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:,《现代微波与天线测量技术》 电子工业出版社出版,1,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:25％ ； 平时:20％(含中期 考试10％）,《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),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,,,,3,(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,,,4,(5),§1.2 几种常见的天线测试场,一、高架天线测试场：,1、天线架设高度:,h=(R/2)tg(θO/2),微波测量与天线测量,,,5,⒉地面反射消除法:,(6),⑴二次反射法：,微波测量与天线测量,,,6,(7),⑵反射栅法：,微波测量与天线测量,,,7,(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,,,8,(9),⑷频率调制法：,微波测量与天线测量,,,9,(10),二、斜天线测试场：,微波测量与天线测量,,,10,三、紧缩场(缩距测试场）,紧缩场是以反射面原理构成的、缩短了测试距离的 天线测试场。
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 应该是物理学上的几何光学法微波测量与天线测量,,,(11),11,微波测量与天线测量,,,(12),12,(13),微波测量与天线测量,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 场⒈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13,(14),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) 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,,,14,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:,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。
15,⒊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,,,(16),16,微波测量与天线测量,(17),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-25dB⑷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17,微波测量与天线测量,(18),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。
18,微波测量与天线测量,(19),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19,微波测量与天线测量,(20),§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20,微波测量与天线测量,(21),§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）21,微波测量与天线测量,(22),,,22,微波测量与天线测量,(23),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23,微波测量与天线测量,(24),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24,微波测量与天线测量,(25),4、三个场区的讨论:,⑴孔径天线产生的场,,,25,微波测量与天线测量,(26),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26,微波测量与天线测量,(27),⑵辐射近场区,在此区域可作如下近似：,①∵ k1/rs [即 rsλ/(2π) 注:K=2π/λ],∴ [jk+(1/rs)]≈jk,② 1/rs ≈1/R (振幅项中）,③ cos(n,rs) ≈cosθ,④ 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,,,27,微波测量与天线测量,(28),所以 rs=[R2+xs2+ys2-2(xxs+yys)]1/2 ＝R{1+[(xs2+ys2)/R2]-[2(xxs+yys)/R2]}1/2,由于xsR , ysR ,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=Rsinθcosφ y=Rsinθsinφ z=Rcosθ,,,28,微波测量与天线测量,(29),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：,,,29,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:,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+ys2R ),所以这个区域内场的表达式为（由式⑶得出）：,,,30,微波测量与天线测量,(31),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31,微波测量与天线测量,(32),因为θ=0，故式⑶和式⑷分别变为:,如果在辐射近场区内进行测量，则相对误差为,,,32,微波测量与天线测量,(33),设孔径场ES=常数,于是得:,在距形孔径的情况下,利用菲涅尔积分,上式变成,,,33,微波测量与天线测量,(34),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,式中,D为园形孔径的直径34,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,园形孔径,,,,35,。