CN102608434B - 一种毫米波黑体散射系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种毫米波黑体散射系数的测量方法。该方法利用矢量网络分析仪双端口校准以及金属平面提供的参考信号，可以对传输路径的衰减以及线性度进行完善的校准。通过使用收发分置天线，并根据给定原则确定测量角度范围，利用网络仪的S参数就可得出毫米波黑体的散射系数。该方法校准手段完善，易于实现大动态、宽频带自动化测量，从而减少测量误差。

Description

一种毫米波黑体散射系数的测量方法

技术领域

本发明涉及一种散射系数的测量方法，特别是一种毫米波黑体散射系数的测量方法。

背景技术

目前国际上只有俄罗斯全俄物理和无线电技术测量科学研究院对辐射计定标源上使用的毫米波黑体的散射系数测量开展过深入研究。但该研究院提出的方法需要使用两个衰减器以及一个相应频率点的辐射计来实现，简称衰减器法。其局限性如下。第一，辐射计只起到电平指示器作用，且在测试过程中保持不变，而两个衰减器则需要频繁进行人工调节，无法进行自动测试；第二，由于辐射计的带宽通常很窄，因此如果进行宽频带散射系数测量则需要准备多台不同工作频点的辐射计；第三，测试链路无法得到有效的校准。

发明内容

本发明目的在于提供一种毫米波黑体散射系数的测量方法，解决现有方法中依赖于外接衰减器和辐射计读数，无法实现自动化、宽频带测量的问题。

一种毫米波黑体散射系数的测量方法的具体步骤为：

第一步搭建毫米波黑体散射系数测量系统

毫米波黑体散射系数测量系统，包括：矢量网络分析仪、天线支架、发射天线、接收天线、弓形滑轨、直滑轨、被测目标支架、毫米波黑体、金属平板。

矢量网络分析仪一个端口与发射天线连接，矢量网络分析仪另一个端口与接收天线连接，测量散射系数；金属平板提供用作参考的反射信号；天线支架支撑发射天线和接收天线；被测目标支架依次安装毫米波黑体和金属平板；弓形滑轨使发射天线支架和接收天线支架围绕弓形滑轨中心做圆周运动；直滑轨使天线支架可沿弓形滑轨径向移动。为使测量结果更加精确，在测试系统裸露的金属部分放置吸波材料来抑制背景反射造成的干扰。在测试过程中，发射天线主波束能量的照射区域完全位于毫米波黑体表面之内；金属平板的面积大于毫米波黑体的最大投影面积。

第二步确定毫米波黑体散射系数测量天线初始位置

首先将毫米波黑体固定在被测目标支架之上。将发射天线与接收天线分别安装在各自的天线支架上面，并使毫米波黑体中心轴线等分发射天线和接收天线之间的夹角。发射天线和接收天线的馈电端口分别与矢量网络分析仪的两个端口相连。两只天线的轴线与弓形滑轨的径向方向一致，并指向毫米波黑体的中心区域。由于发射天线和接收天线物理口径的限制，发射天线和接收天线之间有夹角。当发射天线与接收天线之间没有电磁耦合时，发射天线和接收天线之间的最小夹角即为发射天线和接收天线之间的初始夹角。在发射天线和接收天线之间插入吸波材料并移走。当矢量网络分析仪传输参数有变化，发射天线和接收天线之间存在电磁耦合；当矢量网络分析仪传输参数没有变化，发射天线和接收天线之间不存在电磁耦合。

沿弓形滑轨弧度方向微调接收天线的位置，找到矢量网络分析仪的传输参数的一个局部最大值，此时发射天线和接收天线的位置即为毫米波黑体散射系数测量的初始位置。

待测物为金属平板时初始位置的确定方式与待测物为毫米波黑体时的确定方式一样。

第三步测量毫米波黑体的散射系数

毫米波黑体安装在待测目标支架上，接收天线从确定的初始位置开始，沿弓形滑轨弧度方向向远离发射天线的方向运动。对于手动的弓形滑轨，每移动0.5°-1°记录一次矢量网络分析仪的S₂₁数值，并用线性值表示。直到测得的S₂₁数值低于初始位置时对应数值40dB时结束测试。并用公式（1）计算过程参数a₁。

$a_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(1\right)$

公式（1）中，S₂₁为矢量网络分析仪的传输参数，k为S₂₁的第k个采样点，n为总采样点数目。

用两只90°的钮波导将发射天线和接收天线同时旋转90°，将发射天线和接收天线放回初始位置，重复a₁的操作过程，并用公式（2）计算过程参数a₂。

$a_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(2\right)$

将毫米波黑体取下，然后将金属平板安装在待测目标支架上，沿弓形滑轨弧度方向向远离发射天线的方向运动，对于手动的弓形滑轨，每移动0.5°-1°记录一次矢量网络分析仪的S₂₁数值，并用线性值表示。直到测得的S₂₁数值低于初始位置时对应数值40dB时结束测试。并用公式（3）计算过程参数b₁。

$b_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(3\right)$

用两只90°的钮波导将发射天线和接收天线同时旋转90°，将发射天线和接收天线放回初始位置，重复b₁的操作过程，并利用公式（4）计算过程参数b₂。

$b_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(4\right)$

第四步确定毫米波黑体散射系数

$\mathrm{\σ}=\frac{a_1\·a_2}{b_1\·b_2}---\left(5\right)$

将由公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4）得到的过程参数a₁、a₂、b₁、b₂带入公式（5）得到最终的毫米波黑体散射系数。

至此，完成毫米波黑体散射系数的测量。

本发明利用矢量网络分析仪双端口校准以及金属平面提供的参考信号，可以对传输路径的衰减以及线性度进行完善的校准。通过使用收发分置天线，并根据给定原则确定测量角度范围，利用网络仪的S参数就可计算出毫米波黑体的散射系数。该方法校准手段完善，易于实现大动态、宽频带自动化测量，从而减少测量误差。

附图说明

图1一种毫米波黑体散射系数的测量方法所述毫米波黑体散射系数测量系统组成示意图。

1.矢量网络分析仪2.天线支架3.发射天线4.接收天线5.弓形滑轨

6.直滑轨7.被测目标支架8.毫米波黑体9.金属平板

具体实施方式

一种毫米波黑体散射系数的测量方法的具体步骤为：

第一步搭建毫米波黑体散射系数测量系统

毫米波黑体散射系数测量系统，包括：矢量网络分析仪1、天线支架2、发射天线3、接收天线4、弓形滑轨5、直滑轨6、被测目标支架7、毫米波黑体8、金属平板9。

矢量网络分析仪1一个端口与发射天线3连接，矢量网络分析仪1另一个端口与接收天线4连接，测量散射系数；金属平板9提供用作参考的反射信号；天线支架2支撑发射天线3和接收天线4；被测目标支架7依次安装毫米波黑体8和金属平板9；弓形滑轨5使发射天线3支架2和接收天线4支架2围绕弓形滑轨5中心做圆周运动；直滑轨6使天线支架2可沿弓形滑轨5径向移动。为使测量结果更加精确，在测试系统裸露的金属部分放置吸波材料来抑制背景反射造成的干扰。在测试过程中，发射天线3主波束能量的照射区域完全位于毫米波黑体8表面之内；金属平板9的面积大于毫米波黑体8的最大投影面积。

第二步确定毫米波黑体散射系数测量天线初始位置

首先将毫米波黑体8固定在被测目标支架7之上。将发射天线3与接收天线4分别安装在各自的天线支架2上面，并使毫米波黑体8中心轴线等分发射天线3和接收天线4之间的夹角。发射天线3和接收天线4的馈电端口分别与矢量网络分析仪1的两个端口相连。两只天线的轴线与弓形滑轨5的径向方向一致，并指向毫米波黑体8的中心区域。由于发射天线3和接收天线4物理口径的限制，发射天线3和接收天线4之间有夹角。当发射天线3与接收天线4之间没有电磁耦合时，发射天线3和接收天线4之间的最小夹角即为发射天线3和接收天线4之间的初始夹角。在发射天线3和接收天线4之间插入吸波材料并移走。当矢量网络分析仪1传输参数有变化，发射天线3和接收天线4之间存在电磁耦合；当矢量网络分析仪1传输参数没有变化，发射天线3和接收天线4之间不存在电磁耦合。

沿弓形滑轨5弧度方向微调接收天线4的位置，找到矢量网络分析仪1的传输参数的一个局部最大值，此时发射天线3和接收天线4的位置即为毫米波黑体8散射系数测量的初始位置。

待测物为金属平板9时初始位置的确定方式与待测物为毫米波黑体8时的确定方式一样。

第三步测量毫米波黑体的散射系数

毫米波黑体8安装在待测目标支架上，接收天线4从确定的初始位置开始，沿弓形滑轨5弧度方向向远离发射天线3的方向运动。对于手动的弓形滑轨5，每移动0.5°-1°记录一次矢量网络分析仪1的S₂₁数值，并用线性值表示。直到测得的S₂₁数值低于初始位置时对应数值40dB时结束测试。并用公式（1）计算过程参数a₁。

$a_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(1\right)$

公式（1）中，S₂₁为矢量网络分析仪的传输参数，k为S₂₁的第k个采样点，n为总采样点数目。

用两只90°的钮波导将发射天线3和接收天线4同时旋转90°，将发射天线3和接收天线4放回初始位置，重复a₁的操作过程，并用公式（2）计算过程参数a₂。

$a_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(2\right)$

将毫米波黑体8取下，然后将金属平板9安装在待测目标支架上，沿弓形滑轨5弧度方向向远离发射天线3的方向运动，对于手动的弓形滑轨5，每移动0.5°-1°记录一次矢量网络分析仪1的S₂₁数值，并用线性值表示。直到测得的S₂₁数值低于初始位置时对应数值40dB时结束测试。并用公式（3）计算过程参数b₁。

$b_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(3\right)$

用两只90°的钮波导将发射天线3和接收天线4同时旋转90°，将发射天线3和接收天线4放回初始位置，重复b₁的操作过程，并利用公式（4）计算过程参数b₂。

$b_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(4\right)$

第四步确定毫米波黑体散射系数

$\mathrm{\σ}=\frac{a_1\·a_2}{b_1\·b_2}---\left(5\right)$

将由公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4）得到的过程参数a₁、a₂、b₁、b₂带入公式（5）得到最终的毫米波黑体8散射系数。

至此，完成毫米波黑体8散射系数的测量。

Claims (1)

1.一种毫米波黑体散射系数的测量方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

第一步搭建毫米波黑体散射系数测量系统

毫米波黑体散射系数测量系统，包括：矢量网络分析仪（1）、天线支架（2）、发射天线（3）、接收天线（4）、弓形滑轨（5）、直滑轨（6）、被测目标支架（7）、毫米波黑体（8）、金属平板（9）；

矢量网络分析仪（1）一个端口与发射天线（3）连接，矢量网络分析仪（1）另一个端口与接收天线（4）连接，测量散射系数；金属平板（9）提供用作参考的反射信号；天线支架（2）支撑发射天线（3）和接收天线（4）；被测目标支架（7）依次安装毫米波黑体（8）和金属平板（9）；弓形滑轨（5）使发射天线（3）支架（2）和接收天线（4）支架（2）围绕弓形滑轨（5）中心做圆周运动；直滑轨（6）使天线支架（2）可沿弓形滑轨（5）径向移动；为使测量结果更加精确，在测试系统裸露的金属部分放置吸波材料来抑制背景反射造成的干扰；在测试过程中，发射天线（3）主波束能量的照射区域完全位于毫米波黑体（8）表面之内；金属平板（9）的面积大于毫米波黑体（8）的最大投影面积；

第二步确定毫米波黑体散射系数测量天线初始位置

首先将毫米波黑体（8）固定在被测目标支架（7）之上；将发射天线（3）与接收天线（4）分别安装在各自的天线支架（2）上面，并使毫米波黑体（8）中心轴线等分发射天线（3）和接收天线（4）之间的夹角；发射天线（3）和接收天线（4）的馈电端口分别与矢量网络分析仪（1）的两个端口相连；两只天线的轴线与弓形滑轨（5）的径向方向一致，并指向毫米波黑体（8）的中心区域；由于发射天线（3）和接收天线（4）物理口径的限制，发射天线（3）和接收天线（4）之间有夹角；当发射天线（3）与接收天线（4）之间没有电磁耦合时，发射天线（3）和接收天线（4）之间的最小夹角即为发射天线（3）和接收天线（4）之间的初始夹角；在发射天线（3）和接收天线（4）之间插入吸波材料并移走；当矢量网络分析仪（1）传输参数有变化，发射天线（3）和接收天线（4）之间存在电磁耦合；当矢量网络分析仪（1）传输参数没有变化，发射天线（3）和接收天线（4）之间不存在电磁耦合；

沿弓形滑轨（5）弧度方向微调接收天线（4）的位置，找到矢量网络分析仪（1）的传输参数的一个局部最大值，此时发射天线（3）和接收天线（4）的位置即为毫米波黑体（8）散射系数测量的初始位置；

待测物为金属平板（9）时初始位置的确定方式与待测物为毫米波黑体（8）时的确定方式一样；

第三步测量毫米波黑体的散射系数

毫米波黑体（8）安装在待测目标支架上，接收天线（4）从确定的初始位置开始，沿弓形滑轨（5）弧度方向向远离发射天线（3）的方向运动；对于手动的弓形滑轨（5），每移动0.5°-1°记录一次矢量网络分析仪（1）的S₂₁数值，并用线性值表示；直到测得的S₂₁数值低于初始位置时对应数值40dB时结束测试；并用公式（1）计算过程参数a₁；

$a_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(1\right)$

公式（1）中，S₂₁为矢量网络分析仪的传输参数，k为S₂₁的第k个采样点，n为总采样点数目；

用两只90°的钮波导将发射天线（3）和接收天线（4）同时旋转90°，将发射天线（3）和接收天线（4）放回初始位置，重复a₁的操作过程，并用公式（2）计算过程参数a₂；

$a_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(2\right)$

将毫米波黑体（8）取下，然后将金属平板（9）安装在待测目标支架上，沿弓形滑轨（5）弧度方向向远离发射天线（3）的方向运动，对于手动的弓形滑轨（5），每移动0.5°-1°记录一次矢量网络分析仪（1）的S₂₁数值，并用线性值表示；直到测得的S₂₁数值低于初始位置时对应数值40dB时结束测试；并用公式（3）计算过程参数b₁；

$b_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(3\right)$

用两只90°的钮波导将发射天线（3）和接收天线（4）同时旋转90°，将发射天线（3）和接收天线（4）放回初始位置，重复b₁的操作过程，并利用公式（4）计算过程参数b₂；

$b_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{21}\left(k\right)---\left(4\right)$

第四步确定毫米波黑体散射系数

$\mathrm{\σ}=\frac{a_1\·a_2}{b_1\·b_2}---\left(5\right)$

将由公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4）得到的过程参数a₁、a₂、b₁、b₂带入公式（5）得到最终的毫米波黑体（8）散射系数；

至此，完成毫米波黑体（8）散射系数的测量。

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