一種天線遠場反射消除的簡便方法

王虎

摘 要： 天線遠場反射會對天線測試有一定的影響。首先介紹了使用喇叭進行增益測試來判斷天線遠場反射的方法；然后根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在天線測試遠場的發(fā)射端和接收端進行削波，以避免電磁波照射到地面形成反射和減少接收反射信號，從而達到消除反射的目的。并在一個遠場作了驗證，結果證實方法可行。

關鍵詞： 天線遠場； 遠場反射； 天線測試； 消除遠場反射

中圖分類號： TN820.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0065?03

Abstract： Antenna far?field′s reflection has definite influence on antenna testing. The method to judge far?field′s reflection by gain testing with a pyramidal horn is introduced in this paper. According to the Fresnel zone theory of radio wave propagation， the clipping is done at both the transmitting terminal and receiving terminal of antenna testing far?field to avoid the reflection that the electromagnetic wave irradiates on the ground and to reduce the received reflection signal， so as to realize the reflection elimination. The feasibility was validated in a far?field experiment.

Keywords： antenna far?field； far?field reflection； antenna test； elimination of far?field reflection

在天線測試遠場，由于電波傳播的擴散作用或發(fā)射天線波束較寬的原因，電波會照射到遠場地面形成反射。這種反射有時會對天線測試有一定的影響，確定反射存在并對測試有影響后，就必須要考慮消除反射。傳統(tǒng)的反射消除方法是在遠場地面建設衍射柵或鋪設吸波材料[1]。有時不具備采取這樣的措施的條件，就需要尋找另外的方法消除反射。

1 電波傳播的菲涅爾區(qū)

菲涅爾區(qū)理論是電波傳播的重要理論[2]。菲涅爾區(qū)理論認為：電磁波在傳播過程中，其路徑不是直線，是以發(fā)射點和接收點為焦點的橢圓管道；這個管道可以按照一定規(guī)律分成很多同心圓環(huán)，稱為菲涅爾區(qū)；其中最重要的是在管道中心的第一菲涅爾區(qū)和最小菲涅爾區(qū)；最小菲涅爾區(qū)在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)，是自由傳播空間；在傳播過程中的障礙物只要不進入第一菲涅爾區(qū)20%以上，就不會對最小菲涅爾區(qū)內(nèi)的自由空間傳播產(chǎn)生影響。第一菲涅爾區(qū)和最小菲涅爾區(qū)關系如圖1所示。

結合表1喇叭指標，對表2測試數(shù)據(jù)進行分析，可以看到：天1喇叭和天2喇叭天線的指標比較接近，測試結果也比較接近，說明測試天線增益時，喇叭增益高低影響不大；但天3喇叭和天1、天2喇叭的增益測試結果差別比較大，具體分析如下：

由于作對比增益測試，其他的不變，只是用了不同喇叭，所以天線增益的差別來自喇叭。從表2可以看出，天3喇叭測試值相對其增益變大了，表明喇叭測試時混入了一個同頻信號疊加造成信號增強。排除了測試儀器系統(tǒng)原因后，確定是地面反射信號進入測試疊加造成了信號增強，即由于喇叭接收反射信號的大小是和喇叭主瓣寬度相關的，天3喇叭主瓣寬度較寬，接收到反射信號較大造成了增益測試結果變小。證明了反射的存在并對天線測試有影響。在頻率為8 GHz時增益差別較大，所以本文后面的測試計算以8 GHz為準進行。

3 采取的反射消除措施

經(jīng)分析，由于場地接收、發(fā)射端都是最高建筑，場地四周沒有高大反射物體，場地中間是平坦草地，所以反射主要來自地面，并且各個距離反射相似，是區(qū)域反射。按照傳統(tǒng)的反射消除方法，需要在地面鋪設吸波材料或建設衍射柵。本文由于特殊原因無法采取這樣的措施，只能在遠場發(fā)射、接收端想辦法，考慮怎么樣才只發(fā)射、接收直射電波。根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論：最小菲涅爾區(qū)內(nèi)是自由空間傳播，在傳播過程中的障礙物只要不進入第一菲涅爾區(qū)20%以上，就不會對最小菲涅爾區(qū)內(nèi)的自由空間傳播產(chǎn)生影響，即可以把電波第一菲涅爾區(qū)以外的部分消掉，不會影響天線遠場需要的自由空間的傳播。因此，本文根據(jù)菲涅爾區(qū)理論設計了2點解決措施：一是發(fā)射端根據(jù)菲涅爾區(qū)理論削減發(fā)射信號波束寬度來減少反射信號形成；二是接收端根據(jù)菲涅爾區(qū)理論通過調(diào)整接收信號開口大小來盡量少接收反射信號。

3.1 發(fā)射端消除反射措施

發(fā)射端要達到盡量減少電磁波照射到地面形成反射信號的目的，可以通過削減發(fā)射信號波束寬度來進行。為了削減發(fā)射信號，決定設計一個里面鋪設吸波材料的發(fā)射筒，安裝在發(fā)射喇叭前面?？紤]到直筒效果不如倒錐體，首先確定形狀選擇倒錐體。在錐頂開一個大小合適的口來發(fā)射電磁波。由于只需要削減朝向地面的電磁波，朝上的不需要削減，設計形狀如圖3所示。

3.2 接收端消除反射措施

接收端只能通過調(diào)整半開口暗室開口大小來減少接收反射信號。由于開口處卷簾門大小已固定，決定在天線前面1.5 m處（安裝空間決定）加屏風，屏風中間開口讓需要的電磁波通過照射到天線上。屏風開口的大小，既要完成削波又不能影響需要的電磁波的傳播。

以屏風口的下邊為例計算屏風口開口大小（見圖4，黑粗線為屏風）。以發(fā)射喇叭相位中心A點和天線下邊緣C點連線作為需要的最低位置傳播通道。根據(jù)菲涅爾區(qū)理論，最大削減程度只能到所需最低位置傳播通道的第一菲涅爾區(qū)之外，即屏風口距離天線邊緣的垂直距離必須大于最低位置傳播通道在此處的第一菲涅爾區(qū)半徑才不會影響需要的電磁波傳播。

為了給減少屏風口的繞射和反射留下裕量，屏風開口在計算出[d]的基礎上加大一定量[6]。這里[d]值取0.25 m，同樣的方法可以計算出屏風口其他邊的大小。假設天線口徑為1 m，則屏風中間開口為1.50 m的正方形。同時屏風還能改善暗室內(nèi)設施引起的反射。

4 消除反射措施驗證

設計反射消除措施后，需要對設計的消除措施效果加以測試，做了簡易裝置加以測試。用已知增益天線測試結果與天線的標準增益作對比，在誤差容許范圍內(nèi)。

為了確定是否還有反射和反射的影響，由于接收到的信號是直射和反射信號的疊加，地面反射信號是廣角入射，2種信號同頻不同相，存在正弦波疊加的極大值和極小值?？紤]這一特性，采用天1喇叭作為測試喇叭，喇叭沿測試場縱軸移動，每移動[14]波長為一個測試點進行測試，以測試信號波動來估計反射。

以8 GHz為例進行測試。以轉臺旋轉中心為測試零點，朝向發(fā)射端為正，實測結果如圖5所示。喇叭測試的最大值為-37.75 dBm，最小值為-37.94 dBm。

采取糾正措施后，8 GHz喇叭測試值由-37 dBm變成了-37.75 dBm，因為遠場的直射信號是不變的，喇叭測試值減小表示反射減少了，說明反射消除成功。測試有一定的起伏，還有一定的反射存在，經(jīng)分析是因為驗證裝置是簡易裝置沒有完全達到設計要求引起的。現(xiàn)存反射引起的增益測試誤差經(jīng)估算為0.09 dB，滿足天線測試要求，表明設計的反射消除方法可行。

5 結 語

本文以一個新建遠場為例，介紹了如何用喇叭判斷遠場反射影響，再根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在遠場的發(fā)射端和接收端對電波信號進行削波處理，只需一個發(fā)射筒和一個屏風，就達到了消除反射目的，方法簡單實用，成本低廉。

參考文獻

[1] 電子工業(yè)部第十四研究所.SJ20348?1993 低副瓣平板裂縫天線性能遠場測試方法[S].南京：電子工業(yè)部第十四研究所，1993.

[2] 宋錚.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3] 束咸榮.相控陣雷達天線[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4] 中華人民共和國電子工業(yè)部.SJ20347?93 機載火控雷達天線單元通用技術要求和測試方法[S].北京：中華人民共和國電子工業(yè)部，1993.

[5] 中國航天工業(yè)總公司二十三所.QJ1729A?1996航天天線測試方法[S].北京：中國航天工業(yè)總公司二十三所，1997.

[6] 林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

為了給減少屏風口的繞射和反射留下裕量，屏風開口在計算出[d]的基礎上加大一定量[6]。這里[d]值取0.25 m，同樣的方法可以計算出屏風口其他邊的大小。假設天線口徑為1 m，則屏風中間開口為1.50 m的正方形。同時屏風還能改善暗室內(nèi)設施引起的反射。

4 消除反射措施驗證

設計反射消除措施后，需要對設計的消除措施效果加以測試，做了簡易裝置加以測試。用已知增益天線測試結果與天線的標準增益作對比，在誤差容許范圍內(nèi)。

為了確定是否還有反射和反射的影響，由于接收到的信號是直射和反射信號的疊加，地面反射信號是廣角入射，2種信號同頻不同相，存在正弦波疊加的極大值和極小值?？紤]這一特性，采用天1喇叭作為測試喇叭，喇叭沿測試場縱軸移動，每移動[14]波長為一個測試點進行測試，以測試信號波動來估計反射。

以8 GHz為例進行測試。以轉臺旋轉中心為測試零點，朝向發(fā)射端為正，實測結果如圖5所示。喇叭測試的最大值為-37.75 dBm，最小值為-37.94 dBm。

采取糾正措施后，8 GHz喇叭測試值由-37 dBm變成了-37.75 dBm，因為遠場的直射信號是不變的，喇叭測試值減小表示反射減少了，說明反射消除成功。測試有一定的起伏，還有一定的反射存在，經(jīng)分析是因為驗證裝置是簡易裝置沒有完全達到設計要求引起的。現(xiàn)存反射引起的增益測試誤差經(jīng)估算為0.09 dB，滿足天線測試要求，表明設計的反射消除方法可行。

5 結 語

本文以一個新建遠場為例，介紹了如何用喇叭判斷遠場反射影響，再根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在遠場的發(fā)射端和接收端對電波信號進行削波處理，只需一個發(fā)射筒和一個屏風，就達到了消除反射目的，方法簡單實用，成本低廉。

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為了給減少屏風口的繞射和反射留下裕量，屏風開口在計算出[d]的基礎上加大一定量[6]。這里[d]值取0.25 m，同樣的方法可以計算出屏風口其他邊的大小。假設天線口徑為1 m，則屏風中間開口為1.50 m的正方形。同時屏風還能改善暗室內(nèi)設施引起的反射。

4 消除反射措施驗證

設計反射消除措施后，需要對設計的消除措施效果加以測試，做了簡易裝置加以測試。用已知增益天線測試結果與天線的標準增益作對比，在誤差容許范圍內(nèi)。

為了確定是否還有反射和反射的影響，由于接收到的信號是直射和反射信號的疊加，地面反射信號是廣角入射，2種信號同頻不同相，存在正弦波疊加的極大值和極小值?？紤]這一特性，采用天1喇叭作為測試喇叭，喇叭沿測試場縱軸移動，每移動[14]波長為一個測試點進行測試，以測試信號波動來估計反射。

以8 GHz為例進行測試。以轉臺旋轉中心為測試零點，朝向發(fā)射端為正，實測結果如圖5所示。喇叭測試的最大值為-37.75 dBm，最小值為-37.94 dBm。

采取糾正措施后，8 GHz喇叭測試值由-37 dBm變成了-37.75 dBm，因為遠場的直射信號是不變的，喇叭測試值減小表示反射減少了，說明反射消除成功。測試有一定的起伏，還有一定的反射存在，經(jīng)分析是因為驗證裝置是簡易裝置沒有完全達到設計要求引起的?，F(xiàn)存反射引起的增益測試誤差經(jīng)估算為0.09 dB，滿足天線測試要求，表明設計的反射消除方法可行。

5 結 語

本文以一個新建遠場為例，介紹了如何用喇叭判斷遠場反射影響，再根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在遠場的發(fā)射端和接收端對電波信號進行削波處理，只需一個發(fā)射筒和一個屏風，就達到了消除反射目的，方法簡單實用，成本低廉。

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