CN115542026A - 一种基于混响室的天线效率测试方法 - Google Patents

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CN115542026A CN202211166404.9A CN202211166404A CN115542026A CN 115542026 A CN115542026 A CN 115542026A CN 202211166404 A CN202211166404 A CN 202211166404A CN 115542026 A CN115542026 A CN 115542026A
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李新峰
郭浩
王川川
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Abstract

本发明公开一种基于混响室的天线效率测试方法，其无需提前对混响室测试区域进行均匀性校准，仅需要对混响室的品质因数或时间常数进行准确测量，就能够快速对天线辐射效率进行评估。本发明测试速度快，测试频带宽，能够进行宽频段的辐射效率测试，有助于推广混响室在电磁兼容领域的应用。

Description

一种基于混响室的天线效率测试方法
技术领域
本发明属于电磁兼容技术领域，尤其是涉及一种基于混响室的天线效率测试方法。
背景技术
天线效率是天线参数测试中非常重要的参数之一，天线效率能否测准，对电子设备辐射抗扰度、辐射发射测试、屏蔽效能等都有重要影响，尤其是对需要精确掌握天线辐射效率的应用场合。根据电磁互易定理，同一个天线的辐射效率与接收效率是相等的。因此，只需要对其辐射效率进行测试，即可得到其接收效率。随着互联网和物联网技术的高速发展，对天线的可重构性和覆盖范围都提出了新的更高的要求。这也必然带来天线设计领域的革新，比如，对工作在高频段的跳频窄带天线的需求就比以往更加迫切。这种天线内部损耗以及与工作频段的不匹配性，加之通常应用于高反射、散射环境中，使得天线效率测量比其他指标更加重要。在相关测试过程中，需要精确了解所用天线的各项参数，才能保证测试的准确性。因此，天线效率测量在实际应用中有非常广泛的需求。
现有技术中，天线效率测试是在电波暗室中进行的，一般采用参考天线法进行测试；测试过程比较繁琐，耗时较长。
混响室是电大尺寸的金属屏蔽腔体，具有高品质因数特性(高储能性)，通过机械搅拌或频率搅拌改变腔体内的电磁场分布，能够获得统计意义上的均匀电磁场。由于其高品质因数特性，混响室内可产生完全可控的复杂电磁环境，尤其是高场强电磁环境，这使得混响室成为一种经济有效的电子设备高场强辐射灵敏度的测试场地。如今，混响室也被用于其他测量领域，如天线效率、生物电磁效应、汽车的整车电磁环境效应测试等。
天线辐射效率定义为天线辐射功率与输入功率之比，是一个恒小于1的数值，在不同频段，天线辐射效率会有明显的不同。天线辐射效率通过对增益函数进行积分获得，或模拟天线电流分布获得。对于设计良好的天线，天线效率是非常高的，例如双脊喇叭天线，其在工作频段的效率可高达95％。但对于大多数天线，其总效率和辐射效率并不能达到如此高的程度；在不同的使用阶段，天线效率也会发生改变，因此要对天线辐射效率进行测试，以保证相关测试的准确性。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于混响室的天线效率测试方法，其无需提前对混响室测试区域进行均匀性校准，仅需要对混响室的品质因数或时间常数进行准确测量，就能够快速对天线辐射效率进行评估。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于混响室的天线效率测试方法，其包括以下步骤：
S1、构建电磁混响室测试系统，测试系统由待测天线、矢量网络分析仪组成，待测天线置于混响室内部，矢量网络分析仪设置在混响室外部，矢量网络分析仪与待测天线通过射频线连接；提前对混响室的品质因数或时间常数进行测试；
S2、定义P1、P2、PTx、PRf分别为注入待测天线端口的能量、待测天线端口的反射能量、辐射入混响室的能量和反射进入待测天线的能量，得到上述各能量之间具有以下关系：
Figure BDA0003861570940000021
其中，
Figure BDA0003861570940000022
为天线的总辐射功率、或总接收功率，根据电磁互易定理，天线的总辐射功率与总接收功率相等；对式(1)进行变换，得到：
Figure BDA0003861570940000031
式中，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
S3、根据理想混响室基本原理，<P2>/P1＝<|S11，stirred|2>；对式(2)进行变形，得到：
Figure BDA0003861570940000032
根据混响室内基本关系，<PRf>＝2<PRx>，
Figure BDA0003861570940000033
得到天线的总天线效率：
Figure BDA0003861570940000034
式中，Q为混响室的品质因数，V为混响室的有效体积，λ为混响室的工作频率波长，S11，stirred为混响室内搅拌分量；根据混响室内品质因数和时间常数的关系，式(4)表示为：
Figure BDA0003861570940000035
式中，ω为混响室的工作频率，τRC为混响室的时间常数；
S4、由式(5)得出的是天线总辐射效率，包含了天线端口失配的影响；为消除天线端口失配的影响，对式(5)中的混响室内搅拌分量进行修正，得到：
Figure BDA0003861570940000036
式中，S11为接收到的S参数；
S5、结合式(4)、式(6)，得到被测天线的辐射效率为：
Figure BDA0003861570940000037
再结合式(5)，式(7)表示为：
Figure BDA0003861570940000041
上述的基于混响室的天线效率测试方法，其为单天线法测试，过程简单，测试速度快，但需要混响室有较多的独立搅拌位置数，即混响室的后向散射常数为理想值2。
在实际测试过程中，由于各种因素的影响，混响室的后向散射常数并不是在所有频点下都恒为2，而是以2为均值的波动函数分布。因此，本发明还提供了另一种基于混响室的天线效率测试方法，其为双天线法测试。
一种基于混响室的天线效率测试方法，其包括以下步骤：
S1、构建电磁混响室测试系统，测试系统由待测天线、矢量网络分析仪组成，待测天线置于混响室内部，待测天线包括第一天线和第二天线，矢量网络分析仪设置在混响室外部，矢量网络分析仪与待测天线通过射频线连接；提前对混响室的品质因数或时间常数进行测试；
S2、定义P1、P2、PTx、PRf分别为注入待测天线端口的能量、待测天线端口的反射能量、辐射入混响室的能量和反射进入待测天线的能量，得到上述各能量之间具有以下关系：
Figure BDA0003861570940000042
其中，
Figure BDA0003861570940000043
为天线的总辐射功率、或总接收功率，根据电磁互易定理，天线的总辐射功率与总接收功率相等；对式(1)进行变换，得到：
Figure BDA0003861570940000044
式中，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
S3、根据理想混响室基本原理，<P2>/P1＝<|S11，stirred|2>；对式(2)进行变形，得到：
Figure BDA0003861570940000051
在非理想混响室条件下，存在以下关系为：
Figure BDA0003861570940000052
式中，eb为后向散射常数；
Figure BDA0003861570940000053
式中，S11，stirred为混响室内S11的搅拌分量，S22，stirred为混响室内S22的搅拌分量，S21，stirred为混响室内S21的搅拌分量，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
基于后向散射常数的概念，得到式(11)中的双天线的总天线效率：
Figure BDA0003861570940000054
式中，
Figure BDA0003861570940000055
为第一天线的总辐射效率；
Figure BDA0003861570940000056
为第二天线的总辐射效率；V为混响室的有效体积，λ为混响室的工作频率波长，ω为混响室的工作频率，τRC为混响室的时间常数；S11，stirred为混响室内S11参数的搅拌分量；S22，stirred为混响室内S22参数的搅拌分量；
S4、对式(11)中的混响室内搅拌分量S11，stirred、S22，stirred分别进行修正，得到：
Figure BDA0003861570940000057
Figure BDA0003861570940000058
式中，S11为实测S11参数；S22为实测S22参数；
S5、结合式(11)、式(12)、式(13)，得到被测双天线的辐射效率：
Figure BDA0003861570940000061
式中，
Figure BDA0003861570940000062
为第一天线的辐射效率；
Figure BDA0003861570940000063
为第二天线的辐射效率。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
该基于混响室的天线效率测试方法，其利用混响室进行天线效率测试具有的明显优势为：一、混响室内电磁环境更接近于天线实际工作中的散射场多径电磁环境；二、混响室测试速度快，测试频带宽，能够进行宽频段的辐射效率测试。天线效率是一项重要的天线参数，对于基于天线的相关测试非常重要，尤其是在无线通信测试领域；利用混响室进行天线效率测试有利于提高相关试验效率，有助于混响室技术得到更好的推广。
该基于混响室的天线效率测试方法，其无需对混响室进行均匀性校准，能够有效提高测试效率；测试速度快，测试频带宽，能够进行宽频段的辐射效率测试，有助于推广混响室在电磁兼容领域的应用。
附图说明
图1是本发明中的电磁混响室测试系统实施例之一的结构示意图；
图2是本发明中的电磁混响室测试系统实施例之二的结构示意图；
图3是图1中的单天线接收到某一边界条件下的S11参数图；
图4是图2中的双天线接收到某一边界条件下的S11参数图；
图5是本发明用于单天线和双天线法分别测得的天线效率与电波暗室中测试结果对比图；
图中：1-搅拌器；2-混响室；3-矢量网络分析仪；4-第一待测天线；5-接收天线；6-发射天线。
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。
实施例1
一种基于混响室的天线效率测试方法，其为单天线法，包括以下步骤：
S1、构建电磁混响室测试系统，如图1所示，测试系统由第一待测天线4、矢量网络分析仪3组成，矢量网络分析仪的测试频率为1GHz-10GHz，为保证时域信号的准确性，频域采样点数为100001，独立搅拌位置数为20个，搅拌器1工作于步进搅拌状态，步进角度为18°；待测天线置于混响室2内部，矢量网络分析仪设置在混响室外部，矢量网络分析仪与待测天线通过射频线连接；无需提前对混响室测试区域进行均匀性校准，仅需要提前对混响室的品质因数或时间常数进行测试，此测试方法为现有技术，故不再赘述；
S2、定义P1、P2、PTx、PRf分别为注入待测天线端口的能量、待测天线端口的反射能量、辐射入混响室的能量和反射进入待测天线的能量，得到上述各能量之间具有以下关系：
Figure BDA0003861570940000071
其中，
Figure BDA0003861570940000072
为天线的总辐射功率、或总接收功率，根据电磁互易定理，天线的总辐射功率与总接收功率相等；对式(1)进行变换，得到：
Figure BDA0003861570940000073
式中，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
S3、根据理想混响室基本原理，<P2>/P1＝<|S11，stirred|2>；对式(2)进行变形，得到：
Figure BDA0003861570940000074
根据混响室内基本关系，<PRf>＝2<PRx>，
Figure BDA0003861570940000081
得到天线的总天线效率：
Figure BDA0003861570940000082
式中，Q为混响室的品质因数，V为混响室的有效体积，λ为混响室的工作频率波长，S11，stirred为混响室内搅拌分量；根据混响室内品质因数和时间常数的关系，式(4)表示为：
Figure BDA0003861570940000083
式中，ω为混响室的工作频率，τRC为混响室的时间常数；
S4、由式(5)得出的是天线总辐射效率，包含了天线端口失配的影响；为消除天线端口失配的影响，对式(5)中的混响室内搅拌分量进行修正，得到：
Figure BDA0003861570940000084
式中，S11为接收到的S参数；第一待测天线接收到某一边界条件下的S11参数曲线图，记录20个独立搅拌位置数下的20组S参数，并进行相应处理，如图3所示；
S5、结合式(4)、式(6)，得到被测天线的辐射效率为：
Figure BDA0003861570940000085
再结合式(5)，式(7)表示为：
Figure BDA0003861570940000086
实施例2
一种基于混响室的天线效率测试方法，其为双天线法，包括以下步骤：
S1、构建电磁混响室测试系统，如图2所示，测试系统由第二待测天线、矢量网络分析仪3组成，矢量网络分析仪的测试频率为1GHz-10GHz，为保证时域信号的准确性，频域采样点数为100001，独立搅拌位置数为20个，搅拌器1工作于步进搅拌状态，步进角度为18°；第二待测天线置于混响室内部，第二待测天线包括发射天线6和接收天线5，矢量网络分析仪设置在混响室2外部，矢量网络分析仪与待测天线通过射频线连接；无需提前对混响室测试区域进行均匀性校准，仅需要提前对混响室的品质因数或时间常数进行测试；
S2、定义P1、P2、PTx、PRf分别为注入待测天线端口的能量、待测天线端口的反射能量、辐射入混响室的能量和反射进入待测天线的能量，得到上述各能量之间具有以下关系：
Figure BDA0003861570940000091
其中，
Figure BDA0003861570940000092
为天线的总辐射功率、或总接收功率，根据电磁互易定理，天线的总辐射功率与总接收功率相等；对式(1)进行变换，得到：
Figure BDA0003861570940000093
式中，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
S3、根据理想混响室基本原理，<P2>/P1＝<|S11，stirred|2>；对式(2)进行变形，得到：
Figure BDA0003861570940000094
在非理想混响室条件下，存在以下关系为：
Figure BDA0003861570940000095
式中，eb为后向散射常数；
Figure BDA0003861570940000096
式中，S11，stirred为混响室内S11的搅拌分量，S22，stirred为混响室内S22的搅拌分量，S21，stirred为混响室内S21的搅拌分量，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；双天线接收到某一边界条件下的S21参数曲线图，记录20个独立搅拌位置数下的20组S参数，并进行相应处理，如图4所示；
基于后向散射常数的概念，得到式(11)中的双天线的总天线效率：
Figure BDA0003861570940000101
式中，
Figure BDA0003861570940000102
为接收天线的总辐射效率；
Figure BDA0003861570940000103
为发射天线的总辐射效率；V为混响室的有效体积，λ为混响室的工作频率波长，ω为混响室的工作频率，τRC为混响室的时间常数；S11，stirred为混响室内S11参数的搅拌分量；S22，stirred为混响室内S22参数的搅拌分量；
S4、对式(11)中的混响室内搅拌分量S11，stirred、S22，stirred分别进行修正，得到：
Figure BDA0003861570940000104
Figure BDA0003861570940000105
式中，S11为实测S11参数；S22为实测S22参数；
S5、结合式(11)、式(12)、式(13)，得到被测双天线的辐射效率：
Figure BDA0003861570940000106
式中，
Figure BDA0003861570940000107
为接收天线的辐射效率；
Figure BDA0003861570940000108
为发射天线的辐射效率。
如图5所示，单天线法(single antenna in RC)和双天线法(double antenna inRC)的天线效率测试结果与电波暗室中测试结果(AC results)对比，获知测试结果的一致性是很好的，表明本发明的测试方法切实可行，能够准确测得未知天线的天线效率。
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 (2)

1.一种基于混响室的天线效率测试方法，其特征是：其包括以下步骤：
S1、构建电磁混响室测试系统，测试系统由待测天线、矢量网络分析仪组成，待测天线置于混响室内部，矢量网络分析仪设置在混响室外部，矢量网络分析仪与待测天线通过射频线连接；提前对混响室的品质因数或时间常数进行测试；
S2、定义P1、P2、PTx、PRf分别为注入待测天线端口的能量、待测天线端口的反射能量、辐射入混响室的能量和反射进入待测天线的能量，得到上述各能量之间具有以下关系：
Figure FDA0003861570930000011
其中，
Figure FDA0003861570930000012
为天线的总辐射功率、或总接收功率，根据电磁互易定理，天线的总辐射功率与总接收功率相等；对式(1)进行变换，得到：
Figure FDA0003861570930000013
式中，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
S3、根据理想混响室基本原理，<P2>/P1＝<|S11,stirred|2>；对式(2)进行变形，得到：
Figure FDA0003861570930000014
根据混响室内基本关系，<PRf>＝2<PRx>，
Figure FDA0003861570930000015
得到天线的总天线效率：
Figure FDA0003861570930000016
式中，Q为混响室的品质因数，V为混响室的有效体积，λ为混响室的工作频率波长，S11,stirred为混响室内搅拌分量；根据混响室内品质因数和时间常数的关系，式(4)表示为：
Figure FDA0003861570930000021
式中，ω为混响室的工作频率，τRC为混响室的时间常数；
S4、由式(5)得出的是天线总辐射效率，包含了天线端口失配的影响；为消除天线端口失配的影响，对式(5)中的混响室内搅拌分量进行修正，得到：
Figure FDA0003861570930000022
式中，S11为接收到的S参数；
S5、结合式(4)、式(6)，得到被测天线的辐射效率为：
Figure FDA0003861570930000023
再结合式(5)，式(7)表示为：
Figure FDA0003861570930000024
2.一种基于混响室的天线效率测试方法，其特征是：其包括以下步骤：
S1、构建电磁混响室测试系统，测试系统由待测天线、矢量网络分析仪组成，待测天线置于混响室内部，待测天线包括第一天线和第二天线，矢量网络分析仪设置在混响室外部，矢量网络分析仪与待测天线通过射频线连接；提前对混响室的品质因数或时间常数进行测试；
S2、定义P1、P2、PTx、PRf分别为注入待测天线端口的能量、待测天线端口的反射能量、辐射入混响室的能量和反射进入待测天线的能量，得到上述各能量之间具有以下关系：
Figure FDA0003861570930000025
其中，
Figure FDA0003861570930000031
为天线的总辐射功率、或总接收功率，根据电磁互易定理，天线的总辐射功率与总接收功率相等；对式(1)进行变换，得到：
Figure FDA0003861570930000032
式中，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
S3、根据理想混响室基本原理，<P2>/P1＝<|S11,stirred|2>；对式(2)进行变形，得到：
Figure FDA0003861570930000033
在非理想混响室条件下，存在以下关系为：
Figure FDA0003861570930000034
式中，eb为后向散射常数；
Figure FDA0003861570930000035
式中，S11,stirred为混响室内S11的搅拌分量，S22,stirred为混响室内S22的搅拌分量，S21,stirred为混响室内S21的搅拌分量，<·>表示对所有独立搅拌位置求平均；
基于后向散射常数的概念，得到式(11)中的双天线的总天线效率：
Figure FDA0003861570930000036
式中，
Figure FDA0003861570930000037
为第一天线的总辐射效率；
Figure FDA0003861570930000038
为第二天线的总辐射效率；V为混响室的有效体积，λ为混响室的工作频率波长，ω为混响室的工作频率，τRC为混响室的时间常数；S11,stirred为混响室内S11参数的搅拌分量；S22,stirred为混响室内S22参数的搅拌分量；
S4、对式(11)中的混响室内搅拌分量S11,stirred、S22,stirred分别进行修正，得到：
Figure FDA0003861570930000041
Figure FDA0003861570930000042
式中，S11为实测S11参数；S22为实测S22参数；
S5、结合式(11)、式(12)、式(13)，得到被测双天线的辐射效率：
Figure FDA0003861570930000043
式中，
Figure FDA0003861570930000044
为第一天线的辐射效率；
Figure FDA0003861570930000045
为第二天线的辐射效率。
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CN117590090A (zh) * 2024-01-18 2024-02-23 中国计量科学研究院 一种电磁混响室场均匀性快速确认装置、方法及设备

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