CN110082608A - 一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法 - Google Patents

Abstract

一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，通过在混响室中部署可电调涡旋电磁超表面，引入一个全新的自由度：电磁波轨道角动量，通过电调方式能够控制切换多种独立的电磁波轨道角动量模式，有效地增加独立采样数，所述的源搅拌方法可在有限的空间条件下，与其他搅拌方法同时使用，进一步降低测量不确定度，所述的源搅拌方法与其他搅拌方法同时使用时，在总采样数一定的条件下，可以通过控制电磁超表面的工作模式的数量，调控整体测试时间，本发明能够有效降低混响室测量不确定度，具有占用空间小、调节方式简单、测试耗时短、制作方便、成本低廉的特点。

Description

一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式 的源搅拌方法

技术领域

本发明属于微波混响室技术领域，涉及一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法。

背景技术

微波混响室是一个大型金属腔体，通过不同的搅拌方法在腔内的工作区域产生空间均匀、各向同性、随机极化的电磁场。混响室作为一种新兴的电磁测试环境，具有建造成本低、测试效率高、复现性好等特点，已广泛应用于电磁兼容测试和空口测试。

混响室内电磁场的均匀特性是统计意义下呈现的，搅拌方法越有效，混响室内的场分布就越均匀，测量不确定度也就越低，所以搅拌方法的有效性直接决定了测量结果的可靠度和准确度。现有的搅拌方法主要分为三种，机械搅拌、频率搅拌和源搅拌。机械搅拌方法利用搅拌器的机械转动改变了电磁场的边界条件；频率搅拌方法通过实验数据的后处理复用了一定频段内的电磁模式；源搅拌方法利用转台的机械转动(转台搅拌)或在腔内部署多个天线(天线搅拌)达到激励多种电磁模式的目的。

现有的搅拌方法至少存在以下问题：

搅拌器和转台的机械转动需要一定时间，由于混响室的测量数据量大，因此涉及机械转动的搅拌方法非常费时。频率搅拌只能对数据进行后处理，而无法获得更有效的原始数据，因此适用范围非常有限。天线搅拌要求腔内部署的天线尽可能不相关，即天线之间需要保证足够的距离，一方面部署的天线会减小混响室的有效工作区域，另一方面混响室的尺寸限定了可部署的独立天线数的上限。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，将电磁波的轨道角动量技术应用于混响室，能够有效地增加独立采样数，降低测量不确定度，具有占用空间小、调节方式简单、测试耗时短、制作方便、成本低廉的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，具体步骤如下：

步骤1：在混响室中部署可电调涡旋电磁超表面，所述的可电调涡旋电磁超表面能够将入射的平面波前的电磁波转换为螺旋式波前的涡旋电磁波，所述的电磁超表面置于发射天线或接收天线的主射方向，且与天线保持一定的距离，调整其与天线的相对位置，使电磁波垂直入射所述的电磁超表面；

步骤2：通过外置电路切换所述步骤1的电磁超表面的工作模式，在每个工作模式下完成测试过程；

步骤3：完成所有模式的测试，处理实验数据，得到测试结果。

所述的可电调涡旋电磁超表面由一定数量的电磁超表面单元构成，所述的一定数量取决于天线的工作频段和馈电要求，数量过少则无法有效覆盖天线的主瓣，数量过多则馈电复杂度提高。

所述的一定的距离取决于天线的工作频段和主瓣的波瓣宽度，保证入射到所述的电磁超表面的电磁波近似为平面波，同时使所述的电磁超表面尽可能多的覆盖天线主瓣的波瓣宽度。

所述的每个工作模式对应一种电磁波的涡旋特性，即轨道角动量模式。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明所述的源搅拌方法通过在混响室中部署可电调涡旋电磁超表面，引入了一个全新的自由度：电磁波轨道角动量，因而获取更多的独立采样数，有效的降低测量不确定度。

2.本发明所述的源搅拌方法采用的电磁超表面占用空间小，且所述的电磁超表面的工作模式与其他搅拌方法相互独立，因此所述的源搅拌方法可在有限的空间条件下，与其他搅拌方法同时使用，进一步降低测量不确定度。

3.本发明所述的源搅拌方法采用电调方式控制切换电磁超表面的工作模式，模式切换简单、省时，大大缩短了测试时间。所述的源搅拌方法与其他搅拌方法同时使用时，在总采样数一定的条件下，通过控制电磁超表面的工作模式的数量，可调控整体测试时间。

附图说明

图1(1)、(2)分别是本发明实施例采用的可电调涡旋电磁超表面的结构示意图及超表面单元的局部放大图。

图2是本发明实施例的整体测试环境示意图。

图3是本发明实施例在有无所述的源搅拌方法的两种情况下，混响室场均匀性的测试结果。

图4是本发明实施例对所述的源搅拌方法的独立采样数的估计。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明所采用的可电调涡旋电磁超表面如图1(1)所示，所述的电磁超表面由9×9个超表面单元紧密周期排列构成，每个超表面单元加载两个变容二极管，如图1(2)所示，所述的电磁超表面的尺寸为30cm×30cm×1.2cm。通过外置电路调节变容二极管的偏压值(0-30V DC)，可以调控电磁波的相位特性，进而控制电磁波轨道角动量的模式。

本发明实施例的整体测试环境如图2所示，混响室尺寸为1.50m ×1.44m×0.92m，其中装置两个机械搅拌器(一个水平方向，一个垂直方向)和一个机械转台，转台上安装可调节高度的支架。选取标准喇叭天线作为发射天线，盘锥天线作为接收天线，盘锥天线安装在转台的支架上，且偏离转台中心20cm(转台直径60cm)，所述的电磁超表面置于标准喇叭天线的主辐射方向，保证对天线主要的辐射方向进行滤波，同时所述的电磁超表面与标准喇叭天线口面距离为10cm，保证垂直入射的电磁波为平面波。

发射天线和接收天线均连接网络分析仪，搅拌器和转台连接电机，通过工控机可以控制网络分析仪、电机和外置电路，进而控制收发天线S参数的采集和存储、搅拌器和转台的转动、电磁超表面的工作模式的切换。

本发明实施例的测试频段为5.0GHz-5.2GHz，选取4种所述的电磁超表面的工作模式，电磁波轨道角动量模态为±1和±2；盘锥天线所安装的支架有三个高度，分别为20cm、40cm和60cm，每个高度选取相同的三个正交的方向，即盘锥天线共有9个位置；搅拌器和转台独立转动，且旋转一周分别有50和20个位置，因此指定接收天线的位置和电磁超表面的工作模式时，一次测试共有1000个搅拌位置；整个测试过程中，发射天线(标准喇叭天线)的位置保持不变。

为验证所述的源搅拌方法的有效性，本发明实施例对混响室中有所述的电磁超表面、无所述的电磁超表面两种情况分别进行测试：

1.对4种所述的电磁超表面的工作模式和9个接收天线的位置进行测试，共得到36×1000组实验数据；

2.取下所述的电磁超表面，将其置于混响室的空闲位置，以保证两种测试情况下，混响室内部的加载状态一致，对9个接收天线的位置进行测试，共得到9×1000组实验数据。

所述的实验数据包括整个测试频段的S₂₁、S₁₁和S₂₂参数。

在有无所述的源搅拌方法的两种情况下，分别处理实验数据。根据以下(1)式计算9个天线位置的功率传输函数的标准差，再通过(2) 式将其转化为dB形式，IEC标准通过σ_dB衡量混响室的场均匀性，搅拌越有效，场均匀性越好，σ_dB的值越低。

其中，P_m,n是接收天线在第m个高度、第n个方向的功率传输函数的统计平均值，<P_m,n>₉是9个天线位置的P_m,n的统计平均。具体的测量值为P_m,n＝<|S_21m,n|²>_N，<·>_N表示求N个样本的统计平均，在混响室中有无所述的源搅拌方法的两种情况下，N分别等于4000和1000。为了避免天线端口不匹配对测量结果的影响，可采用(3)式对测量的 S₂₁进行校准：

在有无所述的源搅拌方法的两种情况下，σ_dB如图3所示，可以看出，混响室中加入所述的源搅拌方法后，测量不确定度显著降低，因为所述的源搅拌方法与其他搅拌方法独立，能够有效地增加独立采样数。

本发明实施例选取了4种所述的电磁超表面的工作模式，理论上 4种工作模式相互独立，可以使总的独立采样数提高4倍。为验证4 种工作模式的独立性，采用自由度法对独立采样数进行估计，算法如 (4)式所示：

其中X＝[x₁...x₄]，列向量x_i(i＝1,...,4)对应所述的电磁超表面工作在第i个模式下，9个天线位置、1000个搅拌位置下的信道传输函数(即测量得到的S₂₁，同样采用(3)式进行校准)，H表示矩阵的共轭转置运算，tr表示矩阵的迹运算。

采用自由度法估计的独立采样数如图4所示，可以看出，估计的独立采样数与实际的工作模式数一致，即4种工作模式有着良好的独立性。

综合图3和图4可以看出：本发明提出的源搅拌方法可与其他搅拌方法同时使用，加入所述的源搅拌方法后，可有效提高独立采样数，降低测量不确定度。

Claims (7)

1.一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在混响室中部署可电调涡旋电磁超表面，所述的可电调涡旋电磁超表面能够将入射的平面波前的电磁波转换为螺旋式波前的涡旋电磁波，所述的电磁超表面置于发射天线或接收天线的主射方向，且与天线保持一定的距离，调整其与天线的相对位置，使电磁波垂直入射所述的电磁超表面；

步骤2：通过外置电路切换所述步骤1的电磁超表面的工作模式，在每个工作模式下完成测试过程；

步骤3：完成所有模式的测试，处理实验数据，得到测试结果。

2.根据权利要求1所述的一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，其特征在于，所述的一定的距离取决于天线的工作频段和主瓣的波瓣宽度，保证入射到所述的电磁超表面的电磁波近似为平面波，同时使所述的电磁超表面尽可能多的覆盖天线主瓣的波瓣宽度。

3.根据权利要求1所述的一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，其特征在于，每个所述的工作模式对应一种电磁波的涡旋特性，即轨道角动量模式。

4.根据权利要求1所述的一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，其特征在于，所述电磁超表面的工作模式包含4种，即对应的电磁波轨道角动量模态为±1和±2。

5.根据权利要求1所述的一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，其特征在于，所述工作模式下的测试频段范围为5.0GHz-5.2GHz。

6.根据权利要求1所述的一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，其特征在于，所述可电调涡旋电磁波超表面由9×9个单元结构组成，每个单元结构上加载两个变容二极管，通过其偏压0-30V控制容值从0.7-2.4pF变化，从而控制透射电磁波相位360度的变化，通过分别调控这81个单元的二极管偏压值，使其口面相位符合相应涡旋模态所需的排列方式，即可使得入射的平面转换为具有相应涡旋模态的电磁波。

7.根据权利要求1所述的一种降低混响室测量不确定度的电调电磁波轨道角动量模式的源搅拌方法，其特征在于，所述处理实验数据，具体过程是：

1)根据计算天线位置的功率传输函数的标准差；其中，P_m,n＝<|S_{21 m,n}|²>_S是接收天线在第m个高度、第n个方向(共M个高度和N个方向)的功率传输函数在N_st个搅拌位置下的统计平均值，<P_m,n>_M×N是M×N个天线位置的P_m,n的统计平均；

2)通过将其转化为dB形式，IEC标准通过σ_dB衡量混响室的场均匀性，搅拌越有效，场均匀性越好，σ_dB的值越低。