示，全电波暗室模拟了自由空间，避免了墙壁、天花板、地板对电 磁波的反射，使得探头只接收到来自喇叭天线的辐射。系统的整个运行和校准过 程为： 1 、微波信号源产生稳定的1 8 2 6 5 g h z 之间某一频率的微波信号； 2 、信号经过微波功率放大器放大和滤波器滤波后输入到双定向耦合器输入端； 3 、传感器和功率计通过同时测量双定向耦合器前向反射功率和反向反射功率，监 视馈入到喇叭天线的净功率； 4 、信号经过双定向耦合器到达喇叭天线； 5 、天线向空间辐射电磁波； 6 、将探头移动到指定位置； 7 、被校准探头在该位置接收空间中的标准场； 8 、读出探头读数，并与标准场读数相比较，得到校准因子。 目前，国际上通行的产生高重复性功率密度的做法，是利用式( 2 1 ) 来产生 标准场。 s ：肇( 2 1 ) 4 ，t 其中： s为功率密度( 嘣) g 为发射天线增益( 无量纲) 为发射天线馈入的净功率( w ) r为发射天线口面到探头的校准距离( m ) 另外，对于相同距离处的场，功率密度可表示为 s = e 2 ，7 ( 2 2 ) 其中： s为功率密度( w m 2 ) e 为自由空间电场强度( v ，m ) 玎为传播媒介的固有阻抗( q ) 。 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 应当相等，故可得场强表达式： 肚筹 包3 ) 其中： e为自由空间电场强度( v m ) 气，为发射天线馈入的净功率( w ) 北京交通大学硕士学位论文 g 为发射天线的增益( 无量纲) r发射天线口面到探头的校准距离( m ) ，7 传播媒介的固有阻抗( q ) 利用该法建立的标准电场可重复性高，并且利于量值溯源。之所以不用传递 标准法建立标准场是因为：用传递标准( 如探头) 来“确定标准场强 重复性差， 更主要的是因为不能溯源。比如，探头将电场强度转换为电动势，那么这个转换 关系如何定义? 所以，传递标准不能用于建立主标准。 2 3 3 系统应重点研究的环节 标准场的产生方法已经确定，从式( 2 1 ) 和式( 2 3 ) 可看出，、g 、r 的 值将直接影响最终的标准场，所以，对这三个量应重点研究。综合其他各因素， 本校准系统应重点解决的问题有以下几个方面。 l 、喇叭天线的增益( 近场增益和远场增益) ； 2 、馈入到喇叭天线的净功率计算方法； 3 、多径干扰带来的误差。 其中，多径干扰来自校准空间中各金属物体和介质对电磁波的反射的时延信 号，这些物体可能是电缆、仪器本身、或者和探头相连的读数装置。多径干扰还 可能来自暗室墙壁、天花板、地板的反射，但这种影响可以通过在暗室铺设吸波 材料将其最小化。值得注意的是，吸波材料的性能会随着波长接近其尺寸而急剧 减小。因此，一定尺寸的吸波材料都有其使用频率的下限。但由于时间所限，本 论文并未对这一部分内容进行深入研究。净功率计算会在本章后面章节介绍。天 线近场增益和远场增益将下一章具体讨论。 2 4 微波暗室的性能 2 4 1 微波暗室简介 微波暗室最主要的用途有两个：一、屏蔽外界电磁干扰；二、吸收并抑制内 部电磁波多路径反射。从而在室内构成了一个接近“自由空间条件一的无回波区 域，满足了功率密度标准的场地要求。 微波暗室的主要结构形式有以下几种：矩形、锥形、纵向隔板形、横向隔板 形、孔径形、半圆形、扇形与复合形等。但实践表明矩形和角锥形暗室优于其他 各种类型，因此，现在建造的微波暗室多为这两种形式。但是锥形微波暗室只能 1 4 系统组成及原理 进行单向、单源测试，且其重点应用频段在l g h z 以下。而矩形微波暗室能避免锥 形微波暗室的这些缺点，它的结构简单、通用性好、两端均可使用。虽然低频性 能比锥形微波暗室差，但频率高于1 g h z 时性能较好h 】 6 】。由于本次功率密度标准 的工作频率为1 8 2 6 5 g h z ，故最终选用矩形微波暗室。 2 4 2 微波暗室的电性能 微波暗室的电性能主要包括：静区的大小和反射率电平、交叉极化度、场强 幅度值的均匀性、多路径损耗以及工作频率范围等。下面逐一介绍。 2 4 2 1 静区的大小和反射率电平( q u i e tz o n ea n dr e f l e c t i v 时l e v e l ) 静区是指微波暗室内受杂散波干扰最小的区域。 静区的大小与暗室的大小、工作频率、所用吸波材料的电性能都有关系，此 外，其还与所要求的反射率电平、静区的形状及暗室的结构有关。对结构对称、 六面铺设相同吸波材料的暗室，静区呈柱状，轴线与暗室的纵轴一致。 反射率电平是反映微波暗室性能好坏的主要指标之一，它的大小直接关系着 微波暗室的性能，影响着测试结果的准确。静区反射电平越低，暗室本身引入的 测试误差越小，暗室的性能就越好。设瓦= l 豆d l 沙为沿暗室轴线方向的入射场： 豆= i 瓦l 沙为由反射、绕射和散射在测量点造成的等效反射场。反射率电平定义 为等效反射场与入射场之比，通常用分贝形式表示如下： 邶冲吨鼯 眨4 ) 2 4 2 2 交叉极化度( c r o s s - p o l a r i z a t i o n ) 交叉极化是指由于暗室几何尺寸不严格对称、吸波材料对各种极化波吸收性 能的不一致，导致电磁波在暗室传播过程中产生的极化不纯现象。用交叉极化度 来表示极化不纯的程度，其定义为正交极化分量与源极化分量的比值。为了保证 一定的测试精度，该值一般应该小于2 5 d b 。即如果待测天线的极化面与发射天线 的极化面正交和平行时，所测场强之比应小于2 5 d b 。 2 4 2 3 场强幅度值的均匀性( u n i f o m 时) 在暗室的静区，沿轴线移动待测天线，要求接收信号起伏不超过2 d b ：在静 区的横截面上，横向和上下移动待测天线，要求接收信号起伏不超过0 2 5 d b 。 2 4 2 4 多路径损耗( m u l t i p a ml o s s ) 多路径损耗是指暗室内电磁波传输路径损耗的不均匀特性。这对圆极化天线 1 5 北京交通大学硕士学位论文 的测量非常重要。如果暗室内路径损耗不均匀会使电磁波的极化面旋转。发射的 虽然是圆极化波，但到接收点后就变成椭圆极化波了，显然会给测量带来误差。 这种不均匀性一般限制在士0 2 5 d b 。 2 4 2 5 工作频率范围( f 嘲u e n c yr a n g e ) 工作频率的下限取决于暗室的宽度和材料的厚度；上限取决于暗室的长度和 对静区反射率电平的要求。 从上述这些特性参数我们不难看出，不同用途的微波暗室，对其性能要求也 不相同。例如测量天线方向图，对其反射率电平、静区特性要求较高。测量天线 极化特性，则对其交叉极化性能有一定的要求。而对于微波场强探头校准，则对 校准距离内场均匀性要求较高。 2 4 3 微波暗室的尺寸 微波暗室尺寸的选择，主要是依据远区场的条件。发射和接收天线之间应该 满足最小测试距离的要求，其距离由天线尺寸d 和工作波长五决定。其中五应取 暗室工作的最高频率所对应的波长，而d 则应该是暗室中使用天线的最大孔径尺 寸。除此之外，还应考虑静区距离暗室后墙应该保l 3