CN205608095U - 一种高性能天线远场测量暗室 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于天线暗室测量领域，具体涉及一种高性能天线远场测量暗室。所述的高性能天线远场测量暗室，是在该暗室中在菲涅尔区的吸波材料呈波浪型渐变布设，使源天线发射的电波在菲涅尔区形成漫散射，同时，让进入静区的不同路径散射波波程差为λ/2，使不同路径的散射波矢量对消。采用本实用新型的测量暗室，可有效提高静区性能，通过矢量对消可提升暗室静区性能15dB左右。

Description

一种高性能天线远场测量暗室

技术领域

本实用新型属于天线暗室测量领域，具体涉及一种高性能天线远场测量暗室，通过改进天线远场测量暗室中吸波材料安装的具体形式，使暗室测量环境达到高性能的目的。

背景技术

当今科技的发展对天线的性能要求越来越高，天线设计和天线测量是天线特性研究的两个重要方面，它们相辅相成，相互影响、相互制约。天线测量可分为远场和近场测量，无论何种测量主要目的是为了获得天线远场辐射特性。天线远场辐射特性中增益和副瓣电平(含前后比)是关键指标(刘安邦张宇桥等.《提高天线增益标定精度方法研究和误差评估》，微波学报，2012年6月)。天线远场测量时影响天线增益和副瓣电平(含前后比)测量误差项因素中暗室静区性能是主要因素，其关系分别如下所示：

增益测量精度与静区反射电平间关系：微波暗室保障天线增益测量时，其它因素不考虑时天线增益测量误差主要是由空间驻波产生的，最大增益测量误差ΔG_maxdB为：

ΔG_maxdB＝20lg(1±10^{( Γ /20)})

式中Γ为静区反射电平。

由上式计算可得：增益测量精度与静区反射电平间关系是：

测量精度(dB)	1.0	0.5	0.25	0.15	0.1
						Γ需求量(dB)	-20	-25	-30	-35	-40

副瓣电平测量精度与静区反射电平间关系：在微波暗室中进行天线方向图测量时，由环境造成的方向图测量误差ΔE(dB)为：

ΔE(dB)＝20lg(1±10^{(( Γ -A)/20)})

式中Γ为静区反射电平，A为天线方向图副瓣电平。

由上式计算可得：12dB副瓣处方向图测量误差与静区反射电平间关系是：

Γ(dB)	-30	-35	-40	-45	-50
						测量误差(dB)	±1.1	±0.6	±0.35	±0.20	±0.11

因此，为了提高天线远场测量精度就必须建造高性能的远场天线测量微波暗室，设计建造高性能微波暗室是天线测量的基础工程，是提高天线测量精度的现实所需。

微波暗室的电性能主要由静区的特性来表征，静区的特性又以静区的大小、静区反射电平、交叉极化度、场均匀性、多路径损耗及工作频率范围等参数来表述。

所谓静区是指暗室内受各种杂散波干扰最小的区域。它的大小除了与暗室几何形状、工作频率、吸收材料的电性能有关外，还与所要求的反射率电平、静区的形状及暗室的结构有 关。静区反射电平，可以用下式描述：

其中：E_D为暗室直射波入射场；E_R为由反射、绕射和散射在测量点合成的等效反射场。

微波暗室电性能的核心指标是静区反射电平，其它指标本质上均与静区反射电平有关，静区反射电平大小与暗室设计技术、暗室布局、吸收材料性能及源天线的增益有关，但总体来说，最低工作频率静区反射电平最难达到要求。天线测试的环境干扰主要是由暗室墙体、转台、源天线支架、受试产品支架等的散射和源天线泄漏引起的。转台和受试产品支架，作特殊吸波处理来消除其散射影响(杨文麟 刘本东.《微波暗室性能的低频三维电磁分析》，电磁干扰与兼容，2009年1月)。源天线泄漏由铺设在后墙的吸波材料来解决。墙体是暗室的主体，通过铺设合适的吸波材料及合理的材料布局，可使墙体的散射降低到允许的范围。

静区反射电平的计算思路是：应用几何光学原理，设定微波吸收材料性能模拟函数(吸收性能随入射角变化)及源天线方向性模拟函数(以所提供的发射天线参数为依据进行拟合)，计算暗室各壁反射电平在静区内同相相加的最差性能，然后根据同相迭加概率得到静区反射电平分布。

暗室顶棚、地面和侧墙的反射干扰同静区中直射波间的几何关系如图1所示；其中

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{L}{d}\right)$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{d}{L}\right)$

d＝B-γ

式中L(米)为天线收发间距，B为(米)暗室的高(或宽)，γ为(米)顶棚和地面吸波材料等效反射面厚度之和。

暗室顶棚、地面和侧墙反射条件下的静区反射电平为:

Γi(Qz_reflectivity)＝R_{at φ}+G_{at θ}+20Lg cosθ

式中Ratφ为墙面吸波材料反射损耗(以实测数据为依据)，Gatθ为源天线方向性系数。

暗室主墙反射条件下的静区反射电平应优于:Γj(Qz_reflectivity)＝R

式中R为主墙吸波材料反射损耗。

暗室静区反射电平为:

$\mathrm{\Γ}\left({\mathrm{Qz}}_{reflectivity}\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\mathrm{\Γ}i+\mathrm{\Γ}j$

由上述论述可知，当暗室空间尺寸和源天线选定后，暗室静区性能的优劣取决于吸波材料的吸波性能，理论计算和工程实践表明：常规矩形暗室1GHz频段时静区反射电平仅能达到-40dB(李高升刘继斌等.《微波暗室设计原理的研究与应用》，电波科学学报，2004年10月)，当静区反射电平由-40dB达到-45dB时，天线增益测量由暗室干扰造成的误差成为小量，对-12dB天线副瓣测量时由暗室干扰造成的误差由±0.35dB减小到±0.20dB提高了43％，因此，建设高性能天线远场测量暗室是人们的不懈追求。

目前，微波暗室设计计算大都采用电波几何光学和几何绕射理论，两者均属射线理论,前者主要用于镜面区反射波的计算,后者主要计算物体边缘产生的绕射波。当采用一些措施消除了镜面反射波对静区的影响后,则要考虑绕射波对静区的影响。绕射波的作用是不能彻底消除的,只能采用措施尽量减小。由于反射波是已知的和可控的，而绕射波是未知的和不可控的。因此，暗室设计应尽量避免绕射波的产生。

由电波几何绕射理论知:微波暗室顶棚、地面和两侧墙反射面均是椭圆面,椭圆反射面长半轴a_N和短半轴b_N是频率、天线收发间距、暗室尺寸及几何关系等的函数，空间几何关系定义如图2所示，图中

2a_N＝R×F₁×(1+F₂ ²-2×F₃)^0.5

2b_N＝R×((F₁ ²-1)×(1+F₂ ²-2×F₃))^0.5

Ψ＝tg^-1(H_A+H_T)/R

F₁＝(N×λ)/(2×R)+SecΨ

F₂＝(H_T ²-H_A ²)/[(F₁ ²-1)×R²]

F₃＝(H_T ²+H_A ²)/[(F₁ ²-1)×R²]

式中R—天线收发间距，单位m；

Ψ—反射线同反射面间的夹角，单位(°)；

λ—电波波长，单位m；

H_A—发射天线至反射面距离，单位m；

H_T—接收天线至反射面距离，单位m；

N—菲涅尔带数目，取自然数。

由暗室结构尺寸可计算得椭圆反射面长半轴a_N和短半轴b_N，该面为此墙面电波的主要反射区域。此处反射波处理得当与否是暗室设计成败的关键。

暗室吸波材料吸波性能是暗室静区性能指标实现的基础，角锥型吸波材料的吸波性能取决于参数D/λ，其中D是角锥型吸波材料的高度，λ是波长。吸波材料测试曲线表明，D/λ越大，吸波性能越好。此外，电波入射角对吸波材料的性能也有重大影响。吸波材料测试曲 线还表明，入射角越大，吸波性能越差，尤其是当入射角大于60°以后，性能急剧下降。角锥吸波材料吸波性能是吸波材料电高度和电波入射角的函数。其基本规律如图3、图4所示。

矩形暗室侧面电波入射角一般不大于60°，此时1000mm高角锥吸波材料吸波性能在1GHz时不到-30dB。在低频段1GHz，吸波材料吸波性能保证不了暗室静度要求，而在2GHz以上高频段，吸波材料厚度增加1倍以上，吸波性能增强；同时天线方向性增强，从而可保证暗室静区性能要求。所以暗室设计在选定吸波材料品种后保证低频段吸波性能是关键点。

实用新型内容

为了解决现有角锥吸波材料在低频段保证不了暗室静度要求的问题，在本实用新型提供了一种高性能天线远场测量暗室；能在低频段保证暗室静区性能要求，有效地解决了现有技术存在的问题。

本实用新型中，暗室设计思路是将菲涅尔区镜面反射改变为多点散射，通过设计使菲涅尔区吸波材料波浪型渐变布设，让进入静区的不同路径散射波波程差为λ/2，使不同路径的散射波矢量对消，从而达到提升静区性能目的。

本实用新型提供了一种高性能天线远场测量暗室，该暗室中在菲涅尔区的吸波材料呈波浪型渐变布设，使源天线发射的电波在菲涅尔区形成漫散射，同时，让进入静区的不同路径散射波波程差为λ/2，使不同路径的散射波矢量对消。

具体地，所述的波浪型渐变布设是双波浪型(W型)。

由几何光学原理可知，源天线发射的电波经二次及其以上反射进入静区的能量相对于一次反射属小量，其影响不作考虑。主要考虑一次反射，源天线A发射的电波经菲涅尔区一次反射进入静区某点B路径如图5、6所示，①号电波路径与③号电波路径波程相同。角锥吸波材料可等效为平板多层吸波材料，通过设计吸波材料波浪形渐变布设，刚好使①号和③号波路径与②号波路径波程差为λ/2，散射波在静区内矢量相消，从而提升静区性能。经理论计算，通过矢量对消可提升暗室静区性能15dB左右。

附图说明

图1是静区反射电平计算所需的暗室几何关系。

图2是菲涅尔带的几何参数。

图3是垂直入射时吸波材料的吸波性能。

图4是不同入射角吸波材料的吸波性能。

图5是高性能天线远场测量暗室吸波材料侧-侧向布局模型。

图6是高性能天线远场测量暗室吸波材料顶-地向布局模型。

具体实施方式

实施例一：

如图5所示，设计原理如下：

1.1 2a_N的计算

2a_N＝R×F₁×(1+F₂ ²-2×F₃)^0.5

2b_N＝R×((F₁ ²-1)×(1+F₂ ²-2×F₃))^0.5

Ψ＝tg^-1(H_A+H_T)/R

F₁＝(N×λ)/(2×R)+SecΨ

F₂＝(H_T ²-H_A ²)/[(F₁ ²-1)×R²]

F₃＝(H_T ²+H_A ²)/[(F₁ ²-1)×R²]

式中R—天线收发间距，单位m

Ψ—反射线同反射面间的夹角，单位(°)

λ—电波波长，单位m

H_A—发射天线至反射面距离，单位m

H_T—接收天线至反射面距离，单位m

N—菲涅尔带数目，取自然数

由暗室结构尺寸菲涅尔带数目取3(取值一般不小于3，是本领域的公知常识)，可计算得椭圆反射面长半轴a_N和短半轴b_N，该面为此墙面电波的主要反射区域。为保障不同极化多路径损耗的均匀性，菲涅尔区长轴取2a_N(图5中CE，D为CE的中点)。

1.2H的计算

主要考虑一次反射，源天线A发射的电波经费涅尔区一次反射进入静区某点B路径如图5、6所示，①号电波路径与③号电波路径波程相同。H的取值刚好使①号和③号波路径与②号波路径波程差为中心频率的λ/2，反射波在静区内矢量相消，从而提升静区性能。

案例：某暗室屏蔽尺寸：37.8m(长)×18.4m(宽)×17.7m(高)，暗室使用频率为0.69GHz～6GHz，2a_N＝9m、H＝0.72m。

性能对比：

频率	0.7GHz	1.7GHz	3GHz	6GHz
					静区反射电平(未处理)	-29.6dB	-40.6dB	-50.1dB	-50.9dB
静区反射电平(本实用新型双波浪处理)	-44.3dB	-48.2dB	-50.9dB	-51.3dB

采用上述方法和措施设计的微波暗室，在某暗室工程中获得了成功应用，暗室静区反射电平达到了-46dB@0.79GHz～0.96GHz，实现了预定的设计目标。该微波暗室设计方法及思路对“高效费比”微波暗室的设计建造具有良好的借鉴性和指导性。

Claims (2)

1.一种高性能天线远场测量暗室，其特征在于，该暗室中在菲涅尔区的吸波材料呈波浪型渐变布设，使源天线发射的电波在菲涅尔区形成漫散射，同时，让进入静区的不同路径散射波波程差为λ/2，使不同路径的散射波矢量对消。

2.根据权利要求1所述高性能天线远场测量暗室，其特征在于，所述的波浪型是指W型。