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1、微波测量与天线测量微波测量与天线测量教材：教材： 微波测量与天线测量微波测量与天线测量(1) 微波测量与实验教程微波测量与实验教程 哈尔滨工程大学出版社出版哈尔滨工程大学出版社出版 天线测量手册天线测量手册 国防工业出版社出版国防工业出版社出版参考书参考书: :现代微波与天线测量技术现代微波与天线测量技术 电子工业出版社出版电子工业出版社出版1注意注意：缺：缺5次课及以上者平时成绩记零分！次课及以上者平时成绩记零分！成绩评定：成绩评定： 理论理论:55:55 ； 实验实验:25:25 ； 平时平时:20:20( (含中期含中期 考试考试1010） 微波测量原理微波测量原理 西安电子科技大学出版
2、社出版（研西安电子科技大学出版社出版（研） 天线测量技术天线测量技术 电子科技大学出版社出版电子科技大学出版社出版微波测量与天线测量微波测量与天线测量(2)2(3)第一部分第一部分 天线测量天线测量概概 述述天线测量的主要任务：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微波测量与天线测量3(4)第一章第一章 天线测试场地的设计和鉴定天线测试场地的设计和鉴定1.1 1.1 概述概述天线测试场地的分类：天线测试场地的分类：自由空间测试场：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。反射测试场反射测试场：就是合
3、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微波测量与天线测量4(5)1.2 几种常见的天线测试场几种常见的天线测试场一、高架天线测试场：一、高架天线测试场：平坦地面平坦地面辅助天线辅助天线(发发)待测天线待测天线(收收)0 0/2h hR R1 1、天线架设高度天线架设高度: :h=(R/2)tg(h=(R/2)tg(O/2)微波测量与天线测量微波测量与天线测量5地面反射消除法地面反射消除法: :(6)二次反射法二次反射法：10100 0二次反射法二次反射法微波测量与天线测量微波测量与天线测量6(7)反射栅法：反射栅法：待（收）待（收）辅（发）辅（发）反射栅法
4、反射栅法吸收材料吸收材料反射栅网反射栅网微波测量与天线测量微波测量与天线测量7(8)垂直测试法：垂直测试法：绝缘塔架绝缘塔架吸收材料吸收材料垂直测试法垂直测试法辅辅待待微波测量与天线测量微波测量与天线测量8(9)频率调制法：频率调制法：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微波测量与天线测量9(10)二、斜天线测试场：二、斜天线测试场：0 0/2/2绝缘塔架绝缘塔架辅辅待待斜天线测试场斜天线测试场微波测量与天线测量微波测量与天线测量10三、紧缩场三、紧缩场( (缩距测试场）缩距测试场） 紧缩场紧缩场是以反射面原理构成
5、的、缩短了测试距离的天线测试场。 其基本原理是其基本原理是：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应该是物理学上的几何光学法。微波测量与天线测量微波测量与天线测量(11)11 单反射面紧缩场示意图单反射面紧缩场示意图反射面反射面抛物面顶点抛物面顶点馈源馈源（辅助天线）抛物面抛物面测试区测试区（待测天线所在区域）微波测量与天线测量微波测量与天线测量(12)12(13)微波测量与天线测量微波测量与天线测量四、无反
6、射室（微波暗室）：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它属于自由空间测试场。场。矩形微波暗室矩形微波暗室:波前振幅矩形微波暗室矩形微波暗室 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微波测量与天线测量锥形微波暗室锥形微波暗室: 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
7、暗室 锥形微波暗室几何尺寸设计的经验数据为：dtR/(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是天线的工作波长14微波测量与天线测量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微波暗室的主要电性能: : 静区静区：指暗室内杂散波（含反射波、散射波和绕射 波等）干
8、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微波测量与天线测量(16)16微波测量与天线测量微波测量与天线测量(17)反射率电平反射率电平：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。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
9、的大小。它的值一般应小它的值一般应小 于于-25dB-25dB。 多路径损耗的均匀性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这种不均匀性一般限制在0.25dB之内。之内。17微波测量与天线测量微波测量与天线测量(18) 场强幅值均匀性场强幅值均匀性: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
10、。18微波测量与天线测量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。19微波测量与天线测量微波测量与天线测量(20)1.3 1.3 天线的互易测量天线的互易测量互易原理互易原理:一付无源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,必须注意以必须注意以下几点下几点: 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
11、不并不互易； 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。 20微波测量与天线测量微波测量与天线测量(21)1.4 1.4 天线场的区域划分和测量误差天线场的区域划分和测量误差一、天线场的区域划分：一、天线场的区域划分： 天线周围的场区可划分为：感应场区感应场区（电抗近场区）、辐射近场区辐射近场区（菲涅尔区）和辐射远场区辐射远场区（夫朗荷费区）。/（2）感应场区辐射场区电小天线周围的场区电小天线周围的场区21微波测量与天线测量微波测量与天线测量(22)D2D2/感应场区辐射近场区辐射远场区孔径天线周围的场区孔径天线周围的场区22微波测量与天线测量微波
12、测量与天线测量(23)1 、感应场区感应场区: 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 2、辐射近场区、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。23微波测量与天线测量微波测量与天线测量(24)辐射近场区的外边界按通用标准通用标准规定为：R=2D2/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
13、线的工作波长。3、辐射远场区、辐射远场区: 在在辐射远场区场的特点特点是：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。24微波测量与天线测量微波测量与天线测量(25)4 4、三个场区的讨论、三个场区的讨论:孔径天线产生的场孔径天线产生的场ZXYOSPdsdsPsr rs sR=(x2+y2+z2)1/2n (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+z21/225微波测量与天线测量微波测量与天线测
14、量(26)EP=14SESexp(-jkrs)rsjk+jk+(1/rs)cos(n n,r 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 n，r rs）孔径面法线与矢径rs之间夹角的余弦。26微波测量与天线测量微波测量与天线测量(27)辐射近场区辐射近场区在此区域可作如下近似： k1/rs 即 rs/(2) 注注:K=2/ jk+(1/rs)jk 1/rs 1/R (振幅项中） cos(n,rs) cos 相位项中的rs不能用R近似,须用
15、下式计算rs=(x-xs)2+(y-ys)2+z21/2=x2+xs2-2xxs+y2+ys2-2yys+z21/2考虑到 R2=x2+y2+z227微波测量与天线测量微波测量与天线测量(28)所以rs=R2+xs2+ys2-2(xxs+yys)1/2R1+(xs2+ys2)/R2-2(xxs+yys)/R21/2 由于xsR , ysR ,利用二项式定理将上式展开,并取前两项得rsR1+(1/2)(xs2+ys2)/R2-2(xxs+yys)/R2 R-(xxs+yys)/R+(xs2+ys2)/2R 注注：二项式定理二项式定理 (1+x)(1+x)n n=1+nx+n(n-1)/2!x=1
16、+nx+n(n-1)/2!x2 2+ +n(n-1)+n(n-1)n-(k-1)/k!xn-(k-1)/k!xk k+ +x+xn 利用球坐标与直角坐标间的关系:x=Rsincos y=Rsinsin z=Rcos28微波测量与天线测量微波测量与天线测量(29)故 rsR-(xssincos+yssinsin)+(xs2+ys2)/2R(2)(注注：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=41SESexp(-jkR)Rexpjkxssincos+yssinsin-(xs2+ys2)/2Rjk(1+cos)dSexp(-jkR)=j2R(1+
17、cos)Esexpjk(xssincoss+yssinsin-(xs2+ys2)/2RdS(3)29微波测量与天线测量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-(xssincos+yssinsin) ( xs2+ys2R )所以这个区域内场的表达式为（由式得出）：30微波测量与天线测量微波测量与天线测量(31)e
18、xp(-jkR)EP=j2R(1+cos)Esexpjk(xssincoss+yssinsindS(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。31微波测量与天线测量微波测量与天线测量(32)因为=0，故式和式分别变为:exp(-jkR)EP=jREsexp-jk(xs2+ys2)/2RdSs（辐射近场区）（辐射近场区）exp(-
19、jkR)EP=jREsdSs（辐射远场区）（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=EP-EPEP= 1-EPEP=1-EPEP=1-Esexp-jk(xs2+ys2)/2RdSssEsdS32微波测量与天线测量微波测量与天线测量(33)设孔径场ES=常数,于是得:=1-exp-jk(xs2+ys2)/2RdSsSE在距形孔径的情况下E=1-1D1D2D1/2-D1/2exp-jkxs2/(2R)dxsexp-jkys2/(2R)dysD2/2-D2/2利用菲涅尔积分,上式变成E=1-C(u)-jS(u)uC(v)-jS(v)v33微波测量与天线测量微波测量与天线测量(34)S(t)=sin(t2)/2dtt0式中 C(t)=cos(t2)/2dtt0u=D1(2R)1/2 D2(2R)1/2 v=D1距形孔径沿X方向的边长D2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-|SinkD2/(8R)| kD2/(8R) 式中,D为园形孔径的直径。34微波测量与天线测量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:距形孔径距形孔径G=1-C(u)-jS(u)uC(v)-jS(v)v2园形孔径园形孔径G=1-Sin2kD2/(8R) kD2/(8R)2 35
