高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室及設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于天線暗室測量領(lǐng)域，具體涉及一種高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室及設(shè)計方法。所述的高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室，是在該暗室中在菲涅爾區(qū)的吸波材料呈波浪型漸變布設(shè)，使源天線發(fā)射的電波在菲涅爾區(qū)形成漫散射，同時，讓進(jìn)入靜區(qū)的不同路徑散射波波程差為λ/2，使不同路徑的散射波矢量對消。采用本發(fā)明的測量暗室，可有效提高靜區(qū)性能，通過矢量對消可提升暗室靜區(qū)性能15dB左右。
【專利說明】
高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室及設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于天線暗室測量領(lǐng)域，具體涉及一種高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室及設(shè)計方 法，其特征在于天線遠(yuǎn)場測量暗室中吸波材料安裝的具體形式，使暗室測量環(huán)境達(dá)到高性 能的目的。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今科技的發(fā)展對天線的性能要求越來越高，天線設(shè)計和天線測量是天線特性研 究的兩個重要方面，它們相輔相成，相互影響、相互制約。天線測量可分為遠(yuǎn)場和近場測量， 無論何種測量主要目的是為了獲得天線遠(yuǎn)場輻射特性。天線遠(yuǎn)場輻射特性中增益和副瓣電 平(含前后比）是關(guān)鍵指標(biāo)(劉安邦張宇橋等.《提高天線增益標(biāo)定精度方法研究和誤差評 估》，微波學(xué)報，2012年6月）。天線遠(yuǎn)場測量時影響天線增益和副瓣電平(含前后比）測量誤 差項因素中暗室靜區(qū)性能是主要因素，其關(guān)系分別如下所示：
[0003]增益測量精度與靜區(qū)反射電平間關(guān)系：微波暗室保障天線增益測量時，其它因素 不考慮時天線增益測量誤差主要是由空間駐波產(chǎn)生的，最大增益測量誤差A(yù)GmaxdB為：
[0004] AG腹dB = 201g(l±10(r/20))
[0005] 式中Γ為靜區(qū)反射電平。
[0006]由上式計算可得:增益測量精度與靜區(qū)反射電平間關(guān)系是：
[0008] 副瓣電平測量精度與靜區(qū)反射電平間關(guān)系：在微波暗室中進(jìn)行天線方向圖測量 時，由環(huán)境造成的方向圖測量誤差A(yù)E(dB)為：
[0009] Δ E(dB) =201g( 1 ± 10(0--A)/20))
[0010] 式中Γ為靜區(qū)反射電平，A為天線方向圖副瓣電平。
[0011]由上式計算可得：12dB副瓣處方向圖測量誤差與靜區(qū)反射電平間關(guān)系是：
[0013]因此，為了提高天線遠(yuǎn)場測量精度就必須建造高性能的遠(yuǎn)場天線測量微波暗室， 設(shè)計建造高性能微波暗室是天線測量的基礎(chǔ)工程，是提高天線測量精度的現(xiàn)實所需。
[0014]微波暗室的電性能主要由靜區(qū)的特性來表征，靜區(qū)的特性又以靜區(qū)的大小、靜區(qū) 反射電平、交叉極化度、場均勻性、多路徑損耗及工作頻率范圍等參數(shù)來表述。
[0015]所謂靜區(qū)是指暗室內(nèi)受各種雜散波干擾最小的區(qū)域。它的大小除了與暗室?guī)缀涡?狀、工作頻率、吸收材料的電性能有關(guān)外，還與所要求的反射率電平、靜區(qū)的形狀及暗室的 結(jié)構(gòu)有關(guān)。靜區(qū)反射電平，可以用下式描述：
[0017] 其中：Ed為暗室直射波入射場;ER為由反射、繞射和散射在測量點合成的等效反射 場。
[0018] 微波暗室電性能的核心指標(biāo)是靜區(qū)反射電平，其它指標(biāo)本質(zhì)上均與靜區(qū)反射電平 有關(guān)，靜區(qū)反射電平大小與暗室設(shè)計技術(shù)、暗室布局、吸收材料性能及源天線的增益有關(guān)， 但總體來說，最低工作頻率靜區(qū)反射電平最難達(dá)到要求。天線測試的環(huán)境干擾主要是由暗 室墻體、轉(zhuǎn)臺、源天線支架、受試產(chǎn)品支架等的散射和源天線泄漏引起的。轉(zhuǎn)臺和受試產(chǎn)品 支架，作特殊吸波處理來消除其散射影響(楊文麟劉本東.《微波暗室性能的低頻三維電磁 分析》，電磁干擾與兼容，2009年1月）。源天線泄漏由鋪設(shè)在后墻的吸波材料來解決。墻體是 暗室的主體，通過鋪設(shè)合適的吸波材料及合理的材料布局，可使墻體的散射降低到允許的 范圍。
[0019] 靜區(qū)反射電平的計算思路是:應(yīng)用幾何光學(xué)原理，設(shè)定微波吸收材料性能模擬函 數(shù)(吸收性能隨入射角變化)及源天線方向性模擬函數(shù)（以所提供的發(fā)射天線參數(shù)為依據(jù)進(jìn) 行擬合），計算暗室各壁反射電平在靜區(qū)內(nèi)同相相加的最差性能，然后根據(jù)同相迭加概率得 到靜區(qū)反射電平分布。
[0020] 暗室頂棚、地面和側(cè)墻的反射干擾同靜區(qū)中直射波間的幾何關(guān)系如圖1所示;其中
[0023] d = B-y
[0024] 式中L(米)為天線收發(fā)間距，B為(米)暗室的高(或?qū)挘?，γ?米)頂棚和地面吸波 材料等效反射面厚度之和。
[0025] 暗室頂棚、地面和側(cè)墻反射條件下的靜區(qū)反射電平為：
[0026] Γ i(Qzrefiectivity) =Rat4>+Gate+2OLgcos0
[0027] 式中Rat Φ為墻面吸波材料反射損耗（以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)），Gat0為源天線方向性 系數(shù)。
[0028]暗室主墻反射條件下的靜區(qū)反射電平應(yīng)優(yōu)于：Γ j(QZreflectlvlty)=R [0029]式中R為主墻吸波材料反射損耗。
[0030]暗室靜區(qū)反射電平為：
[0032]由上述論述可知，當(dāng)暗室空間尺寸和源天線選定后，暗室靜區(qū)性能的優(yōu)劣取決于 吸波材料的吸波性能，理論計算和工程實踐表明：常規(guī)矩形暗室1GHz頻段時靜區(qū)反射電平 僅能達(dá)到_40dB(李高升劉繼斌等.《微波暗室設(shè)計原理的研究與應(yīng)用》，電波科學(xué)學(xué)報，2004 年10月），當(dāng)靜區(qū)反射電平由_40dB達(dá)到-45dB時，天線增益測量由暗室干擾造成的誤差成為 小量，對-12dB天線副瓣測量時由暗室干擾造成的誤差由± 0.35dB減小到±0.20dB提高了 43%，因此，建設(shè)高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室是人們的不懈追求。
[0033] 目前，微波暗室設(shè)計計算大都采用電波幾何光學(xué)和幾何繞射理論，兩者均屬射線 理論，前者主要用于鏡面區(qū)反射波的計算，后者主要計算物體邊緣產(chǎn)生的繞射波。當(dāng)采用一 些措施消除了鏡面反射波對靜區(qū)的影響后，則要考慮繞射波對靜區(qū)的影響。繞射波的作用 是不能徹底消除的，只能采用措施盡量減小。由于反射波是已知的和可控的，而繞射波是未 知的和不可控的。因此，暗室設(shè)計應(yīng)盡量避免繞射波的產(chǎn)生。
[0034] 由電波幾何繞射理論知:微波暗室頂棚、地面和兩側(cè)墻反射面均是橢圓面，橢圓反 射面長半軸aN和短半軸b N是頻率、天線收發(fā)間距、暗室尺寸及幾何關(guān)系等的函數(shù)，空間幾何 關(guān)系定義如圖2所示，圖中
[0035] 2aN=RXFiX (1+F22-2XF3)0·5
[0036] 2bN=RX ( (Fi2_1 ) X (l+F22-2 XF3) )0·5
[0037] W=tg_1(HA+Hx)/R
[0038] Fi=(NXA)/(2XR)+SecW
[0039] F2=(Ht2-Ha2)/[(Fi 2-1)XR2]
[0040] F3=(Ht2+Ha2)/[(Fi 2-1)XR2]
[0041 ] 式中R-天線收發(fā)間距，單位m;
[0042] Ψ-反射線同反射面間的夾角，單位Ο;
[0043] λ-電波波長，單位m;
[0044] Ha-發(fā)射天線至反射面距離，單位m;
[0045] Ητ-接收天線至反射面距離，單位m;
[0046] N -菲涅爾帶數(shù)目，取自然數(shù)。
[0047] 由暗室結(jié)構(gòu)尺寸可計算得橢圓反射面長半軸aN和短半軸bN，該面為此墻面電波的 主要反射區(qū)域。此處反射波處理得當(dāng)與否是暗室設(shè)計成敗的關(guān)鍵。
[0048] 暗室吸波材料吸波性能是暗室靜區(qū)性能指標(biāo)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，角錐型吸波材料的吸波 性能取決于參數(shù)D/λ，其中D是角錐型吸波材料的高度，λ是波長。吸波材料測試曲線表明，D/ λ越大，吸波性能越好。此外，電波入射角對吸波材料的性能也有重大影響。吸波材料測試曲 線還表明，入射角越大，吸波性能越差，尤其是當(dāng)入射角大于60°以后，性能急劇下降。角錐 吸波材料吸波性能是吸波材料電高度和電波入射角的函數(shù)。其基本規(guī)律如圖3、圖4所示。
[0049] 矩形暗室側(cè)面電波入射角一般不大于60°，此時1000mm高角錐吸波材料吸波性能 在1GHz時不到-30dB。在低頻段1GHz，吸波材料吸波性能保證不了暗室靜度要求，而在2GHz 以上高頻段，吸波材料厚度增加1倍以上，吸波性能增強(qiáng)；同時天線方向性增強(qiáng)，從而可保證 暗室靜區(qū)性能要求。所以暗室設(shè)計在選定吸波材料品種后保證低頻段吸波性能是關(guān)鍵點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0050] 為了解決現(xiàn)有角錐吸波材料在低頻段保證不了暗室靜度要求的問題，在本發(fā)明提 供了一種高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室及設(shè)計方法;能在低頻段保證暗室靜區(qū)性能要求，有效 地解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0051] 本發(fā)明中，暗室設(shè)計思路是將菲涅爾區(qū)鏡面反射改變?yōu)槎帱c散射，通過設(shè)計使菲 涅爾區(qū)吸波材料波浪型漸變布設(shè)，讓進(jìn)入靜區(qū)的不同路徑散射波波程差為λ/2,使不同路徑 的散射波矢量對消，從而達(dá)到提升靜區(qū)性能目的。
[0052]本發(fā)明所述的高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室設(shè)計方法，是在暗室中通過設(shè)計使菲涅爾 區(qū)吸波材料波浪型漸變布設(shè)，使源天線發(fā)射的電波在菲涅爾區(qū)形成漫散射，同時，讓進(jìn)入靜 區(qū)的不同路徑散射波波程差為λ/2,使不同路徑的散射波矢量對消。
[0053]本發(fā)明同時也提供了一種由上述方法設(shè)計的高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室，該暗室中 在菲涅爾區(qū)的吸波材料呈波浪型漸變布設(shè)，使源天線發(fā)射的電波在菲涅爾區(qū)形成漫散射， 同時，讓進(jìn)入靜區(qū)的不同路徑散射波波程差為λ/2,使不同路徑的散射波矢量對消。
[0054] 由幾何光學(xué)原理可知，源天線發(fā)射的電波經(jīng)二次及其以上反射進(jìn)入靜區(qū)的能量相 對于一次反射屬小量，其影響不作考慮。主要考慮一次反射，源天線Α發(fā)射的電波經(jīng)菲涅爾 區(qū)一次反射進(jìn)入靜區(qū)某點B路徑如圖5所示，①號電波路徑與③號電波路徑波程相同。角錐 吸波材料可等效為平板多層吸波材料，通過設(shè)計吸波材料波浪形漸變布設(shè)，剛好使①號和 ③號波路徑與②號波路徑波程差為λ/2，散射波在靜區(qū)內(nèi)矢量相消，從而提升靜區(qū)性能。經(jīng) 理論計算，通過矢量對消可提升暗室靜區(qū)性能15dB左右。
【附圖說明】
[0055] 圖1是靜區(qū)反射電平計算所需的暗室?guī)缀侮P(guān)系。
[0056] 圖2是菲涅爾帶的幾何參數(shù)。
[0057] 圖3是垂直入射時吸波材料的吸波性能。
[0058]圖4是不同入射角吸波材料的吸波性能。
[0059] 圖5是高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室吸波材料布局模型。
【具體實施方式】
[0060] 實施例一：
[0061 ] 如圖5所示，設(shè)計原理如下：
[0062] 1.1 2aN 的計算
[0063] 2aN=RXFiX (1+F22-2XF3)0·5
[0064] 2bN=RX ( (Fi2-1 ) X (l+F22-2 XF3) )0·5
[0065] W=tg_1(HA+Hx)/R
[0066] Fi=(NXA)/(2XR)+SecW
[0067] F2=(Ht2-Ha2)/[(Fi 2-1)XR2]
[0068] F3=(Ht2+Ha2)/[(Fi 2-1)XR2]
[0069] 式中R-天線收發(fā)間距，單位m
[0070] Ψ-反射線同反射面間的夾角，單位(°)
[0071] λ-電波波長，單位m
[0072] Ha-發(fā)射天線至反射面距離，單位m
[0073] Ητ-接收天線至反射面距離，單位m
[0074] N -菲涅爾帶數(shù)目，取自然數(shù)
[0075] 由暗室結(jié)構(gòu)尺寸菲涅爾帶數(shù)目取3(取值一般不小于3,是本領(lǐng)域的公知常識），可 計算得橢圓反射面長半軸aN和短半軸b N，該面為此墻面電波的主要反射區(qū)域。為保障不同極 化多路徑損耗的均勻性，菲涅爾區(qū)長軸取2aN(圖5中CE，D為CE的中點）。
[0076] 1.2H 的計算
[0077] 主要考慮一次反射，源天線A發(fā)射的電波經(jīng)費涅爾區(qū)一次反射進(jìn)入靜區(qū)某點B路徑 如圖5所示，①號電波路徑與③號電波路徑波程相同。Η的取值剛好使①號和③號波路徑與 ②號波路徑波程差為中心頻率的λ/2,反射波在靜區(qū)內(nèi)矢量相消，從而提升靜區(qū)性能。
[0078] 案例：某暗室屏蔽尺寸：37.8m(長）X 18.4m(寬）X 17.7m(高），暗室使用頻率為 0 · 69GHz ~6GHz，2aN=9m、Η=0 · 7 2m。
[0079] 性能對比：
[0081]采用上述方法和措施設(shè)計的微波暗室，在某暗室工程中獲得了成功應(yīng)用，暗室靜 區(qū)反射電平達(dá)到了_46dB@0.79GHz~0.96GHz，實現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)。該微波暗室設(shè)計方 法及思路對"高效費比"微波暗室的設(shè)計建造具有良好的借鑒性和指導(dǎo)性。
【主權(quán)項】
1. 一種高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室，其特征在于，該暗室中在菲涅爾區(qū)的吸波材料呈波 浪型漸變布設(shè)，使源天線發(fā)射的電波在菲涅爾區(qū)形成漫散射，同時，讓進(jìn)入靜區(qū)的不同路徑 散射波波程差為V2，使不同路徑的散射波矢量對消。2. -種高性能天線遠(yuǎn)場測量暗室設(shè)計方法，其特征在于，在暗室中通過設(shè)計使菲涅爾 區(qū)吸波材料波浪型漸變布設(shè)，使源天線發(fā)射的電波在菲涅爾區(qū)形成漫散射，同時，讓進(jìn)入靜 區(qū)的不同路徑散射波波程差為λ/2,使不同路徑的散射波矢量對消。
【文檔編號】G01R29/10GK105866560SQ201610298980
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】劉本東, 張宇橋, 毛瑩, 李曉峰, 周春杰
【申請人】劉本東