西南交大-天线测量与微波测量课件221

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: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:30％；平时:15％《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)(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(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：⒈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。⒉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(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)θ0/2hR1、天线架设高度:h=(R/2)tg(θO/2)微波测量与天线测量⒉地面反射消除法:(6)⑴二次反射法：≥100二次反射法微波测量与天线测量(7)⑵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(8)⑶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(9)⑷频率调制法：频率调制法fbdfbRfbd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fbd(fbR):通过传输线送来的信号与直射波信号(反射波信号)差拍后产生的拍频信号。(10)二、斜天线测试场：θ0/2绝缘塔架辅待斜天线测试场微波测量与天线测量(11)微波测量与天线测量三、微波暗室（无反射室）：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。⒈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：W≥R/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。(12)微波测量与天线测量⒉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：dt﹤λR/(4dr)式中dt是源天线到側壁的垂直距离dr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λ是天线的工作波长微波测量与天线测量(13)锥形微波暗室的使用受到以下条件的限制:

⑴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;⑵只能作单端测量,不适合测量雷达的散射截面;

⑶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。⒊微波暗室的主要电性能:⑴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≥（Rλ/2）1/2式中R是源天线与待测天线的距离λ是电磁波的波长微波测量与天线测量(14)微波测量与天线测量(15)⑵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。

⑶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。⑷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。微波测量与天线测量(16)⑸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。⑹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。微波测量与天线测量(17)⒋建造微波暗室还需考虑的其它问题:⑴

暗室的屏蔽;⑵吸收材料的选择;⑶配套附属房间与门;⑷通风与照明;⑸走道与检修走廊;⑹安全和消防设施。微波测量与天线测量(18)§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:⑴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;⑵天线上的电流或电场分布并不互易；

⑶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。

微波测量与天线测量(19)§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）。λ/（2π）感应场区辐射场区电小天线周围的场区微波测量与天线测量(20)D2D2/λ感应场区辐射近场区辐射远场区孔径天线周围的场区微波测量与天线测量(21)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900，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：①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；②这些场的相对振幅也随距离而改变。微波测量与天线测量(22)辐射近场区的外边界按通用标准规定为：R=2D2/λ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λ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：①场的大小与离开天线的距离成反比；②场的相对角分布（即方向图）与离开天线的距离无关；③方向图主瓣、付瓣和零值点已全部形成。微波测量与天线测量(23)4、三个场区的讨论:⑴孔径天线产生的场ZXYOSPdsPsrsR=(x2+y2+z2)1/2nθ

(xs2+ys2)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，rs）(xS,yS,0)(x,y,z)ESRrs=[(x-xs)2+(y-ys)2+z2]1/2微波测量与天线测量(24)EP=14π∫SESexp(-jkrs)rs{jk+[jk+(1/rs)]cos(n,rs)}ds……(1)式中：EP—观察点P处的电场;ES—天线孔径面上的电场;rs—源点Ps（xs,ys,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，rs）—孔径面法线与矢径rs之间夹角的余弦。微波测量与天线测量(25)⑵辐射近场区在此区域可作如下近似：①∵k>>1/rs[即rs>>λ/(2π)注:K=2π/λ]∴[jk+(1/rs)]≈jk②1/rs≈1/R(振幅项中）③cos(n,rs)≈cosθ④相位项中的rs不能用R近似,须用下式计算rs=[(x-xs)2+(y-ys)2+z2]1/2

=[x2+xs2-2xxs+y2+ys2-2yys+z2]1/2考虑到R2=x2+y2+z2微波测量与天线测量(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,利用二项式定理将上式展开,并取前两项得rs≈R{1+(1/2){[(xs2+ys2)/R2]-[2(xxs+yys)/R2]}}

＝R-[(xxs+yys)/R]+[(xs2+ys2)/2R]

{注：二项式定理

(1+x)n=1+nx+[n(n-1)/2!]x2+…+{n(n-1)…[n-(k-1)]/k!}xk+…+xn}利用球坐标与直角坐标间的关系:x=Rsinθcosφy=Rsinθsinφz=Rcosθ微波测量与天线测量(27)故rs≈R-(xssinθcosφ+yssinθsinφ)+[(xs2+ys2)/2R]……(2)(注：相位项中的rs)

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：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)微波测量与天线测量(28)在该区域内场随距离的变化有如下特点:

①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;

②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。⑶辐射远场区由于这个区域离开天线更远，相位项中的rs的表达式可以进一步简化为:rs=R-(xssinθcosφ+yssinθsinφ)(∵xs2+ys2<<R)所以这个区域内场的表达式为（由式⑶得出）：微波测量与天线测量(29)exp(-jkR)EP=j2λR(1+cosθ)∫Esexp[jk(xssinθcosφs+yssinθsinφ]dS……(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：①场的振幅按1/R的关系单调地衰减；②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。微波测量与天线测量(30)因为θ=0，故式⑶和式⑷分别变为:exp(-jkR)EP=jλR∫Esexp[-jk(xs2+ys2)/2R]dSs（辐射近场区）′exp(-jkR)EP=jλR∫EsdSs（辐射远场区）如果在辐射近场区内进行测量，则相对误差为δE=EP-EPEP′=1-EPEP′=1-′EPEP=1-∫Esexp[-jk(xs2+ys2)/2R]dSss∫EsdS微波测量与天线测量(31)设孔径场ES=常数,于是得:=1-∫exp[-