張重陽(yáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所微波事業(yè)部，安徽合肥 230088)

在平面近場(chǎng)測(cè)量中，比較法是一種常用的測(cè)量待測(cè)天線增益的方法［1］，與其他測(cè)量增益的方法比較，比較法測(cè)量增益速度快，精度高，且其無(wú)需了解采集天線或探頭的增益值。因此在日常測(cè)試中，比較法測(cè)量增益應(yīng)用普遍。

天線增益是天線性能的重要指標(biāo)之一，增益值決定了接受天線接收能力的大小或者發(fā)射天線輻射能力的強(qiáng)弱，因此天線增益的測(cè)量是天線測(cè)量中的關(guān)鍵，準(zhǔn)確高效的測(cè)量增益方法也是天線測(cè)試人員的研究目標(biāo)。在比較法測(cè)量增益的過(guò)程中，有很多因素會(huì)影響增益的測(cè)量精度，包括天線的極化匹配誤差、反射系數(shù)誤差、平面近場(chǎng)截?cái)嗾`差等。本文通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究這些誤差項(xiàng)對(duì)增益測(cè)量帶來(lái)的影響，給出降低測(cè)試誤差的方法。

1 理論概述

1.1 平面近場(chǎng)理論

平面近場(chǎng)測(cè)量的理論依據(jù)是平面波散射矩陣?yán)碚撘约疤炀€增益的定義，如圖1所示平面近場(chǎng)測(cè)量中采樣探頭所在位置的傳輸方程［2］

圖1 平面近場(chǎng)測(cè)量原理

在傳輸方程中，b'0(P)表示探頭的輸出信號(hào)，F(xiàn)'為阻抗失配系數(shù)，a0表示待測(cè)天線的輸入信號(hào)，t10(K)是平面波的傳播系數(shù)，s'02(K)為探頭接收系數(shù)，P表示探頭在Z=d平面上的位置矢量。將平面波散射矩陣系數(shù)對(duì)功率進(jìn)行歸一化便可得到功率增益表達(dá)式

顯然將平面波傳播系數(shù)代入式(2)中就可得到待測(cè)天線的增益表達(dá)式

式(3)是待測(cè)天線增益的絕對(duì)值計(jì)算公式［3］，其由以下5個(gè)因子即可確定待測(cè)天線的增益:(1)工作波長(zhǎng)。(2)阻抗失配因子。(3)近場(chǎng)數(shù)據(jù)總和，即已對(duì)準(zhǔn)波束的近場(chǎng)幅度方向圖的卷積。(4)歸一化常數(shù)A'。(5)探頭增益GP(K0)。

1.2 比較法理論

由于天線增益存在許多變量，直接測(cè)量天線增益需要測(cè)量較多的參數(shù)，因此常采用近場(chǎng)比較法來(lái)測(cè)量待測(cè)天線增益［4］。比較法的實(shí)質(zhì)是將待測(cè)天線與標(biāo)準(zhǔn)增益天線進(jìn)行比較，從而得到待測(cè)天線的增益，待測(cè)天線的增益與標(biāo)準(zhǔn)天線的增益可以寫(xiě)成

保持不變，因此待測(cè)天線增益可寫(xiě)成

在式(6)中，B'0(Pi)是歸一化的探頭輸出，b'0(P0)是P0位置探頭輸出，aosp是標(biāo)準(zhǔn)增益天線輸入信號(hào)，aoap是待測(cè)天線輸入信號(hào)，Γs是標(biāo)準(zhǔn)增益天線的反射系數(shù)，Γa是待測(cè)天線反射系數(shù)。

2 平面近場(chǎng)增益測(cè)量實(shí)驗(yàn)

圖2是本次誤差分析實(shí)驗(yàn)采用的平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供本振信號(hào)與射頻信號(hào)，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器分為兩路:一路進(jìn)入待測(cè)天線;另一路耦合輸出到混頻器與本振信號(hào)混頻，混頻后的中頻信號(hào)作為b信號(hào)進(jìn)入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。在探頭接收端由采樣探頭接收到射頻信號(hào)進(jìn)入混頻器與本振信號(hào)混頻，得到的中頻信號(hào)作為a信號(hào)進(jìn)入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中將a信號(hào)與b信號(hào)相比較得到了近場(chǎng)數(shù)據(jù) a/b。 天線峰值為 P =，通過(guò)近場(chǎng)數(shù)據(jù)分別計(jì)算出待測(cè)天線與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的峰值，不考慮反射系數(shù)，根據(jù)式(6)待測(cè)天線的增益值可寫(xiě)成

圖2 測(cè)量框圖

4天線增益測(cè)量中的誤差項(xiàng)根據(jù)式(7)，用比較法測(cè)量增益需得到待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)峰值P1，標(biāo)準(zhǔn)增益天線的遠(yuǎn)場(chǎng)峰值P2以及標(biāo)準(zhǔn)增益天線的增益值Gs(K0)。標(biāo)準(zhǔn)增益天線的增益值經(jīng)過(guò)廠商實(shí)測(cè)標(biāo)定，本文主要研究由待測(cè)天線與標(biāo)準(zhǔn)增益天線的近場(chǎng)測(cè)量造成的增益測(cè)量誤差。

截?cái)嗾`差是指在近場(chǎng)天線測(cè)量中由于有限掃描范圍造成近場(chǎng)采樣能量損失，最終引起了天線測(cè)量誤差［5－7］。圖3是同一部天線在不同截?cái)嘟嵌惹闆r下測(cè)量得到的水平切面和垂直切面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

圖3 截?cái)嘟菍?duì)天線方向圖的影響

表1 不同截?cái)嘟嵌葴y(cè)量得到的峰值

表1可看出隨著截?cái)嘟堑脑黾樱鼒?chǎng)采樣將更多的能量包括在內(nèi)，測(cè)量得到的增益值略有增加，從－9.741 dB上升到－9.652 dB，增益值增加了0.089 dB，誤差在0.1 dB量級(jí)。因此在日常測(cè)量中，為降低截?cái)嘣斐傻脑鲆鏈y(cè)量誤差，需采用大截?cái)嘟亲銎矫娼鼒?chǎng)掃描。

阻抗失配誤差［8］，ΓsΓa表示待測(cè)天線與測(cè)量系統(tǒng)連接后的反射系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)增益天線系統(tǒng)連接后的反射系數(shù)，由于兩個(gè)反射系數(shù)不相同，因此會(huì)對(duì)兩天線的峰值測(cè)量造成影響，最終影響增益值測(cè)量。

圖4 阻抗失配對(duì)天線方向圖的影響

表2 同一組天線兩次測(cè)量得到的峰值

失配修正系數(shù)的計(jì)算方法

在式(8)中ΓB表示第二組往天線方向的反射系數(shù)，ΓA表示第一組往天線方向的反射系數(shù)，ΓG表示往源端的反射系數(shù)。從表2可看出，同一組天線兩次測(cè)量得到的峰值變化與按照式(8)得到的失配修正系數(shù)接近，經(jīng)修正后兩組測(cè)試得到的增益值相差＜0.02 dB。

極化匹配誤差:在平面近場(chǎng)測(cè)量中，由于天線架設(shè)誤差導(dǎo)致天線的主極化方向與探頭主極化方向不同，引起極化匹配誤差［9］。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)同一部天線進(jìn)行多次測(cè)量，每次測(cè)量探頭取不同極化角度。圖5是同一部天線在不同極化角度下測(cè)量得到的待測(cè)天線方向圖。

圖5 極化角度對(duì)于方向圖的影響

表3 極化失配導(dǎo)致的增益測(cè)量誤差

由表3可看出，在極化失配角度從0°變化到10°的過(guò)程中，待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)峰值逐漸下降，在失配角度達(dá)到10°時(shí)峰值一共降低了0.13 dB，對(duì)增益測(cè)量的影響較大。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可通過(guò)提高架設(shè)精度來(lái)避免由極化失配造成的增益測(cè)量誤差，也可在測(cè)量過(guò)程中采集雙極化的近場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)雙極化數(shù)據(jù)計(jì)算得到極化偏轉(zhuǎn)角度，然后再計(jì)算天線主極化的增益值［10］。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)平面近場(chǎng)比較法測(cè)量天線增益進(jìn)行了理論分析，得到了理論上的天線增益公式，然后在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中針對(duì)3類(lèi)增益測(cè)量誤差項(xiàng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，對(duì)這些誤差項(xiàng)進(jìn)行了分析給出了降低測(cè)量誤差的方法，提高了增益測(cè)量的精度。

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