CN114498063A - 一种雾霾环境下毫米波传输测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种雾霾环境下毫米波传输测量系统，其包括发射喇叭天线、接收喇叭天线、第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜、屏蔽箱、鼓风机、雾霾模拟制作系统和电子测量系统，第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜分别与发射喇叭天线、接收喇叭天线一一对应，且分别设置在屏蔽箱左、右两侧；屏蔽箱内部设有屏蔽腔，左、右两侧壁上分别设有输入窗口、输出窗口，底部设有进风口，顶部设有出风口、雾霾入口；鼓风机的出风口经管道与屏蔽箱的进风口连通，进风口经管道与屏蔽箱的出风口连通；雾霾模拟制作系统与屏蔽箱的雾霾入口连接；电子测量系统与发射、接收喇叭天线相连接。本发明能够测量雾霾环境下的信号衰减，定量的评估毫米波信号在雾霾环境的传播特性。

Description

一种雾霾环境下毫米波传输测量系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是涉及一种雾霾环境下毫米波传输测量系统。

背景技术

无线通信的一种重要手段是采用电磁波作为载体来传输信号。随着5G和6G通信技术的进一步发展，工作频段已经慢慢进入到毫米波频段；毫米波(millimeter wave)频段是指频率为30GHz～300GHz,相应波长为1mm～10mm的电磁波。在无线通信过程中，需要评估电磁波信号在各种传输环境中的特性作为信道估计、信道编码和链路预算的重要基础，这就要求能够准确测量电磁波在各种传输环境的传输特性。

雾霾环境在近年来对通信系统的信号传输产生了负面影响。毫米波频段的电子通信系统在近几年发展越来越快，但对毫米波在雾霾环境下的传输特性研究还不够充分，主要原因是没有可控的实验环境。目前的测量方法主要是基于室外测量，这些测量方法存在以下缺陷：首先，测量环境完全依靠自然环境，无法形成稳定的、可对比的测量数据，具有很大的随机性；其次，室外环境电磁信号复杂，噪声信号混杂，很难形成纯净的测试结果；最后，室外测量采用了远场天线接收方式，要求电子系统能提供比较高的功率。因此，设计能够在室内测量具有可控特性的电磁传输系统就具有基础性的意义。

发明内容

为解决现有技术中的毫米波频段在雾霾环境下传输特性测量的问题，本发明的目的是提供一种雾霾环境下毫米波传输测量系统，其能够产生雾霾颗粒，通过电子测量系统和天线系统工作在毫米波频段并测量毫米波在雾霾环境下的传输特性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种雾霾环境下毫米波传输测量系统，其包括喇叭天线、聚焦反射镜组、屏蔽箱、鼓风机、雾霾模拟制作系统和电子测量系统，所述喇叭天线由发射喇叭天线和接收喇叭天线组成；所述聚焦反射镜组包括第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜，第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜分别与发射喇叭天线、接收喇叭天线一一对应，且分别设置在屏蔽箱左、右两侧；所述屏蔽箱为封闭式结构，内部设有屏蔽腔，屏蔽箱左、右两侧壁上分别设置有与屏蔽腔内部相通、用于毫米波信号传输的输入窗口、输出窗口；屏蔽箱底部设置有进风口，顶部设置有出风口、雾霾入口；所述鼓风机的出风口通过管道与屏蔽箱底部的进风口连通，进风口通过管道与屏蔽箱顶部的出风口连通；所述雾霾模拟制作系统与屏蔽箱的雾霾入口连接；所述电子测量系统通过信号连接线与发射喇叭天线和接收喇叭天线相连接，电子测量系统用于将毫米波信号输入到发射喇叭天线，以及从接收喇叭天线接收信号，并测量出输入信号与接收信号之比。

进一步地，上述的发射喇叭天线、接收喇叭天线的近场分布均具备圆对称性，喇叭天线采用波纹喇叭天线、双模喇叭天线之类具有圆对称近场分布的天线形式。

进一步地，上述的第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜的聚焦反射面均为具有聚焦特性的表面，包括但不限于球面、椭球面、抛物面、双曲面以及具有聚焦性能的人工表面。

进一步地，上述的第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜的焦距相同，且焦点重合。

进一步地，上述的屏蔽箱内部四周侧壁上铺设有吸波材料。

进一步地，上述的输入窗口、输出窗口均用薄膜密封，薄膜材料的厚度小于10微米。

进一步地，上述的电子测量系统包括但不限于矢量网络分析仪、发射机和接收机联合系统、信号源和频谱分析仪联合系统。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该雾霾环境下毫米波传输测量系统，其结构简单，环境可控，尺寸小型化，制造成本低廉，通过构造雾霾环境，利用具有共焦点特性的聚焦反射镜组对电磁波进行可控传输，通过电子测量系统测量雾霾环境下的信号衰减，从而定量的评估毫米波信号在雾霾环境的传播特性；能够在室内环境下对毫米波信号进行测量，能够节约成本，有效缩短测量时间，在无线通信的信道评估和信号传输中有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明雾霾环境下毫米波传输测量系统的结构示意图；

图2是图1中的喇叭天线的结构示意图；

图3a是图1中的第一聚焦反射镜的主视结构示意图；

图3b是图1中的第一聚焦反射镜的侧视结构示意图；

图4a是图1中的屏蔽箱的侧视结构示意图；

图4b是图1中的屏蔽箱的主视结构示意图；

图中：1－出风口；2－雾霾入口；3－雾霾出口；4－雾霾模拟制作系统；5－输出窗口；6－第二聚焦反射镜；7－接收喇叭天线；8－鼓风机；9－电子测量系统；10－进风口；11－屏蔽箱；12－发射喇叭天线；13－第一聚焦反射镜；14－输入窗口；15－输入端；16－传输段；17－辐射段；18－输出端；19－聚焦反射面；20－屏蔽腔；21－吸波材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1、4a、4b所示，本发明雾霾环境下毫米波传输测量系统，其包括喇叭天线、聚焦反射镜组、屏蔽箱11、鼓风机8、雾霾模拟制作系统4和电子测量系统9，所述喇叭天线由发射喇叭天线12和接收喇叭天线7组成，发射喇叭天线、接收喇叭天线7分别是毫米波信号的发射部件、接收部件；所述聚焦反射镜组是毫米波信号的聚焦器件，包括第一聚焦反射镜13、第二聚焦反射镜6，第一聚焦反射镜13、第二聚焦反射镜6分别与发射喇叭天线12、接收喇叭天线7一一对应，上述两个聚焦反射镜的聚焦发射面分别用于将发射喇叭天线、接收喇叭天线的毫米波重新聚焦，防止毫米波扩散太严重而造成信号能量密度下降；第一聚焦反射镜13、第二聚焦反射镜6分别位于屏蔽箱11左、右两侧，发射喇叭天线12与第一聚焦反射镜13之间的距离为D1，接收喇叭天线7与第二聚焦反射镜6之间的距离也为D1，第一聚焦反射镜13、第二聚焦反射镜6之间的距离为D2；所述屏蔽箱11为封闭式结构，高度为H，宽度为W，长度为D，内部设有屏蔽腔20，屏蔽腔是可控环境的腔体部分，屏蔽箱的左、右两侧壁上分别设置有与屏蔽腔内部相通、用于毫米波信号传输的输入窗口14、输出窗口5，输入窗口、输出窗口的半径均为R；屏蔽箱11底部设置有与屏蔽腔20内部相通的进风口10，顶部设置有与屏蔽腔内部相通的出风口1、雾霾入口2，优选地，雾霾入口呈上小下大的漏斗状；所述鼓风机8的出风口通过管道与屏蔽箱底部的进风口10连通，进风口通过管道与屏蔽箱顶部的出风口1连通，屏蔽箱内部四周侧壁上铺设有吸波材料21；所述雾霾模拟制作系统4的雾霾出口3与屏蔽箱11的雾霾入口2连接，用于将将制作的雾霾颗粒经雾霾入口2输入屏蔽箱11内；所述电子测量系统9通过信号连接线与发射喇叭天线12和接收喇叭天线7相连接，用于将毫米波信号输入到发射喇叭天线，以及从接收喇叭天线接收信号，并测量出输入信号与接收信号之比。

上述的电子测量系统具备产生毫米波信号的功能，同时具备接收电磁波信号的功能，包括但不限于矢量网络分析仪、发射机和接收机联合系统、信号源和频谱分析仪联合系统。

上述的发射喇叭天线12、接收喇叭天线7的近场分布均具备圆对称性；优选地，喇叭天线采用波纹喇叭天线、双模喇叭天线之类具有圆对称近场分布的天线形式。

上述的发射喇叭天线12、接收喇叭天线7的结构相同，如图2所示，喇叭天线由依次设置的输入段、传输段16和辐射段17组成，输入段的输入端15为波导接口，优选地，波导接口为圆波导口；传输段16为圆波导；辐射段17用于将波导中的毫米波信号过渡到自由空间的辐射电磁波，辐射段采用锥形结构，且横截面为圆形；辐射段的输出端18的直径d决定输出毫米波信号的直径。

上述的聚焦反射镜组中的第一聚焦反射镜13、第二聚焦反射镜6具有相同的焦距，且上述两个聚焦反射镜的焦点重合，这种具有共焦点特性的聚焦反射镜组具有宽带、低损耗特性，尤其适合于宽带、高精度测量。

上述的喇叭天线，用于将产生的高斯波束入射到聚焦反射镜组上，能够满足聚焦反射镜组的共焦特性。

以第一聚焦反射镜13为例说明聚焦反射镜的结构，如图3a、3b所示，上述的第一聚焦反射镜的高度为h，厚度为t，长度为L；第一聚焦反射镜的聚焦发射面的材质是具有与金属导电率相当的材料，以保证聚焦过程中毫米波信号接近于全反射；聚焦反射面18为抛物面、球面、椭球面、双曲面以及具有聚焦性能的人工表面。

上述的输入窗口14、输出窗口5均用薄膜密封，薄膜材料的厚度小于10微米。

本发明雾霾环境下毫米波传输测量系统，其电子测量系统9将产生的毫米波信号输入到发射喇叭天线12，发射喇叭天线将将产生的高斯波束入射到第一聚焦反射镜13的聚焦发射面上，经过第一聚焦反射镜反射后，穿过输入窗口14进入屏蔽箱11的屏蔽腔20内，此时屏蔽腔内为具有雾霾颗粒的雾霾环境，信号穿过输出窗口5入射至第二聚焦反射镜6的聚焦发射面上，经过第二聚焦反射镜反射后，信号通过接收喇叭天线7接收到，再由电子测量系统接收电磁波信号，并测量出输入信号与接收信号之比，从而能够定量的评估毫米波信号在雾霾环境的传播特性。

在雾霾环境下毫米波传输测量系统的工作频率f已知的情况下，对应的波长λ＝3×10⁸/f。屏蔽箱、聚焦反射镜和喇叭天线的尺寸具有关联性。下面详细描述屏蔽箱、聚焦反射镜和喇叭天线的尺寸设计过程。

步骤1、设定屏蔽箱11的长度D作为所有尺寸设计的起点；

步骤2、计算第一聚焦反射镜13、第二聚焦反射镜6之间的距离D2，D2＝kD，其中，k为无量纲比例因子，且满足k>1；同时，计算发射喇叭天线12与第一聚焦反射镜13之间的距离D1，取

步骤3、确定输入窗口14、输出窗口5的半径为R，利用

计算输入窗口14、输出窗口5的半径R，其中，w₀＝6λ；

步骤4、确定屏蔽箱11的宽度W，取W＝4R；

步骤5、确定第一聚焦反射镜的高度h，取

确定第一聚焦反射镜的长度L，取L＝1.4h；

步骤6、判断D2>D+h是否成立，若不成立，返回步骤2，提高k值，直到D2>D+h成立；若成立，则进入步骤7；

步骤7、确定喇叭天线输出端18的直径d

实施例1

已知工作频率f为100GHz，位于毫米波频段，对应波长λ为0.003米。

步骤1、将屏蔽箱11的长度D设定为0.5米；

步骤2、取k为1.5，得到D2＝kD＝0.75米；发射喇叭天线12与第一聚焦反射镜13之间的距离

步骤3、输入窗口14、输出窗口5的半径为R，利用

其中，w₀＝6λ＝0.018米，因此，R为0.036米；

步骤4、确定屏蔽箱11的宽度W，取W＝4R＝0.144米；

步骤5、确定第一聚焦反射镜的高度h，取

确定第一聚焦反射镜的长度L，取L＝1.4h＝0.28米；

步骤6、判断D2>D+h是否成立，由于D2＝0.75米，D为0.5米，h＝0.2米，故D2>D+h成立；

步骤7、确定喇叭天线输出端18的直径

以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其包括喇叭天线、聚焦反射镜组、屏蔽箱、鼓风机、雾霾模拟制作系统和电子测量系统，所述喇叭天线由发射喇叭天线和接收喇叭天线组成；所述聚焦反射镜组包括第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜，第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜分别与发射喇叭天线、接收喇叭天线一一对应，且分别设置在屏蔽箱左、右两侧；所述屏蔽箱为封闭式结构，内部设有屏蔽腔，屏蔽箱左、右两侧壁上分别设置有与屏蔽腔内部相通、用于毫米波信号传输的输入窗口、输出窗口；屏蔽箱底部设置有进风口，顶部设置有出风口、雾霾入口；所述鼓风机的出风口通过管道与屏蔽箱底部的进风口连通，进风口通过管道与屏蔽箱顶部的出风口连通；所述雾霾模拟制作系统与屏蔽箱的雾霾入口连接；所述电子测量系统通过信号连接线与发射喇叭天线和接收喇叭天线相连接，电子测量系统用于将毫米波信号输入到发射喇叭天线，以及从接收喇叭天线接收信号，并测量出输入信号与接收信号之比。

2.根据权利要求1所述的雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其发射喇叭天线、接收喇叭天线的近场分布均具备圆对称性，喇叭天线采用波纹喇叭天线、双模喇叭天线之类具有圆对称近场分布的天线形式。

3.根据权利要求1所述的雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜的聚焦反射面均为具有聚焦特性的表面，包括但不限于球面、椭球面、抛物面、双曲面以及具有聚焦性能的人工表面。

4.根据权利要求1或3所述的雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜的焦距相同，且焦点重合。

5.根据权利要求1所述的雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其屏蔽箱内部四周侧壁上铺设有吸波材料。

6.根据权利要求1所述的雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其输入窗口、输出窗口均用薄膜密封，薄膜材料的厚度小于10微米。

7.根据权利要求1所述的雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其电子测量系统包括但不限于矢量网络分析仪、发射机和接收机联合系统、信号源和频谱分析仪联合系统。

8.根据权利要求1所述的雾霾环境下毫米波传输测量系统，其特征是：其在雾霾环境下毫米波传输测量系统的工作频率f已知条件下，对应的波长为λ＝3×10⁸/f；屏蔽箱、聚焦反射镜和喇叭天线的尺寸具有关联性，设计过程为：

步骤1、设定屏蔽箱的长度D作为所有尺寸设计的起点；

步骤2、计算第一聚焦反射镜、第二聚焦反射镜之间的距离D2，D2＝kD，其中，k为无量纲比例因子，且满足k>1；同时，计算发射喇叭天线与第一聚焦反射镜之间的距离D1，取

步骤3、确定输入窗口、输出窗口的半径为R，利用

计算输入窗口、输出窗口的半径R，其中，w₀＝6λ；

步骤4、确定屏蔽箱的宽度W，取W＝4R；

步骤5、确定第一聚焦反射镜的高度h，取

确定第一聚焦反射镜的长度L，取L＝1.4h；

步骤6、判断D2>D+h是否成立，若不成立，返回步骤2，提高k值，直到D2>D+h成立；若成立，则进入步骤7；

步骤7、确定喇叭天线输出端的直径d

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