外推法天線增益測(cè)量系統(tǒng)的暗室反射影響評(píng)估

劉瀟 David Gentle

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM), 北京 100029;2.National Physical Laboratory (NPL) Teddington TW11 0LW)

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外推法天線增益測(cè)量系統(tǒng)的暗室反射影響評(píng)估

劉瀟1David Gentle2

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM), 北京 100029;2.National Physical Laboratory (NPL) Teddington TW11 0LW)

介紹了外推法技術(shù),在此基礎(chǔ)上提出一種基于幾何光學(xué)的吸波材料影響評(píng)估方法．該方法可以在數(shù)字濾波后有效模擬并引入反射信號(hào),通過(guò)比較兩次外推后的數(shù)據(jù),得到對(duì)增益測(cè)量的影響評(píng)估結(jié)果．在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology,NIM)的外推法裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:該方法可以有效模擬吸波材料的影響,并給出由吸波材料引入的增益測(cè)量不確定度分量．該方法目前已應(yīng)用到NIM和英國(guó)國(guó)家物理研究院(National Physical Laboratory,NPL)的外推法測(cè)量結(jié)果評(píng)定中,不僅對(duì)于外推法,對(duì)于在暗室中進(jìn)行的其他天線測(cè)量結(jié)果的評(píng)估也具有很好的參考價(jià)值.

外推法;天線增益;吸波材料反射率;不確定度評(píng)定

DOI 10.13443/j.cjors.2015112301

引 言

三天線外推法技術(shù)是一種在有限距離準(zhǔn)確測(cè)量天線增益和極化特性的方法[1]．這種方法基于平面波散射矩陣?yán)碚揫2],通過(guò)在不同位置測(cè)量一對(duì)收發(fā)天線之間的傳輸功率并利用數(shù)據(jù)外推技術(shù),得到無(wú)限遠(yuǎn)處增益．外推法可以克服傳統(tǒng)三天線法天線對(duì)間的互耦問題,是目前公認(rèn)的測(cè)量無(wú)限遠(yuǎn)處天線增益最準(zhǔn)確的方法．各國(guó)國(guó)家計(jì)量院在標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭(Standard Gain Hom,SGH)天線的增益測(cè)量國(guó)際比對(duì)中采用外推法技術(shù)[3-4],理想情況下,增益的測(cè)量不確定度可以達(dá)到±0.04 dB,而其他天線測(cè)量技術(shù)的增益測(cè)量不確定度最好值僅為0.2 dB．這項(xiàng)技術(shù)可以為近場(chǎng)掃描等常用天線測(cè)量系統(tǒng)提供具有校準(zhǔn)值的參考天線和掃描探頭,大大降低這些天線測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量不確定度．當(dāng)然,要實(shí)現(xiàn)如此低的不確定度,需要考慮射頻系統(tǒng)、天線安裝等諸多因素,并且由有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員進(jìn)行操作．由于外推法裝置放置在微波暗室中,鋪設(shè)的吸波材料會(huì)對(duì)測(cè)量不確定度有所貢獻(xiàn),但是因?yàn)橥馔品ㄉ婕暗綇?fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,如何評(píng)價(jià)由吸波材料性能的不理想引入的不確定度分量是一個(gè)比較困難的問題．本文針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究,提出一種模擬吸波材料反射的模型,并且利用這個(gè)模型計(jì)算了外推法增益測(cè)量中的該項(xiàng)不確定度分量.

2014年底,經(jīng)過(guò)與英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(National Physical Laboratory,NPL)兩年多的合作研究,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(National Instirute of Metrology,NIM)的外推法天線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置(圖1)建成并投入使用,覆蓋頻段范圍250 MHz～110 GHz．本文首先簡(jiǎn)要介紹三天線外推法天線增益測(cè)量技術(shù),并給出1.7～2.6 GHz頻段增益測(cè)量不確定度評(píng)定示例．提出一種模擬吸波材料反射的方法,基于新裝置研究評(píng)估吸波材料反射對(duì)于增益測(cè)量結(jié)果的影響．在(National Institute of Metrology,NIM)新建外推法系統(tǒng)上的測(cè)量結(jié)果與提出方法的預(yù)估值吻合得很好．利用這種方法可以得到由吸波材料反射引起的不確定度分量,對(duì)于外推法天線測(cè)量系統(tǒng)中的不確定度評(píng)估提供了一種有效方法.

圖1 NIM外推法裝置

1 三天線外推法測(cè)量技術(shù)

三天線外推法技術(shù)最早由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(現(xiàn)在稱為NIST)提出[1]．這種方法基于Kerns提出的平面波散射矩陣?yán)碚揫2]．在天線近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)外推技術(shù)得到無(wú)限遠(yuǎn)處的天線增益．該方法是一種絕對(duì)方法,不需要任何天線的先驗(yàn)信息和參考值．

對(duì)于天線m和天線n來(lái)說(shuō),它們之間可以建立如下的耦合方程：

(1)

XnYm+XmYn=D″nm.

(2)

特定情況下,耦合方程可以簡(jiǎn)化成如下形式:

多次反射項(xiàng).

(3)

去除天線間多次反射通?？梢圆捎脼V波技術(shù)[5]．在外推法中,收發(fā)天線之間的多次反射項(xiàng)可以通過(guò)在不同間距進(jìn)行測(cè)量,然后利用數(shù)字濾波技術(shù)去除[6], 如圖2所示.

圖2 數(shù)字濾波前后的增益乘積曲線

使用公式(3)中的多項(xiàng)式擬合數(shù)字濾波之后的測(cè)量數(shù)據(jù)．當(dāng)進(jìn)行外推時(shí),距離趨近于無(wú)窮遠(yuǎn),因此一對(duì)天線之間的增益乘積可以表達(dá)為

(4)

三天線外推法技術(shù)本質(zhì)上是三天線技術(shù)．因此需要進(jìn)行三組天線對(duì)測(cè)試,得到三組天線增益乘積,從而得到每一個(gè)天線在無(wú)限遠(yuǎn)處的增益值.

對(duì)于測(cè)量尤其是計(jì)量來(lái)說(shuō),不確定度評(píng)估和測(cè)量結(jié)果本身一樣重要．為保證測(cè)量準(zhǔn)確性,在得到測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上,要進(jìn)行大量的不確定度評(píng)定實(shí)驗(yàn),以得到有效的不確定度結(jié)果．這里給出一個(gè)1.7 GHz～2.6 GHz頻段的不確定度匯總表格,具體見表1.

表1 外推法測(cè)量SGH增益的不確定度匯總表

2 吸波材料影響建模和驗(yàn)證

有效評(píng)估吸波材料的影響非常重要,尤其在低頻段．在本文工作之前,要得到可靠的評(píng)估結(jié)果非常困難．本文研究了微波暗室中吸波材料如何影響增益測(cè)量結(jié)果,并指出為提高測(cè)量準(zhǔn)確度,在外推法系統(tǒng)中最需要特別注意的地方.

2.1 反射模型

模擬暗室中的反射需要基于如下假設(shè)．假定接收天線接收到的信號(hào)是直達(dá)波和經(jīng)過(guò)吸波材料后的一次反射波信號(hào)的疊加,如圖3所示．雖然實(shí)際上吸波材料的反射位置會(huì)隨頻率發(fā)生變化,但是這里假設(shè)在反射發(fā)生時(shí)沒有能量損耗,并且反射波的相位也沒有變化.

圖3 外推法暗室中評(píng)估吸波材料引入反射的模型

對(duì)于兩天線間的間距d,接收信號(hào)可以表示為

Vc(d)=Vd(d)+Vr(d).

(5)

式中：Vc代表了合成信號(hào);Vd和Vr分別代表了直達(dá)波和反射波.

如果吸波材料反射率為R,單位dB,那么與直達(dá)波相比,反射波信號(hào)幅度下降了A,單位dB,可以表示為如下形式

A=|Ld-Lr+R+DT(θ)+DR(θ)|.

(6)

式中：Ld和Lr分別是直達(dá)波和反射波路徑的傳輸損耗;DT(θ)和DR(θ)分別是反射波θ方向上發(fā)射天線和接收天線的輻射方向圖修正.

對(duì)于天線方向圖,理論上應(yīng)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)．通常情況下,可以使用經(jīng)典的Stratton-Chu 公式來(lái)模擬方向圖．經(jīng)過(guò)比較,這個(gè)公式僅需根據(jù)天線口面的幾何尺寸計(jì)算出方向圖,計(jì)算結(jié)果可以完全滿足吸波材料影響評(píng)估的準(zhǔn)確度要求.

反射波和直達(dá)波的相位差可以簡(jiǎn)單表達(dá)為如下形式

(7)

式中λ是波長(zhǎng)．因此直達(dá)波和反射波的幅度差和相位差均已知,可以得到直達(dá)波和反射波之間的關(guān)系.

2.2 反射模型的建立

首先值得一提的是,對(duì)測(cè)量影響最大的反射并不是來(lái)自地面或者墻面,而是來(lái)自接收天線塔下方．因?yàn)樵跍y(cè)量系統(tǒng)中,接收天線塔是上極化下方位形式,可以在方位向旋轉(zhuǎn)360°, 因此為了減小反射,必須用吸波材料來(lái)覆蓋接收天線塔平臺(tái),這部分吸波材料比墻面和地面的吸波材料離接收天線更近,θ角度更小,如圖4所示,因此是吸波材料引起發(fā)射的最大來(lái)源,對(duì)增益測(cè)量結(jié)果的影響也最大.

圖4 由接收天線塔下方吸波材料引入的反射-俯仰向示意圖

在NIM新建的外推法系統(tǒng)上進(jìn)行1.7 GHz～2.6 GHz頻段的天線增益測(cè)量,利用上述方法進(jìn)行吸波材料影響評(píng)估．這里假設(shè)吸波材料的反射率電平為-30 dB,編制了Matlab程序進(jìn)行演示,通過(guò)比較公式(4)中的系數(shù)A1得到吸波材料反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而得到由吸波材料反射引入的不確定度分量.

圖5中給出了根據(jù)上述建立的模型,模擬的反射波和直達(dá)波功率比值．圖5(a)是天線E面分別對(duì)應(yīng)墻和地面反射的情況,圖5(b)是天線H面分別對(duì)應(yīng)墻和地面反射的情況．顯然,E面水平,H面垂直時(shí),模擬的墻面反射比地面反射更強(qiáng),然而需要注意的是,模擬的墻面反射幅度包絡(luò)變化不明顯,相比于接收天線塔吸波材料來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后,對(duì)于系數(shù)A1的影響較?。甅atlab程序的計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論．當(dāng)天線E面水平,主要的反射來(lái)自墻面,由吸波材料反射引起的系數(shù)A1差別在0.000 72 dB,而E面垂直,受接收天線塔上吸波材料反射影響時(shí),系數(shù)A1差別在0.007 5 dB.

(a) E平面

(b) H平面圖5 1.7 GHz頻段模擬地面和墻面的反射

圖6驗(yàn)證了提出方法的有效性．實(shí)際測(cè)量得到的功率是直達(dá)波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的疊加,并且是距離的函數(shù)．?dāng)?shù)字濾波的作用是去除天線間的多次反射,假定數(shù)字濾波后,增益乘積曲線不含吸波材料反射．通過(guò)前面提出方法可以建立直達(dá)波和反射波之間的關(guān)系．因此對(duì)于接收天線來(lái)說(shuō),可以將直達(dá)波和反射波區(qū)分開來(lái).

(a) 測(cè)量增益乘積

(b) 模擬的反射波和直達(dá)波信號(hào)比

(c)測(cè)量增益乘積和模擬的反射信號(hào)疊加

(d) 有實(shí)際反射情況下的測(cè)量增益乘積圖6 1.7 GHz頻段對(duì)SGH天線的測(cè)量增益乘積和模擬的反射波

通過(guò)使用外推技術(shù),可以得到無(wú)限遠(yuǎn)處的增益乘積,然后計(jì)算得到待測(cè)天線的增益．對(duì)兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行外推,一次是濾波后的增益乘積,另一次是濾波后的增益乘積加上模擬的反射信號(hào)．比較兩次外推結(jié)果的系數(shù)A1可以得到由吸波材料反射引起的不確定度分量.

因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)提到,主要的反射可能來(lái)自接收天線塔平臺(tái)上的吸波材料,因此在進(jìn)行天線測(cè)量布置時(shí),可以盡可能地將接收天線向前移動(dòng),這樣可以減小角度θ,從而降低測(cè)量不確定度.

需要指出的是,在實(shí)際的測(cè)試中,暗室反射不僅會(huì)包含一次反射,而且會(huì)包含二次及高次反射．但是相比于一次反射,高次反射分量非常?。疁y(cè)量結(jié)果表明,本文提出的這種方法可以有效準(zhǔn)確地模擬實(shí)際的反射,可以滿足不確定度評(píng)定要求,這種方法對(duì)于低頻段來(lái)說(shuō)尤其有用.

3 結(jié) 論

本文討論了外推法天線增益測(cè)量技術(shù),并提出一種模擬暗室中吸波材料反射的方法．經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這種方法可以有效模擬外推法測(cè)量過(guò)程中的反射．這種方法不僅可以用于外推法,也可以用于其他在微波暗室中進(jìn)行的天線測(cè)量系統(tǒng)．這種方法有助于該項(xiàng)不確定度評(píng)定,對(duì)于NIM新建系統(tǒng)的增益測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性提供了有效的輔助驗(yàn)證方法.

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A method to evaluate the chamber reflection effect for antenna gain measurements using an extrapolation range

LIU Xiao1DAVID Gentle2

(1.NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China;2.NationalPhysicalLaboratory,TeddingtonTW11 0LW,theUnitedKingdom)

The extrapolation technique is introduced, and an absorber effect evaluation method is proposed based on the geometrical optics.The method can effectively simulate the reflected wave from the absorber, and by using the extrapolation technique twice, the effect on antenna gain results can be evaluated.The method has been verified in the new extraploation range of ,and NIM (National Institute of Metrology, China) the results agree well with the prediction.The uncertainty due to the absorber effect can therefore be evaluated and the proposed method has already been applied in the extrapolation ranges at NIM and NPL(National Physical Laboratory, UK).The application of the method is not limited to extrapolation ranges, and it can be easily extended to be applied in other antenna measurement systems located in the chamber.

extrapolation range;antenna gain;absorber reflectivity;uncertainty evaluation

劉瀟, GENTLE David.外推法天線增益測(cè)量系統(tǒng)的暗室反射影響評(píng)估[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 31(5)：1004-1008.

10.13443/j.cjors.2015112301

LIU X, GENTLE D.A method to evaluate the chamber reflection effect for antenna gain measurements using an extrapolation range [J].Chinese journal of radio science, 2016, 31(5)：1004-1008.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2015112301

2015-11-23

科技部國(guó)際科技合作與交流專項(xiàng)(2013DFA70570);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題(2014BAK02B01)

TN015

A

1005-0388(2016)05-1004-05

劉瀟 (1983-),女,遼寧人,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，博士,研究方向?yàn)樘炀€和場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)技術(shù).

聯(lián)系人：劉瀟 E-mail：liuxiao@nim.ac.cn