1、近场测量技术近场测量技术缩距技术聚焦技术解析技术近场数据测取方法外推技术定义最小测试距离与最小测试距离与D、的关系曲线的关系曲线近场测试技术就是在天线的近场测量得到天线远场辐射特性的技术。用以解决测试场地问题。近场测试技术包括：缩距技术聚焦技术解析技术外推技术缩距技术远场测试条件的实质就是要在待测天线孔径上产生一个振幅均匀、相位偏差较小的近似平面波平面波。缩距技术的关键在于产生平面波前的源天线源天线透镜天线可用来做为平行校正器，在待测天线处形成一个平面波来模拟远场区。为了得到良好的模拟效果，作为源天线的平行校正器透镜之孔径尺寸通常应比待测天线孔径尺寸大24倍以上，否则，由于透镜的散射和边缘绕射
2、效应等，会使测量产生较大的误差。透镜天线基本结构透镜天线在厘米波段，许多光学原理可以用于天线方面。在光学中，利用透镜能使放在透镜焦点上的点光源辐射出的球面波，经过透镜折射后变为平面波。透镜天线就是利用这一原理制作而成的。它由透镜和放在透镜焦点上的辐射器组成。介质减速透镜天线的原理：透镜是用低损耗高频介质制成，中间厚，四周薄。从辐射源发出的球面波经过介质透镜时受到减速。所以球面波在透镜中间部分受到减速的路径长，在四周部分受到减速的路径短。因此，球面波经过透镜后就变成平面波，也就是说，辐射变成定向的。金属加速透镜天线的原理：透镜由许多块长度不同的金属板平行放置而成。金属板垂直于地面，愈靠近中间的金
3、属板愈短。电波在平行金属板中传播时受到加速。从辐射源发出的球面波经过金属透镜时，愈靠近透镜边缘，受到加速的路径愈长，而在中间则受到加速的路径就短。因此，经过金属透镜后的球面波就变成平面波。无反射表面匹配层法在介质透镜的表面盖一层介质，其折射率在1（空气折射率）和n（透镜介质折射率）之间，其作用类似于传输线中的四分之一波长阻抗变换器。垂直波纹表面水平波纹表面蜂窝表面柱形表面洞穴表面低介电常数透镜法采用低介电常数介质做透镜，可以在一定程度上减小散射和绕射作用由于介电常数低，即折射率小，故透镜一般都需作较厚，电磁波在 中的行程加大，因此，最好选用低损耗介质，以保证增益不致下降过多。抛物面平行校正器抛
4、物面平行校正器初级馈源直接辐射问题初级馈源及支架的绕射问题平行校正器边缘的绕射问题交叉极化问题互耦问题室内杂散辐射问题表面制造公差问题缩距技术示意缩距技术示意聚焦技术 解析技术解析技术是由近场测试数据解析计算解析计算远场方向图的技术测取待测天线表面上的电流密度和电荷分布，或者测取天线孔径上的电磁场分布，或者在近场区内离开待测天线适当而方便的任意距离上测取电磁场分布；然后，将近场测取得到的数据进行数学转换，推算出远场方向图。推算的基本方法有三种：波动光学法，电流分布法和模式展开法。外推技术外推技术是在远场距离的1/5到1/10的范围内，将接收数据作为距离的函数来进行测量，从而休正了近距和多次反射
5、效应，能较精确地测得天线增益和极化特性。外推技术是以平面波散射矩阵和广义三天线法为基础的。近场扫描技术用一特性已知的探针在天线近场区某一表面（平面、柱面或球面）上取样场的振幅和相位分布，通过比较严格的数学变换而求得待测天线远场特性的技术。模式展开法平面、柱面、球面扫描简图平面、柱面、球面扫描简图天体源测量技术天体源测量技术就是用宇宙中的天体或人造卫星作源天线，进行天线辐射特性测量的技术。天体应满足以下几个条件 在天空中的位置精确知道；角尺寸，好似一个点源；在要求频带内，其绝对通量密度已知；有足够的辐射强度，以便接收设备能正常进行工作。通量密度：通量密度：指源在其法线方向上每单位时间单位频率通过
6、单位面积辐射的总功率亮温度：亮温度：在给定频率和方向上，具有与天体源相同亮度的理想黑体的温度。增益测量天体源可视为点源时，待测天线的有效面积SkTSse2天线终端为参考的天体源有效噪声温度天线的有效面积与增益关系为42GSeSkTGs28？测试天线增益G的问题，就变成了测试天线指向天体源时，以天线终端为参考的有效噪声温度。增益测量接收天线的噪声接收天线的噪声01TLLLTTfffaA馈线输出截面处的天馈线噪声温度环境温度馈线损耗因子天线输入端的天线噪声温度天线噪声温度也可以通过使用标准冷、热负载的Y因子法因子法来测定22)1(YYTTTRCA0)1(TLLTTffAa增益-噪声温度比的测量YS
7、kTG28sAPPY 82GSPAkTPs天线主瓣指向冷空时系统输出的噪声功率RATTT系统噪声温度天线主瓣指向天体源时注入噪声功率)()(dBYCdBTG用卫星信号直接测量G/T值用卫星所发射的未调制的载波信号代替天体源的信号NNNSWPPPPY接收到的载波功率接收到的卫星噪声功率接收系统的噪声功率噪声温度表示kTBkTBBkTPYSW试装置的有效噪声带宽GLpEIRPPW卫星的等效全向辐射功率自由空间的传输损耗待测地面站天线接收增益TTYEIRPLpkBTGS)1()1(YEIRPkBLpTG0.20.1TTS待测地面站天线几何位置的确定待测地面站天线几何位置的确定接收点P到卫星S的距离为
8、cos)(2)(0202HRRHRRd地球平均半径6370km 地球赤道半径6378km同步卫星高度35786kmcoscoscoscoscos)(2)(0202HRRHRRd接收点所在纬度星下点的经度待测地面站天线几何位置的确定待测地面站天线几何位置的确定仰角仰角)1511.0(cossin11tg方位角方位角ctgctgsin1天线测试场的设计与鉴定天线测试场设计的一般准则天线测试场设计的一般准则我们已经知道，天线辐射特性的测量一般必须在它的远区进行。为此，天线测试场的设计应考虑到：收、发天线间的距离应满足远场条件远场条件；收、发天线间的耦合耦合应小到可忽略的程度；测试场中的杂乱反射杂乱反
9、射不应影响测量的结果。远区条件远区条件相位条件相位条件理论上，要满足平面波照射待测天线孔径的条件，即待测天线孔径中心和边缘相位差为零，所要求的收、发天线的测试距离应为无穷大。实际上，在满足一般测试精度条件下，通常仅要求待测天线孔径中心与边缘的相位差小于或等于=/8就行了，这便得到最小测试距离条件:2min2D照射场相位不均匀会给方向图测量带来误差：零值变浅，旁瓣电平抬高。因此，需要精确测量旁瓣或后瓣时，所需的测试距离应比式min大均匀余弦1.60.580.40.140.10.0380.020.01minr)(dBG42D822D1624D3228D远区条件远区条件振幅条件振幅条件是指照射场在待
10、测天线孔面上振幅的均匀性，它包括两个方面的内容：一是沿孔径平面内的横向振幅渐变，另一是沿收、发天线联线方向的纵向振幅渐变。照射场振幅渐变太大的测试场进行天线辐射特性测试时，将带来较大的误差。纵向振幅渐变Lr10 横向振幅渐变横向振幅渐变会使测得的主瓣稍微变宽，旁瓣电平下降，增益值偏低。实际工作中，我们不必要用上述办法去计算每次的测量误差，而是把振幅渐变限制在允许的误差范围内就行了。一般是将振幅渐变限制在0.25dB之内，因为此时测得的增益值比实际值仅低0.1dBDdDdr426.0收、发天线间的耦合收、发天线间的耦合收、发天线间的耦合有感应场耦合感应场耦合和辐射场耦合辐射场耦合。由于感应场是与
11、距离的平方成反比的，因此，随着收、发天线间距离的增大，感应场衰减很快。当收、发天线间的距离r10时，其间的感应场耦合可忽略不计。222rSSvvPPsrsrsrrr只要满足横向振幅渐变小于0.25dB，辐射耦合引起的测量误差是很小的测试场中的反射测试场中的反射21220)(rsrhhrr2122221222)(zryhzyhrrsr波相角)(20rrrr 令测试场表面第N个 菲涅尔区的外边界上的点满足N20Nrrrr2)()(21222122221222Nhhrzryhzyhsrrs椭圆方程中心坐标rFzyx21,0,02长轴 213221)21(FFrFLN短轴2132221)21)(1(F
12、FFrWN2212232212221)1()()1()(sec2rFhhFrFhhFrNFsrsr测试场中的反射测试场中的反射一般来说，选取头20个菲涅尔区作主要反射区就能满足测试要求，即N=20.rrNW202022Dr DW3.620地面的不平度应满足公认的瑞利准则sin16minh主反射区主反射区大小确定以后，对此区域内的地面不平整度就按的瑞利准则进行加工、整理（一般不是按椭圆，而是按矩形矩形面积清理）。测试场中的反射测试场中的反射次次反射区反射区也是一个矩形，宽度为主区宽度的一倍，长度超出测试端约0.25.。此区域内允许的地面不平坦度可比主区大12倍。清理区清理区是一个锥形状，长度约为
13、1.5r在待测天线端的宽度最好等于源天线水平面方向图的零值波瓣宽度。在这个区域内不能有大的反射物体或金属反射体存在。微波暗室的设计准则暗室的型式暗室的型式矩形和角锥型优于其他各种类型全密封矩形暗室全密封角锥形暗室水平型开口矩形暗室升高型半开口矩形暗室半开口锥形暗室垂直型半开口矩形暗室微波暗室的电特性微波暗室的电特性静区静区静区是指暗室内杂散波（含反射、散射和绕射波等）干扰最小的区域，待测天线通常就放在词区域内。静区的大小和形状与暗室的类型、工作频率、吸收材料特性、要求的反射电平等因素有关。对于各方面均铺设相同吸收材料的矩形微波暗室而言，静区是一个柱形，其轴线与暗室的纵轴一致，其直径可用下式估算
14、2静区直径r微波暗室的电特性微波暗室的电特性反射率电平反射率电平定义为等效反射场与直接照射场之比。等效反射场是指室内反射、绕射和散射等杂散波的总干扰场。通过实验来测定。暗室中静区的反射率电平愈低，则测量精度就愈高。微波暗室的电特性微波暗室的电特性交叉极化特性交叉极化特性交叉极化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之大小，它表征了电磁波的极极化纯度化纯度。必须注意：这里所指的交叉极化特性与收、发天线本身的交叉极化特性不同，前者是由暗室（包括材料性能）的不对称引起的，后者则是由于天线加工精度不够造成的。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，为了保证
15、一定的测试精度，该值一般应小于-25dB。多路损耗均匀性多路损耗均匀性 指暗室内电磁波传输路径损耗的不均特性，这对圆极化天线的测量尤为重要。因为如果暗室内的路径损耗不一样，则发射的虽是圆极化波，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0.25dB内。微波暗室的电特性微波暗室的电特性场强幅值均匀性场强幅值均匀性 指天线照射置于静区内的待测天线时，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；上限则取决于暗室的长度和对静区反射电平的要求程
16、度。微波暗室的尺寸微波暗室的尺寸矩形暗室长度22Dr 取为暗室工作频带的最高频率所对应的波长暗室中所能测试天线的最大孔径尺寸静区离后墙距离应约1/31/2室宽源天线离前墙距离是1/41/2室宽21min2max2ddDL暗室最低使用波长待测天线的最大孔径尺寸待测天线到后墙的距离源天线到前墙的距离微波暗室的尺寸微波暗室的尺寸矩形暗室的宽度和高度暗室宽度尺寸与长度尺寸的比值一般取为1：3到1：2。可用下式限制75.2minrW 暗室的高度一般选得与宽度一样，使暗室的横截面为一正方形，以保证室的对称性，从而降低交叉极化电平。锥形暗室的尺寸锥形暗室的长、宽、高等尺寸基本上和矩形暗室一样，主要问题是锥顶
17、角大小的选择。为使多种极化波都能工作，掠射角要小，于是锥顶角不能选得太大；而从便于设置源天线角度考虑，锥顶角又不能取得太小。一般取20左右为宜。另外，源天线离开侧壁的距离应满足式rshrh4微波暗室的吸收材料微波暗室的吸收材料暗室吸收材料应具有表面反射小、内部损耗大，使电磁波在材暗室吸收材料应具有表面反射小、内部损耗大，使电磁波在材料内得到充分衰减的特性。料内得到充分衰减的特性。常用的吸收材料有两类：平板多层介质吸收材料平板多层介质吸收材料角锥形吸收材料角锥形吸收材料质地软、重量轻，可以弯成各种形状，多用于作暗室的辅助材料，如搭成屏障敷盖在实验设备表面上或作临时性的遮挡板，以防止暗室的杂乱反射
18、或保护实验人员免受微波伤害。角锥形吸收材料是一种高吸收性能的吸收波材料，它的频带宽，而且电磁波入射角在070内变化及各种极化状态入射时，其吸收性能无明显变化。微波暗室的建造微波暗室的建造暗室的屏蔽暗室的屏蔽保障使暗室内的入射信号与一个恒定的背景，防止外来电磁干扰或室内信号漏出而浅密及干扰别人等，一般应在吸收材料外面贴敷屏蔽材料。屏蔽材料可用金属板或金属网，但要注意网孔直径应小于最短波长1/51/10，通常，金属网的隔离度可达到-50dB-70dB.吸收材料的选择和安装吸收材料的选择和安装根据使用频段、用途、测试精度要求、暗室大小和形状、材料本身价格、重量、外形尺寸、吸收性能等综合考虑选择。对暗
19、室的不同部位采取“区别对待”原则。如在后墙、侧墙、地板和天棚的头20个菲涅尔区铺设性能较好的吸收材料，在其次要部位铺设性能稍差的材料，测试转台和测试架等设备可用“软性”吸收材料伪装。安装顺序一般是天棚、后墙、侧墙、前墙和地板暗室的拐角处可以采用小角度渐变过渡的方法微波暗室的建造微波暗室的建造配套附属房间与门配套附属房间与门微波暗室除主体室外，还应有12个配套房间用以安装测试设备和进行测试工作等。房间一般设置在暗室的两端，它们与暗室的隔墙应有金属屏蔽层，附属房间可不敷设吸收材料，房间的大小和设备视需要而定。暗室的门应开在非主要反射区处，可用电动平移式，门用吸收材料应与周围吸收材料同高，门与墙壁的
20、接触应是密封的。附属房间的门可用手动拉开式，应用金属层屏蔽。通风与照明通风与照明由于微波暗室是全密封式，为了不影响暗室屏蔽的效能，通风口可采用截止波导窗。暗室的照明应尽可能采用防爆白炽灯，以避免电磁干扰噪声。灯一般可装在天棚与两侧壁的交接处，灯的四周应仍装有吸收材料。白炽灯开关装于室外。室内还可安装一些暗插座，以供做其他实验时的照明和电源用。微波暗室的建造微波暗室的建造走道与轨道走道与轨道在暗室的底层靠近两侧墙处可开设两条1米宽左右的走道，平时用平板型吸收材料覆盖，走路时将材料移开或直接在上面走。在走道内侧的锥形材料中间可埋设两条铁轨道，以利于滑动支架进行其他项目的测试与检修用。检修走廊检修走
21、廊安全和消防设施安全和消防设施UESTC大型微波暗室NSI测试系统天线测试场的鉴定方法反射电平的检测反射电平的检测检测微波暗室反射电平的方法有两种：一种是空间驻波法；另一种是方向图比较法。前者比较简单和准确，后者比较直观但工作量大。通常是以前种方法为主，后种方法作为补充和辅助手段。空间驻波法空间驻波法微波暗室仅是一个模拟的“自由空间”，由于暗室内壁吸收材料吸收电磁波不完全，对于入射到它上面的电磁波始终存在着大小不同的反射，这些反射随空间位置的不同而不同，它们与直射波叠加后就在空间形成了驻波，其大小直接反映了反射的大小，据此，只要测出了空间驻波曲线就可确定暗室某区域反射电平的大小。空间驻波法空间
22、驻波法dErE来自源天线的直射波场强等效反射波场强dE2010AddEE同相时的合成场强值Emax=B（dB）反相时的合成场强值Emin=C（dB）直射波Ed与反射波ErdrEE20201010201201AdrAddrdEEEgEEEgB20201010201201AdrAddrdEEEgEEEgCdrEEg201暗室反射率电平20)(20)(101101201AAgCBEd=A（dB）110110201110)110(1020120)(20)(20)(20)(20CBCBCBCBAgAgdrEEAdrEE11011020120)(20)(CBCBgA空间驻波法空间驻波法需要测来自哪个方向来
23、的反射电平，就把探针天线朝向哪个方向，然后在需检测的静区内，作横向水平或垂直运动，记录下驻波曲线方向图比较法方向图比较法原理：当接收天线与入射场之间的几何关系保持相同，若无等效反射信号，则任意另个实测方向图一定相同；如果存在等效反射信号，两者必然有差异，根据此差异的大小和位置就可以确定等效反射信号的大小和方向。这种方法对方向图远旁瓣的变化特别敏感纵向位移法方向图比较法方向图比较法方向图比较法方向图比较法旋转极化面法方向图比较法方向图比较法锥形方向图法交叉极化电平的检测交叉极化电平的检测 线极化源天线和线极化探针天线同置于室轴上，其方向图最大值方向相互对准，距离满足远场条件，探针天线位于需测的区
24、域（静区）内。源天线为水平极化时，以探针天线在相同极化时接收到的信号电平为参考电平，然后将探针天线的极化旋转90（即垂直极化），记下接收信号电平，它与参考电平之差就是暗室的交叉极化电平。源天线为垂直极化时，以探针天线在相同极化时接收到的信号电平为参考，然后将探针天线的极化旋转90（即水平极化），记下接收信号电平，同样可求得暗室的交叉极化电平。如果条件许可，可将源天线的极化方向每旋转15，进行一次交叉极化电平的测试。通路损耗的均匀性通路损耗的均匀性1.与测量交叉极化电平的步骤1相同。2.使源天线与探针天线保持同样的极化（水平或垂直）同步旋转 360，并隔一定角度记录一次接收的功率电平。3.根据需要还可将探针天线适当偏离静区中心，重复上述步骤，观察通路损耗的均匀性。场强幅值均匀性场强幅值均匀性 源天线与探针天线间距满足远场条件，探针天线置于需要检测的区域（静区）内。探针天线垂直于纵轴的横平面内沿水平、垂直或需检测的方向运动，记录场的 副值变化。探针天线沿纵轴方向运动，记录场的幅值变化。分别测试水平极化和垂直极化情况，重复步骤2、3实际上，场强幅值均匀性的检测工作可以配合空间驻波比法测反射率电平时一起进行。天线测试场的基本设备
