（电子科学与技术专业论文）光调制散射器辐射近场测量系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ru s e sa l lo p t i c a l l ym o d u l a t e ds c a t t e r e rs y s t e mt om e a s u r em i c r o w a v e f i e l d 、i t l lm i n i m a ld i s t u r b a n c e n l i sm e t h o di se s p e c i a l l ya d a p tt om e a s u r em a g n i t u d e a n dp h a s eo fm i c r o w a v ef i e l dc l o s et oc o n d u c t o ra n dm i c r o w a v ef i e l dw i t l lc o m p l e x p a t hb e t w e e ns 0 1 1 r c ea n df i e l d s oi t c a nb eu s e dt om e a s u r er a d i a t i o na n t e n n a s n e a r - f i e l da n dm i c r o w a v ei n t os l o t s t h ep r e c i s em e 删e m e md a t ac a nb eu s e f u lf o r a n t e n n ad e s i g na n ds l o tc o u p l i n gs m d d m g t 1 1 i sp a p e rg i v e si t sd e d u c t i o nt h r o u g h r e c i p r o c i t yp r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo ft h eo p t i c a l l ym o d u l a t e ds c a t t e r e rs y s t e m a n a p p l i e do p t i c a l l ym o d u l a t e ds c a t t e r e rs y s t e mi sd e s i g n e da n dp h o t o d i o d e sa l eu s e da s m o d u l a t i o nm o d u l e n l ef f tt r a n s f o r m a t i o ni su s e dt ot r a n s f o r i l ln e a r - f i e l d st o f a r - f i e l d s a no p e ng u i d ea x i sn e a r - f i e l dd i s t r i b u t i o ni sm e a s u r e db yt h i ss y s t e ma n d s i m u l a t i o n e db yi - i f s s ，t w or e s u l t sm a i n t a i nt h eg o o dc o n s i s t e n c y k e yw o r d s ：o p t i c a l l ym o d u l a t e ds c a t t e r e r , n e a r - f i e l dm e a s u r i n g , r e c i p r o c i t yp r i n c i p l e ， p l a n es c a n n i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：础岁月卯日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 垂埠新签名：乒睡 日期： 一年岁月朋日 第一章绪论 第一章绪论 随着空间技术、射电天文和高分辨力雷达的迅速发展，通信设备的不断更新， 对于天线的电参数要求越来越高，天线的增益也要求越来越大，孔径也越做越大， 有的可以大到上千 之多，为了满足远场测试条件，所需测试距离可能达到几十公 里。显然要建设这样的测量场地是不现实也是不可能的。同时在对高精度、高性 能天线的研制过程中，对天线测量的依赖性非常大。当研制一付新型天线的同时；一 就必须提出相应的测量天线的方案。这样，就迫使人们研究新的天线测量方法和 新的测量仪器设备。 从五十年代至今，天线近场测量技术，经历了四十多年的历程，并且由理论 研究进人了大量的工程应用，尤其是近场平面扫描技术，它不仅能够用来测量天 线的辐射特性，而且能够用来“诊断”天线的口面场分布情况，为大型平面阵天 线的设计、研究提供可靠准确的设计依据。平面近场测量技术主要具有如下的优 缺点：1 1 卅 平面近场扫描技术的优点： ( 1 ) 近场测量系统需要的场地小，可在实验室内高精度进行测试工作。 ( 2 ) 所需数据被表示为m a x w e l l 方程的精确复矢量解的线性组合，而未引入 小角度、标量或克希荷夫绕射理论近似性，精度高。 ( 3 ) 微波暗室中存在着的地面反射和掠角反射均可忽略。因为待测天线和探 针彼此十分靠近，吸收材料基本上可以垂直于辐射方向放置。因此，信躁比高， 随机误差和环境噪声低。 ( 4 ) 给出的信息十分详尽，例如远场振幅或极化特性通常可以在上万个方向 上给出来。 ( 5 ) 使用计算机后，在相同测试精度条件下，近场扫描技术测试场所需的费 用远低于远场测试场。 ( 6 ) 近场扫描方法几乎与地面湿度、大气气候条件无关，因此可以用来测试 在大气吸收波段的天线之辐射特性。另外还可以全天候工作。 ( 7 ) 一个完整的卫星可以考虑为一副天线。这样，卫星其它部分的散射都自 动包含在测试中了，可利用扫描技术测取和计算包括天线在内的整个卫星的特性。 缺点： 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 待测量天线特性不能实时获得。 ( 2 ) 频率很低时( 低于几百兆赫) 由于微波吸收材料的反射特性变坏而限制 了扫面方法的使用。 ( 3 ) 频率很高时，作为位置的函数的相位测量变得更加困难。 ( 4 ) 在进行大电尺寸天线扫描测量时，需要测量和处理的数据量很大。 1 1 光调制散射器近场测量技术的基本概念 任何测量近场分布的方法却都不可避免地会引起场分布变化：传统的近场测 量方法是用天线或者波导作为探头通过一定长度电缆或波导与接收机相连，由于 天线探头和波导都是导体且相对于波长来说，其大小也是可以比拟的，故对被测 场的影响是显而易见的。如果天线探头远离辐射天线或者反射体，则天线的影响 可以忽略，但是由于如下原因，使得其在近场测量中难以提高准确度。 首先：天线探头与导体之间会形成驻波，改变原来的场分布。其次：由于在 天线附近，场分布变化剧烈，传统的方法因为天线探头其尺寸与波长可以比拟， 故导致其空间的分辨率不够。再次：在天线近场区，辐射与反射场的方向复杂， 导致天线探头随入射波角度的变化其增益也相应的发生改变，如果不知道入射波 角度，则会导致测量的不确定性。 为了克服以上问题，一种新的近场测量技术：光调制散射器近场测量技术被 提出来 5 - 6 1 。其基本原理为：天线探头被散射器取代，散射器中间为光电开关或者 光电二级管，并有两导体臂与之相连，天线产生的近场在散射器的扰动下，散射 回散射信号，因为散射器通过光进行了调制，所以反射回的信号带有调制信号， 与环境等反射信号相区分。通过检测散射信号即可得到近场的信号。 通过互易定理可以知道【7 l ，源s 在场p 点产生的场经散射器散射后回到s 的 散射信号和p 点的场值是成正比的。为了将微弱的散射信号从其它的相同频率的 反射信号中分离出来，在散射器的中部连接光电二极管，通过控制光电二极管， 改变整个散射器的阻抗特性，达到对散射信号调制的目的。在接收端，通过解调 就可以只得散射器散射回来信号。因此光调制散射器测量除了具有传统的近场测 量技术的优点外，还具有传统近场测量方法不具有的优点。首先，探头可以作得 很小，因此探头对被测场的扰动也就很小。其次，没有任何的金属和探头相连， 故连接物对场的扰动也降至很小。同时，由于互易原理的应用，即使散射器与发 射接收天线之间存在复杂路径，测得的值也是准确的。如果采用两个不同长度的 2 第一章绪论 散射器进行联合测量，还可以将散射器与环境之间的多次反射对测量的影响消除 掉。 光调制散射器近场测量方法由于其对场的扰动很小的优点，使得其在近场测 量中较其它测量方法具有非常大的优势，因此该方法一直为国外在天线测量中重 点研究的课题”1 。随着科学技术的发展，调制散射器技术也从原来的机械式调制 向电调制”卅、光调制“划的方向发展。电调制的散射器测量方法由于仍然采用电缆 连接探针与测量设备，故主要用于电路等的辐射近场测量。而光调制的散射器测 量方法o p t i c a l l ym o d u l a t e ds c a t t e r i n gt e c h n i q u e ( 0 m s n 由于没有了电缆连接，进 一步降低了探针对被测场的影响，故在天线的近场测量中得到了大量的应用和发 展6 】【l l 】【1 2 】 1 3 】【1 4 】 1 5 。也适用于导体附近场的测量。同时散射器测量法应用范围还在 不断的扩大，如建筑物水泥中的钢筋环境的无损检测“”“7 1 等应用中。 在微波孔缝耦合效应实验研究中测量位于腔体内部的场时“”2 。因为光调制散 射器对场的扰动小的优点，非常适合应用到这类测量中。 光调制散射器的探头为一细小的直线，测量得到的场值极化方向为与散射器平 行的方向，故通过改变散射器的方向就可以测量场不同极化方向的值。通过测量 一个面内两个垂直的方向场值即可得到该场在该平面的极化方向，因此，可用于 圆极化波的测量。因此，较传统近场测量方法，光调制散射器近场测量技术主要 优点为： 探头本身很小，且无电连接故对场的扰动小； 探头的几何尺寸小故空间分辨率高； 可用于导体附近场分布的测量：如孔径内部，波导内部；导体周围场分布： 微波效应中的孔缝耦合场分布的测量； 成本低于常规的近场测量系统： 对被测量场的传播路径没有要求，可以测量复杂路径分布情况下的场分布； 由于探头很小重量轻，故对夹具的设计要求更低，可以采用非金属的材料 来实现，进一步减小了对测量场的影响； 较传统近场测量方法，光调制散射器近场测量技术主要缺点为： 技术还处于发展阶段，其相应的误差及数据处理方法还需要进一步完善； 由于测量场值和电压值为平方根的关系，使得要达到和传统测量方法相同 的动态范围和灵敏度则需要更精密的仪器设备； 不能测量场分布的绝对值，只能测量其相对值。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 光调制散射器测量技术的理论基础 光调制散射器测量的理论基础为互易原理，下面将从场的互易原理和等效偶 极子天线的互易原理出发得到光调制散射器测量技术的理论基础 ”。 1 2 1 利用场的互易原理推导 图1 - 1 互易原理作用空间 如图1 1 所示：s i 表示一无穷大的面，把天线及发射传输装置和散射器包围在 里面。s h 包围了天线和发射传输装置，分为s h 和s 肌s d 为包围散射器的面。在 由s i 、sh 、s d 包围的体积v 中，为线性无源媒质，故l o r e n t z 互易原理可以写 为： ( i 面：) d j = f ( 罾z 膏) d s ( 1 - 1 ) 设e 、日为天线通过sh 1 面向体积v 中发射的场。e 2 、h z 表示由位于s d 面包围的体积v 中心处的一个无限小的偶极矩矢量砑在体积v 中产生的场。在天 线与传输发射系统匹配的情况下，传输系统产生的波为向外的行波，没有反射波。 将( 1 - 1 ) 式在各个面上展开得到： 4 第一章绪论 5 f “s d s i l i - 2 ) j ( i z 耳- ) d i + f ( 夏珥) d i 、 在s l 上，由于为无穷大面，所以为球面波，因此有： 赢一叔面j 等 ( 1 - s ) 夏一叔赢侩 ( 1 - 4 ) 二为s 。面的向外的法向矢量。因此有下式成立： 西西痴面廊矾居娟西m 1 ) 厣 ( 1 - s ) ( 己厢2 ) 痱叱叔一1 ) 痂二居书西南鳓厣 ( 1 _ 6 ) 由( 1 - 5 ) 、( 1 - 6 ) 可得： 胸一h z ) d i = f ( 云：赢) t d s o却 r 1 7 、 在s h 面上，因为s h 为理想导体，故电场e 没有切向分量而只有法向分量， 可以写为西= 施，则： ( e 。h z ) d s 2 骂研。日2 ) 。础2 巨q h ) h 2 d s = 0 ( 1 - 8 、 ( e 2 。h 1 ) d s 2 巨0 。h ) n d s 2 岛研月) h l d s 2 0 ( 1 - 9 、 在计算s n ，面上的积分时，需要考虑波导里面的场分布，因为在实际应用时， 传输波导一般工作在主模式下。这里采用的是b j l 0 0 波导，其工作主模式为h 模， 其坐标设为如图1 - 2 所示。设波导中传输h o 。模( b a ) ，则场分布为： 疋2 州8 血印，b = e = ，厅：洒z 0 ：；。e ；z 0 设面- = 吾- ：= a w = a j s i n ( 三，) ；e 一：一e ：。：b w ：髟s i n ( _ 2 g y ) x ，其中a 为向外 传输的电场的模系数，w 为位置的函数。b 为散射器散射的向内传输的电场的模系 电量壁垫奎兰堡圭兰垡堡壅 一一一 ，_ 一一 数。则： 耳1 ：正w ) a z o ( 1 1 0 ) 耳2 ：一( ；w ) b z o ( 1 - 1 1 ) ( 1 1 1 ) 式中的负号是由于b 为向波导内传输的行波，故方向为一z 。s h 面上 的积分为： j 西一h z ) 面= 一删jj i ( ；：动缸 ：一a b y of ( ；动( ；动出= - a b y o w 2 出( 1 - 1 2 ) j 。 j h 刊口kj ( j s i n ( 釉出= 碱警 同理： j ( - e z 耳- ) 面= 爿占叫。矿出= 一一曰e 。a 2 b ( 1 - 1 3 ) 在s 。面e ，利用高斯定理有： j ( 罾- 面z ) d j = p ( 孟一h z f v = j ( 耳：。v 吾，一面- 。v 西z ) 咖 1 1 4 在体积v 中，v e = j c o k t 。t ，v 22 ，+ 嬲。b 。其中，是和散射器上 一一一 一一 一 电荷的振动相关的。将上两式带入到( 1 - 1 4 ) 式中，有： 肛一h ：) - 面= j ( - j m k t o 再r 百z j c o e o e ，一e ：一一e ，- 一1 ) 咖 1 。1 5 而v h t 5 j 雠o b ，因为与在体积v 内没有之相关的电流。因此： f ( 罾：一t l 。) d j = f ( - j c o a o h t 一h z j c o b o 罾z ) d r ( 1 1 1 6 ) ，： v 由( 1 - 1 5 ) 、( 1 - 1 6 ) ( 罾，吾z 一面2 面1 ) d j = 一：f e t j 咖 ( 1 1 7 ) 根据假设电流密度了分布于一很细的导线上，设导线方向为：，贝0 3 = s , ，设 电场苔。在体积v 内为常数。因此，可以得到： 6 第一章绪论 且西， v 了) 咖= ：面f j d v = ：面( 刀) = ，嘶正秀 ( 1 1 8 ) q 正即为偶极矩m ，则 肛一h ：- 一e ：一h ，) - d i = 一，面一e t s d ( 1 1 9 ) 由以上各式司以得到： 爿b y o a 6 2 m e 1 ( 1 - 2 0 ) 因为蜀和a 是线性关系，故e t 可以表示为a 与分布函数的关系： e l2 a f ( x ，y ，。故： b 2 ( j w z 。a b ) m f ( x ，y ，z ) ( 1 2 1 ) 因为这里的m 一由电场面。极化散射器产生，方向为沿散射器方向，且假设电场 在散射器位置大小不变，因此：m 大小与电场e t 的大小成线性的关系，可以写为： m = 口 蜀) = a a u f ( x ，y ，z ) j ( 1 - 2 2 ) 其中口表示散射器的极化率，在电场e ，在v 中为常量的假设下，a 只与散射 器本身特性有关，与所处的电场大小无关，表征散射器自身的特性。最后得到： b ：彳( 坦譬鱼) ( ：i f ) ： ( 1 - 2 3 ) a o 所以返回波导的电场散射信号的大小反映了天线发射的信号在散射器位置电 场信号大小的平方。通过测量散射信号，即可以检测天线场分布。 z 图l _ 2b j l 0 0 波导坐标系统 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 利用偶极子及互易原理推导。1 。：夕 r 图l - 3 偶檄于等效不蒽图 如图1 - 3 所示，把微波源等效为一个位于r = r l 的偶极子只= l p te 一，其在自 由空间r = r 2 处产生的电场为e 。：= 口，只，口。为一复常标量。设散射器位于i 2 处，由 于散射器的影响，这时r 2 处的场强变为e 2 ，设散射器等效的偶极子的强度为p z ， 则在r 2 处的实际的场为p i 和p 2 共同产生的合成场，即为： e 2 = d l 置+ 屈只 f 1 - 2 4 ) b2 表征p 1 = 0 ，即没有天线时，散射器和其周围环境的关系的复常标量，为 r 2 的函数。对称地我们可以写出r = r l 处的场强为： 巨2 口2 e 2 + 履只 f 1 - 2 5 ) b - 表征p ：一。时天线和其周围环境的关系的复常标量。为r ，的函数。又由互 易原理可知： e a 2 p 2 = e 2 1 只 f 1 - 2 6 ) 将e - z2 口- e 、e 2 ，2 0 2 两式带入( 1 - 2 6 ) 式可以得到： 口只是= 口2 b 岛 ( 1 2 7 ) 故有： 口1 = 口2 = 口。所以( 1 - 2 4 ) 、( 1 - 2 5 ) 式中的啊和口2 为同一参数，设 为瑾。 由于散射器被低频调制，故可以设p 2 与e 2 的关系为： b = e ( c o l t ) e 2r1 - 2 8 ) 8 ( 0 4 t ) 为散射器的极化率，因为采用了低频调制，故为时间t 的周期函数。调 制角频率为0 j l 。由( 1 - 2 4 ) 、( 1 - 2 8 ) 式可得： 第一章绪论 只：竺! 竺! ! 墨( 1 2 9 ) 1 一一 、i 。 1 一屈s ( c o l f ) 由( 1 - 2 9 ) 、( 1 - 2 5 ) 可得： n：竺塑竺塑+pip,z,l ( 1 3 0 ) 一( 1 - ( c o , t ) f 1 2 ) + 。” 因为：e , 22 a p , ，将其带入( 1 - 3 0 ) 式，可以得到： 一2 , 1 ：善燃+ 届墨 一币= i 面历+ n ( 1 3 1 ) p 为表示微波源的分量，为不变化的常量，当b 。= bz = 0 即表示不考虑外部 环境影响时的简单情况。b 。p 。表示在没有散射器存在时也会由外部环境反射回去 的微波成分，是没有调制分量，相对应于混频器中出来的直流分量。散射器与周 围环境的相互作用由b2 反映，同时其对e l 的影响还会受极化率参数e 。t ) 的影 响，故( 1 - e 1 t ) 1 32 ) 反映了考虑周围环境和散射器相互作用时对e l 的影响。由于 对散射器进行光调制就相当于改变e ( o j l t ) ，如果只取测量结果的交流值，故最后 经过解调后测量得到的为e 1 的变化量e l 。 由( 1 - 3 1 ) 式知，如果不考虑环境的影响，设测量得到的交流值为e ，则 e ：a e l 。型：型掣：a k ( i e 圳儿川) p l1 只ie p a t “ ( 1 3 2 ) d 。= 生( 1 3 3 ) 1 一鹕 a k ：一兰一r 1 - 3 4 ) i 鼻l 其中e 为被测场点的相位，山为发射源的角频率。如果不考虑环境和散射器之 间的相互影响( 如多次反射) ，则由( 1 - 3 2 ) 式可以看出检测到的e 幅值与被测量 场值e 1 2 的幅值的平方成比例的，相位值应该为被测场点相位值的2 倍。与前面用 场的互易原理得到的结果是一致的。 当散射器很接近天线或者导体周围，或者散射器本身的几何尺寸较大时，散 射器与周围环境之间的相互作用较显著，不能再用公式( 1 - 3 2 ) ，而还应该用( 1 - 3 3 ) 式对结果进行修正。因为( 1 - 3 3 ) 中的只和散射器有关，1 3 只和空间位置有关， 与散射器无关，故可以通过用两个不同的散射器对同一场进行测量，从而消去b ， 求得e ，这将在后面3 2 节的数据处理中进行详细讨论。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 小结 光调制散射器近场测量技术以互易原理为基础，测量天线与被测量天线采用 同一天线，使用了单站式的测量方式，散射器采用光调制，这些措施最大限度地 减小了探头对被测量场的影响。通过场的互易原理和等效的方式的互易原理都可 以得到，被测场点的场值的平方与散射回接收装置的场值成正比。即：矿：以z ， v 为接收装置处的电压值，e 为被测点的场值，都为复数，包含了场值的幅度和相 位信息。 第二章光调制散射器测量系统设计 第二章光调制散射器测量系统设计与研制 2 1 总体系统 参 考 信 号 辐射场幅 相检测仪 0 0 9 0 信 号 发射信号 j 1 散射信号 计算 机控 制信 丐 待测 天线 计算机控制信号 光调制 散射器 聚四 乙烯 质支 杆 计算机 x y 面 扫描台 1 0 k h z 激光调 制信号源 图2 - 1 光调制散射器测量系统框图 调 制 信 号 由前面的推导得到了被测量场点的电场值与返回传输系统中的电场值之间有 1 一 关系e = 矿。因此检测v 值，即可以得到e 值。根据这一理论得到了近场测 4 c 量的系统框图如图2 一l 所示。 整个系统由辐射场幅相检测仪、待测天线、光调制散射器、x y 面扫描台、 1 0 k h z 调制信号源、计算机等六个单元组成。各个单元的基本功能如下： 辐射场幅相检测仪：用于产生激励天线的微波信号源，内置信号源的频率为 1 0 g h z ，也可外接频率为8 - 1 2 g h z 的信号源。通过变频，将散射回的微波信号变 为与调制信号频率相同的1 0 k h z 的中频信号，中频信号通过进一步的放大滤波， 再通过锁定放大器，得到直流信号v ，直流信号通过a d 变换并采样，送入计算机， 电子科技大学硕士学位论文 在计算机中进行相应的计算和处理并显示结果。 待测天线：被测量的天线( a u t ) ，用于发射微波到空间，并接收散射信号。 光调制散射器：在激光调制信号的作用下，通过光调制散射器中部位置的光 电二极管以1 0 k h z 的频率开断，从而改变散射器的阻抗特性，则可使微波信号被 1 0 k h z 的信号调制，从而从散射器散射回天线的微波信号与环境反射信号具有不 同的频率，故可以容易地将散射信号与反射信号相区分。 x y 面扫描台：通过聚四氟乙烯介质支撑杆使光调制散射器在垂直天线口径的 一个近场面内运动，有效行程为i 0 0 0 1 0 0 0 m m ，最小步距小于l m m 。 1 0 k h z 激光调制信号源：用于产生光调制散射器用的调制激光源和用于检测 用的参考信号。 计算机：用于控制x y 面扫描台的扫描路径：控制输入计算机的信号为0 0 信 号，还是9 0 0 信号；采集检测到的场值信号，进行数据处理，得到测量点场的相对 幅度和相位；显示幅相场分布；用f f t 变换得到远场方向图。 2 2 光调制散射器的设计 散射器是一个小的偶极子，散射器长度通常做成小于 2 ，中间用光电二极 管连接，激光源通过光纤照射到光电二极管上，使其按一定的频率导通和截止， 从而使偶极子的阻抗也随相应的频率改变。 早期探头采用光电晶体管作为调制单元，使其调制频率限制于l k h z 以下，后 来的探头为采用光电二极管的s c h o l t k y 电桥形式，后来发展为g a a s 光敏开关，它 们都可以被更高的频率调制，典型的值为1 0 k h z ，因此提高了系统的动态范围和优 化了噪声性能。国外用光电晶体管作为调制单元的测量系统动态范围水平为： 2 3 d b ，用光电二极管作为调制单元的测量系统动态范围水平为3 8 d b ，采用g a a s 作为调制单元的测量系统动态范围水平为大于6 0 d b 】。因此g a a s 光敏开关的性 能大大优于光电二极管，由于这里考虑到成本上的因素，采用了光电二极管作为 调制单元。通过实际测量，系统的动态范围也可以达到3 5 d b 以上。 由前面推导知道，散射器应该尽量设计得短而细，但从实际角度考虑，不可 能无限的细和小。所以在决定散射器长度时应该从实际出发进行综合性的考虑。 散射器的长度设计得相对较长时，可以获得高的灵敏度，但散射器与测量环境之 间的作用也会相应增强，这方面的误差也会相应增加，设计得相对较短时，可以 获得高的空间分辨率和小的误差，但同时其灵敏度也会降低。在设计中，应该对 1 2 第二章光调制散射器测量系统设计 二者兼顾考虑。由于所测量的场的频率为8 - 1 2 g h z ，故将偶极子的长度设计成 1 0 m m ，如图2 2 示。散射器中间部分的光调制单元为四个光电二极管，总长为 1 4 m m ，与之相连的金属丝直径为0 5 m m ，光电二极管与金属丝用介电常数接近于 1 的绝缘物质粘贴在一起。光电二极管通过四根普通多模光纤与激光源相连。中间 部分光调制器件如果采用g a a s 光导开关，可以达到更高的调制频率，使测量的误 差更小。可是鉴于目前制造g a a s 光导开关费用太高，所以先期采用了光电二极管， 其工作频率采用1 0 k h z 。 粘贴 r 似1 ， 泌1 牛 、 一卜d 卜 、 光纤 图2 - 2 光调制散射器结构 l o 5 m m 弋 i 电子科技大学硕士学位论文 2 3 微波系统设计 图2 - 3 光调制散射器实物图 图2 _ 4 辐射场幅相检测仪 1 4 第二章光调制散射器测量系统设计 如图2 - 4 所示，微波系统中设置了两路信号源，一路为内置源，一路为外置源。 内置源为点频源，工作在1 0 g h z ，通过介质振荡器产生。另一路为外置源，产生8 1 2 g h z 的信号。内置源主要用于系统设计时的初期调试，如果在实际测量时天 线工作在1 0 g h z 或者只测量1 0 g h z 这一点频的性能时，可以直接使用内置源，而 不需要外置源。内置源与外置源的转换是通过连接或者断开面板处的两个s m a 接 头完成的。如果将“r f 内”与“r f 外”两个s m a 接头直接用同轴线连接，则这 时系统采用的为1 0 g h z 内置源，如果将“r f 内”与“r f 外”两个s m a 接头断 开，不连接。在“r f 内”接头处连接一个匹配负载，在“r f 外”接入外置源， 则输入系统的信号为外置源信号，系统按外置源信号的频率工作。 微波源出来的信号通过一个电调衰减器输入到放大器段，这里电调衰减器主 要用于调节输入信号的大小。 放大器将电调衰减器输出端的微波信号进一步放大，使输出2 2 d b m - - 2 0 d b m 的信号。当内置源工作时，输出功率主要通过电调衰减器调节，当工作在外置源 的方式时，输出功率可以由电调衰减器也可以由外置源调节。考虑到放大器的线 性，一般应使输入到放大器端的微波功率在0 1 0 d b m 之间。 因为不仅要求检测信号的幅度还要求检测信号的相位，所以这里用9 0 度功分 器产生两路正交的参考信号，分别与散射信号进行混频。混频器的本振功率要求 为1 0 d b m ，由9 0 度功分器的两路输出产生。由于放大器端输出信号在2 2 d b m 到 2 0 d b m 的范围，故定向耦合器可以采用1 0 d b m 定向耦合器，9 0 度功分器的输入端 信号大小就为( 2 2 d b m - - 1 0 d b m ) = 1 2 d b m 到( 2 0 d b m - - 1 0 d b m ) = 1 0 d b m 。故 9 0 度功分器输出端的参考信号的大小就为( 1 2 d b m - - 3 d b m ) = 9 d b m 到( 1 0 d b m 一3 d b m ) = 7 d b m ，基本满足混频器本振的需要。 返回的微波散射信号也是通过定向耦合器得到。起初的设计为微波散射信号 的检测也用一单独的3 d b 的定向耦合器得到。设输入到定向耦合器的发射信号为 a d b m ，则通过3 d b 耦合器后，发射到待测天线的信号为( a 一3 ) ，设信号在空间传 输及散射器散射后的衰减量为b d b m ，则散射信号返回到定向耦合器的功率为( a 一3 一b ) ，通过定向耦合器和功分器后到达混频器端的信号功率则为：( a 一3 一b - - 6 ) = ( a b 一9 ) 。但是在作开口波导近场测量试验的过程中，多次发生混频器 出现莫名其妙的烧毁现象，起初一直无法找到原因，后来经过仔细分析，知道了 问题的原因，是因为这里的功分器采用3 d b 定向耦合器，在一定程度上能最大限 度的将散射信号耦合出来，但是，由于开口波导本身的反射是很大的，同时当散 射器放在开口波导很近时，其对1 0 g h z 信号的反射也会很大，故这时通过3 d b 定 电子科技大学硕士学位论文 向耦合器耦合的1 0 g h z 信号就会很大，甚至超过混频器的工作范围，使其烧毁。 采用1 0 d b 定向耦合器后，这时返回到混频器端的散射信号为：( a b 1 3 ) ，虽 然散射信号比原来采用3 d b 定向耦合器时少了4 d b m ，但是也同时减小了反射的 1 0 g h z 信号，保护了混频器。当然这里为了保护混频器，使用耦合度小的定向耦 合器，是以牺牲系统测量的动态范围为代价的，为了得到动态范围更大的系统， 可以选择性能更优的，动态范围更大的混频器。 在该微波系统的设计过程中，除了考虑各微波器件的工作带宽应在8 - 1 2 g h z 以外，由于要产生两路微波信号，还应该考虑各器件的对称性能，如两混频器的 各种性能尽量一致，连接两路信号的同轴电缆线做得尽量长短一致。9 0 度功分器 的移相性能尽量在9 0 度和其功分性能尽量能保证分到两路的信号大小致。 2 4 前置低噪放大器的设计 图2 - 5 幅相检测仪 低噪放大器即噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或 6 第二章光调制散射器测量系统设计 中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场 合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提 高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数f 来表示。 理想放大器的噪声系数f = l ( 0 分贝) ，其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。 现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用 变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度死可低于几十度( 绝对温度) ，致冷 参量放大器可达2 0 k 以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已臼益 广泛，其噪声系数可低于2 分贝。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及 信源内阻有关。在工作频率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直 流工作点有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极级联 的低噪声放大电路。 这里混频器出来的中频信号即1 0 k h z 信号，为调制散射信号，十分微弱，当 在散射器位于开口波导口面处时，直接利用示波器对该信号进行了测量，其为 0 5 m v 的方波信号。因此需要对该信号进行放大。根据对级联网络各级的噪声贡 献的研究，可以得出这样的结论，即主要的噪声源是第一信号处理级。如果第一 级的功率增益很大，电路其它部分的哄声贡献可以忽略不计。例如对于三级级联 网络，系统的噪声系数可以表示为 2 2 ： f ：f + 型+ 型( 2 1 ) 1 g 1g 1 g 2 其中f 为级联系统的总噪声系数，f 、e 、只分别为第一、二、三级网络的 有效功率增益，当第一级的增益较高时，系统的噪声系数主要受第一级网络的噪 声性能的影响。因此，需要设计一个低噪声的放大器，用于对混频器的中频信号 进行放大。如前所述性能好的低噪放大器一般都是采用分离元件，但是随着集成 电路技术的发展，也出现了很多性能很高的集成电路的低噪声放大器芯片。这里 选用的美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，i n c ，简称a d i ) 的具有超低噪音d b 线性的v g a 芯片a d 8 3 3 l 作为低噪声前置放大器，简化了设计，也达到了不错的 效果。 电子科技大学硕士学位论文 弹0 l c 呲 i - l l t 瑚d 瞄p p 枷鞋獬忧一 括i o 0 翻幽_ le 瞄l 髓v h 髓 蓝 图2 - 6a d 8 3 3 1 系统图 如图2 - 6 所示a d 8 3 3 1 实际包含两极放大器，前级放大器l n a 为低噪放大器， 后级放大器v g a 为可变增益放大器。前级放大器其噪声电压( v o l t a g en o i s e ) 为： k = 0 7 4 n v 压z ，噪声电流( c u r r e n tn o i s e ) 为：l = 2 5 p a 压z ；3 d b 带宽为 1 2 0 m h z ；功耗为1 2 0 r o w ；后级放大器的增益范围为：一4 5 d b 到4 3 5 d b 或者+ 7 5 d b 到q - 5 5 d b 。典型的输出噪声为：4 8 n 矿瓦。电源为5 v 单电源供电。其低 功耗和单电源供电的特性，使得电源可以单独采用电池供电，提供更好的噪声性 能。 由电路理论可以知道，噪声系数的最小值出现在r = r o 。r 为源电阻，r 0 为 最佳源电阻，最佳源电阻r ，不是功率传输最大时的电阻，也和放大器输入阻抗互 之间没有直接关系，只是由放大器的噪声机构决定的，它导致最大的信噪比。而 最佳功率传输只是信号最大。放大器的输入阻抗受到电路的状态( 比如反馈) 严重影 响。但是反馈不影响放大器的噪声( 反馈电阻本身产生的噪声除外) 。在分离元件 设计低噪声放大器时，可以通过调节分离器件的工作点使得足= r o ，从而得到最 优的低噪放大器。a d 8 3 3 1 通过设计r 。的电阻值来完成该阻抗的匹配。其计算公 式为： 羲60囊蓍 第二章光调制散射器测量系统设计 如= 鲁怕胁罴安 沼2 ， a 为a d 8 3 3 1 的前放处于单端口输出时的增益，其值为4 5 。这里混频器输出 电阻为5 0 0 f ) - - 7 0 0 q ，这里选择6 0 0 q 作为混频器的输出电阻，代入到( 2 2 ) 式， 可以得到： 2 面3 3 k f f 2 面x r i = 鬻_ 3 s 七q ( 2 3 ) 通过调试最后选择r 目的电阻值为3 3 k f 2 。 输入端并联电容c 岛用于消除在高频时由于负载失配时可能产生的尖峰，其值 通过下表选择： 表2 - 1c s m 值与r 口及关系对照表 r 矾( q )r v b ( q )c s h ( p f ) 5 02 8 02 2 7 5 4 1 21 2 1 0 05 6 28 2 0 01 1 3 k1 2 5 0 03 0 1 k无 6 k无 由于r v b = 3 3 k f 2 ，所以由上表可知，这里不需要c 晶。 为了保证系统稳定性，在驱动大电容负载或者驱动的电路在其它电路板上时， 推荐在输出端串入电阻。对于工作于l o ( 低电平) 模式时，推荐串入8 4 5 q 的电 阻，对于工作于h i ( 高电平) 模式，推荐值为1 0 0 q 。因为工作于h i 模式。所以 这里选择在v o h 和v o l 端都串入1 0 0 q 的电阻。 a d 8 3 3 1 增益是通过h i l o ，m o d e 和g a i n 三个管脚共同决定的，h i l o 和 m o d e 为数字逻辑信号，用于确定a d 8 3 3 1 中后级可变增益放大器v g a 的工作模 式，g a i n 脚的电压与放大器的增益呈线性d b 的关系。如图2 7 所示。计算公式 为： 电子科技大学硕士学位论文 lj m e = h i 、 壕- = ： 例l 日目q ， 。_ 、一 ，嘲田2 h i 、 07 一 、 2 0 m m s 。 图2 1 2 聚四氟乙烯介质支撑杆及扫描架实物图 电子科技大学硕士学位论文 2 9 软件设计 软件采用面向对象的编程语言编写，适用于w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w sm e 、 w i n d o w sx p 等操作系统。主要包括了手动数据采集、稳定性自动测量、自动数据 采集等功能。 2 9 1 手动数据采集 手动数据采集实现数据采集控制完全通过操作者在测试过程中一步一步的控 制完成，可以实时修改采样点数、采样频率、采集卡量程、采样显示0 度信号幅 度和相位、采样9 0 度信号幅度和相位、设置测量点位置。给操作者提供极大的灵 活性。手动采集有完全手动方式和不完全手动方式，完全手动方式的探头位置需 手动移动。不完全手动方式探头移动通过界面上的按钮及设置值控制步进电机运 动实现。 图2 1 3 完全手动方式控制界面 第二章光调制散射器测量系统设计 图2 1 4 不完全手动方式控制界面 2 9 2 稳定性自动测量 该功能实现测量系统稳定性的自动测量，可以得到测量时间内幅度的最大变 化值、相位变化的最大值、幅度相位变化的实时曲线、测量时间等参数。 图2 1 5 稳定性自动测试界面 3 3 电子科技大学硕士学位论文 2 9 3 自动数据采集等功能 自动数据采集完成全自动的平面近场的扫描功能，目前实现的主要有：数据 采集卡参数设置、扫描路径设置、步进电机工作方式设置、电机运行监视界面等 功能。如图2 1 6 示采集卡设置界面用于采集卡的初始化设置；图2 1 7 为扫描设置 界面，用于平面扫描路径的设置，生成步进电机步进的控制矩阵，该矩阵记录了 每- - n 量步步进电机应该走的步进数，以及相应的位置坐标矩阵；如图2 1 7 所示 为扫描架参数设置界面，用于步进电机工作方式的设置，主要为微( 细) 分工作 方式的设置，使软件与相应的电机驱动器硬件设置相一致，以及设置计算机控制 脉冲的速率，控制调节电机扫描的速度；2 1 8 图为测量界面，用于实时监视电机 运行情况，扫描的进度。 图2 1 6 采集卡设置界面 第二章光调制散射器测量系统设计 图2 1 7 扫描设置界面 图2 1 8 扫描架参数设置界面 3 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 9 测量界面 2 9 4 三维显示界面设计 为了将测量得到的场比较直观的显示出来，除了2 维的数据显示功能外，软 件还实现了三维结果显示功能。采用了o p e n g l 技术，o p e n g l 是一种三维图形开 发标准，是从事三维图形开发工作的必要工具，其稳定性、可靠性、可扩展性等 特点，赋予了其强大的生命力和应用前景，o p e n g l 已经广泛应用于在 c a d c a m c a e 、医学图像处理、虚拟现实、娱乐、广告等领域。1 9 9 2 年，o p e n g l 正式成为适用于各种计算机环境下的三维应用程序接d ( 3 d a p i ) 。目前，它已经成 为国际上通用的开放式三维图形标准。作为一个优秀的三维图形接1 ：3 ，o p e n g l 提 供有丰富的绘图命令，利用这些命令能够开发出高性能、交互式的三维图形应用 软件。 本文绘制出来的三维近场图可以绕x 、y 、z 轴进行3 6 0 度自由旋转，也可以 使三维图沿x 、y 、z 轴三个方向同时进行相同比例缩放。 第二章光调制散射器测量系统设计 图2 2 0 以平面彩色云图显示场分布 图2 2 1以三维曲面显示场分布 以上为模拟一余弦场分布的三维显示，图2 2 0 为以彩色云图的形式显示的场 电子科技大学硕士学位论文 分布效果，不同的颜色代表了不同的场值。图2 2 1 为以三维形式显示的同一场分 布，场值用高度和颜色同时表示。因此通过o p e n g l 技术，为测量结果提供了非 常直观的显示方式。 2 1 0 小结 根据由互易原理推导出来的结论：接收电压与测量场点电场值存在的关系 矿= 以2 ，设计了近场测量系统。完成了微波系统、中频信号电路、平面扫描架、 介质夹持支杆以及数据处理软件和控制软件的设计。设计过程中微波电路器件尽 量选用了对称的器件；为了将微弱信号检测出来，采用了自相关的检测技术，即 用锁定放大器对中频信号进行处理，同时中频出来还用了一个可变增益