CN109884569B - 一种小反射宽频带标准场产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线和传感器电磁场校准技术领域，具体涉及一种小反射宽频带标准场产生装置，包括加载单锥TEM室和半球形微波暗室；所述加载单锥TEM室包括锥体、镜面板、馈电结构和无感电阻，馈电结构穿过镜面板与锥体连接；无感电阻通过金属线以等间隔布设方式连接锥体末端和镜面板末端，无感电阻与馈电结构的距离与锥体母线等长，并且与锥体末端和镜面板末端距离相等；所述加载单锥TEM室通过连接件固定于半球形微波暗室的正中间。本发明标准场产生装置可以将脉冲源产生信号高效激励进入单锥TEM室，利用单锥TEM室末端加载结构将单锥末端的低频信号吸收，利用半球形微波暗室将锥体辐射出来的高频信号吸收，从而产生一个小反射、宽频带且参数已知的标准场。
Description
技术领域
本发明涉及天线和传感器电磁场校准技术领域，具体涉及一种小反射宽频带标准场产生装置。
背景技术
天线和传感器响应性能和灵敏度校准是其研制和应用过程中非常重要的工作内容，国内外目前对天线和传感器性能参数标定主要是根据IEEE Std1309-2013推荐的校准方法，具体而言主要方法包括两大类。一类是利用TEM小室、锥形传输线或GTEM室产生参数已知的标准场对传感器和探头进行时域标定；另一类是利用波导、电流环或标准天线产生参数已知的标准场对传感器和探头进行频域标定。
但上述方法的主要不足之处有两点：
一是标准场产生装置产生的电磁场参数存在近似。全密闭结构的TEM小室或GTEM室内部电场受金属边界条件限制，其内部电磁场表达式采用了近似方法进行求解，使得其内部电磁场并不是精确的严格解，从而给标定结果带来一定的不确定度，即使采用半开放的平板传输线结构构造TEM小室，也会因为高频电流将主要集中于平板边缘辐射，造成其内部电磁场边沿辐射而造成信号损耗。对于标准天线，由于天线口面截断后将形成高次模，但目前对高次模分布并未研究清楚，因此在天线远场计算中采用了TE10主模的口径场近似方法。
二是现有部分标准场产生装置在使用上存在限制。以TEM室为例，受馈电结构或内部高次模影响，现有TEM小室使用上限频率多在数百MHz。GTEM室使用频率范围虽然能达到GHz左右，但内部空间电场均匀性不佳，限制了其在高精度电磁场参数标定中的应用。对于更高频率的标准场通常采用标准天线产生，但标准天线存在频率色散问题，无法应用于时域天线的参数标定。加载单锥TEM室使用频率上限可达20GHz，但受末端反射影响存在着时间窗问题，从而限制了其在更宽脉冲、更低频率的可能应用。
发明内容
本发明要解决的是：标准场产生装置内部电场参数的精确求解问题，并消除标准场产生装置反射干扰等不利因素。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种小反射宽频带标准场产生装置，包括加载单锥TEM室和半球形微波暗室；
所述加载单锥TEM室包括锥体、镜面板、馈电结构和无感电阻，馈电结构穿过镜面板与锥体连接；
无感电阻通过金属线以等间隔布设方式连接锥体末端和镜面板末端，无感电阻与馈电结构的距离与锥体母线等长，并且与锥体末端和镜面板末端距离相等；
脉冲源连接馈电结构，脉冲源产生信号通过馈电结构激励进入单锥TEM室内部产生一定时间窗的标准场；
所述加载单锥TEM室通过连接件固定于半球形微波暗室的正中间。
进一步，多个无感电阻并联后等效阻抗与单锥TEM室特征阻抗相等。
进一步，多个无感电阻并联后等效阻抗与单锥TEM室特征阻抗为50Ω特征阻抗。
进一步，无感电阻数量为8个。
进一步，一根金属线上的无感电阻由多个无感电阻串联组成。
进一步，馈电结构包括锥体插针和金属环，锥体插针外部嵌套了一个金属环，锥体插针的两端分别连接锥体和脉冲源。
进一步，金属环线圈直径为1.0～1.5mm，其与镜面板的垂直距离为1.0mm～1.2mm。
进一步，半球形微波暗室采用尖劈型吸波材料制作。
本发明有益效果如下：
本发明标准场产生装置可以将脉冲源产生信号高效激励进入单锥TEM室，利用单锥TEM室末端加载结构将单锥末端的低频信号吸收，利用半球形微波暗室将锥体辐射出来的高频信号吸收，从而产生一个小反射、宽频带且参数已知的标准场。
通过在单锥末端和镜面板之间加载高频无感电阻，将DC～300MHz频率间加载单锥TEM室端口降低至-25dB以下；二是通过在馈电点处进行环形结构加载，将馈电结构效率提高至99.9％以上，系统响应时间提高至10ps量级，对应频率上限达到了10GHz以上；三是设计了半球形结构的微波暗室，其对加载单锥TEM室辐射的200MHz以上高频信号，垂直反射率达到了-30dB以上，有效避免了辐射信号经外界环境后再次反射回TEM室内部；四是将加载单锥TEM室锥体和镜面板支撑柱分别设置在顶部和底部，即通过将支撑结构置于加载单锥TEM室方向图零点方向，有效避免了支撑结构可能带来的反射影响。
附图说明
图1为小反射宽频带标准场产生装置结构示意图；
图2为加载单锥TEM室示意图；
图3为加载单锥TEM室馈电结构的局部放大图；
图4为半球形微波暗室示意图。
具体实施方式
一种小反射宽频带标准场产生装置，如图1所示，包括加载单锥TEM室1和半球形微波暗室2；
所述加载单锥TEM室1如图2所示，包括锥体3、镜面板4、馈电结构6和无感电阻7，馈电结构6穿过镜面板4与锥体3连接；
无感电阻7通过金属线8以等间隔布设方式连接锥体末端3和镜面板4末端，无感电阻7与馈电结构6的距离与锥体3母线等长，并且与锥体3末端和镜面板4末端距离相等；
脉冲源5连接馈电结构6，脉冲源5产生信号通过馈电结构6激励进入加载单锥TEM室内部产生一定时间窗的标准场；
加载单锥TEM室1的加载实施应该注意三点，一是多个无感电阻7并联后等效阻抗与加载单锥TEM室1特征阻抗相等，通常两者为50Ω特征阻抗。二是无感电阻7数量需要根据设计目标进行调整，数量多时会提高加载单锥TEM室在低频吸收效果，但却可能因为末端电阻加载结构阻挡了加载单锥TEM室高频辐射性能，反之亦然，根据现有仿真和实验结果而言，无感电阻数量应控制在8个左右。三是可以将一根金属线上的单个无感电阻7改为多个无感电阻串联的方式，以提高加载结构对低频吸收效果。
如图3所示，馈电结构6包括锥体插针10和金属环11，锥体插针10外部嵌套了一个金属环11，锥体插针10的两端分别连接锥体3和脉冲源5。该金属环11可以电容补偿方式提高馈电端口的馈电效率，金属环11电容补偿效果与金属环11尺寸及嵌套位置相关，根据现有仿真和实验结果，对于特征阻抗为50Ω且馈电端口为SMA接口的加载单锥TEM室，金属环线圈直径应控制在1.0～1.5mm，与镜面板(4)的垂直距离在1.0mm～1.2mm之间。
半球形微波暗室2如图4所示，微波暗室采用了尖劈型吸波材料，这种吸波材料在电磁波垂直入射时反射率最低。加载单锥TEM室辐射出来信号为球面波，微波暗室吸波材料敷设同样采用了半球型结构，从而使得加载单锥TEM室辐射出来的信号以垂直入射方式进行至微波吸波材料，达到最大吸收效果。同时，为避免吸波材料与加载单锥TEM室之间产生干扰，且同时给天线和传感器标定提供操作空间，微波暗室吸波材料与加载单锥TEM室间应间隔数米距离。
加载单锥TEM室1与半球形微波暗室2之间支撑结构采用了连接件9，加载单锥TEM室1通过连接件9固定于半球形微波暗室2的正中间。加载单锥TEM室1水平为最大辐射方向，垂直方向为加载单锥TEM室1方向图零点方向。因此在设计加载单锥TEM室锥体支撑结构时采用了顶部垂直吊装方式，而镜面板采用了底部垂直支撑结构12，从而在最大程度上减少了加载单锥TEM室支撑结构反射对标准场场参数的影响。
Claims (5)
1.一种小反射宽频带标准场产生装置，其特征在于，包括加载单锥TEM室(1)和半球形微波暗室(2)；
所述加载单锥TEM室(1)包括锥体(3)、镜面板(4)、馈电结构(6)和多个无感电阻(7)，馈电结构(6)穿过镜面板(4)与锥体(3)连接；
多个无感电阻(7)通过金属线(8)以等间隔串联布设的方式连接锥体(3)末端和镜面板(4)末端，无感电阻(7)与馈电结构(6)的距离与锥体(3)母线等长，并且与锥体(3)末端和镜面板(4)末端距离相等；
脉冲源(5)连接馈电结构(6)，脉冲源(5)产生信号通过馈电结构(6)激励进入单锥TEM室内部产生一定时间窗的标准场；
所述加载单锥TEM室(1)通过连接件(9)固定于半球形微波暗室(2)的正中间；
所述多个无感电阻(7)并联后等效阻抗与单锥TEM室特征阻抗相等；
所述多个无感电阻(7)并联后等效阻抗与单锥TEM室特征阻抗为50Ω特征阻抗；
所述无感电阻(7)数量为8个。
2.根据权利要求1所述小反射宽频带标准场产生装置，其特征在于，馈电结构(6)包括锥体插针(10)和金属环(11)，锥体插针(10)外部嵌套了一个金属环(11)，锥体插针(10)的两端分别连接锥体(3)和脉冲源(5)。
3.根据权利要求2所述小反射宽频带标准场产生装置，其特征在于，金属环(11)线圈直径为1.0～1.5mm，其与镜面板(4)的垂直距离为1.0mm～1.2mm。
4.根据权利要求1所述小反射宽频带标准场产生装置，其特征在于，半球形微波暗室(2)采用尖劈型吸波材料制作。
5.根据权利要求1所述小反射宽频带标准场产生装置，其特征在于，镜面板(4)下面设置支撑柱(12)。
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