天線測(cè)試方法介紹

對(duì)天線與某個(gè)應(yīng)用進(jìn)行匹配需要進(jìn)行精確的天線測(cè)量。天線工程師需要判斷天線將如何工作，以便確定天線是否適合特定的應(yīng)用。這意味著要采用天線方向圖測(cè)量(APM)和硬件環(huán)內(nèi)仿真(HiL)測(cè)量技術(shù)，在過(guò)去5年中，國(guó)防部門對(duì)這些技術(shù)的興趣已經(jīng)越來(lái)越濃厚。雖然有許多不同的方法來(lái)開(kāi)展這些測(cè)量，但沒(méi)有一種能適應(yīng)各種場(chǎng)合的理想方法。例如，500MHz以下的低頻天線通常是使用錐形微波暗室(anechoic chamber)，這是20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)的技術(shù)。遺憾的是，大多數(shù)現(xiàn)代天線測(cè)試工程師不熟悉這種非常經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，也不完全理解該技術(shù)的局限性(特別是在高于1GHz的時(shí)候)。因此，他們無(wú)法發(fā)揮這種技術(shù)的最大效用。

　　隨著對(duì)頻率低至100MHz的天線測(cè)量的興趣與日俱增，天線測(cè)試工程師理解各種天線測(cè)試方法(如錐形微波暗室)的優(yōu)勢(shì)和局限的重要性就愈加突出。在測(cè)試天線時(shí)，天線測(cè)試工程師通常需測(cè)量許多參數(shù)，如輻射方向圖、增益、阻抗或極化特性。用于測(cè)試天線方向圖的技術(shù)之一是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，使用這種技術(shù)時(shí)待測(cè)天線(AUT)安裝在發(fā)射天線的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)。其它技術(shù)包括近場(chǎng)和反射面測(cè)試。選用哪種天線測(cè)試場(chǎng)取決于待測(cè)的天線。

　　為更好地理解選擇過(guò)程，可以考慮這種情況：典型的天線測(cè)量系統(tǒng)可以被分成兩個(gè)獨(dú)立的部分，即發(fā)射站和接收站。發(fā)射站由微波發(fā)射源、可選放大器、發(fā)射天線和連接接收站的通信鏈路組成。接收站由AUT、參考天線、接收機(jī)、本振(LO)信號(hào)源、射頻下變頻器、定位器、系統(tǒng)軟件和計(jì)算機(jī)組成。

　　在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試場(chǎng)中，發(fā)射和接收天線分別位于對(duì)方的遠(yuǎn)場(chǎng)處，兩者通常隔得足夠遠(yuǎn)以模擬想要的工作環(huán)境。AUT被距離足夠遠(yuǎn)的源天線所照射，以便在AUT的電氣孔徑上產(chǎn)生接近平面的波陣面。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量可以在室內(nèi)或室外測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行。室內(nèi)測(cè)量通常是在微波暗室中進(jìn)行。這種暗室有矩形的，也有錐形的，專門設(shè)計(jì)用來(lái)減少來(lái)自墻體、地板和天花板的反射(圖1)。在矩形微波暗室中，采用一種墻面吸波材料來(lái)減少反射。在錐形微波暗室中，錐體形狀被用來(lái)產(chǎn)生照射。

　　圖1：這些是典型的室內(nèi)直射式測(cè)量系統(tǒng)，圖中分別為錐形(左)和矩形(右)測(cè)試場(chǎng)。

　　近場(chǎng)和反射測(cè)量也可以在室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行，而且通常是近場(chǎng)或緊縮測(cè)試場(chǎng)。在緊縮測(cè)試場(chǎng)中，反射面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平面波，用于模擬遠(yuǎn)場(chǎng)行為。這使得可以在長(zhǎng)度比遠(yuǎn)場(chǎng)距離短的測(cè)試場(chǎng)中對(duì)天線進(jìn)行測(cè)量。在近場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)中，AUT被放置在近場(chǎng)，接近天線的表面上的場(chǎng)被測(cè)量。隨后測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，即可獲得遠(yuǎn)場(chǎng)行為(圖2)。圖3顯示了在緊縮測(cè)試場(chǎng)中由靜區(qū)上的反射面產(chǎn)生的平面波。

　　圖2：在緊縮測(cè)試場(chǎng)，平坦波形是由反射測(cè)量產(chǎn)生。

　　一般來(lái)說(shuō)，10個(gè)波長(zhǎng)以下的天線(中小型天線)最容易在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)中測(cè)量，這是因?yàn)樵诳晒芾砭嚯x內(nèi)往往可以輕松滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。對(duì)大型天線(electrically large antenna)、反射面和陣列(超過(guò)10個(gè)波長(zhǎng))來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)場(chǎng)通常在許多波長(zhǎng)以外。因此，近場(chǎng)或緊縮測(cè)試場(chǎng)可以提供更加可行的測(cè)量選項(xiàng)，而不管反射面和測(cè)量系統(tǒng)的成本是否上升。

　　假設(shè)天線測(cè)試工程師想要在低頻下進(jìn)行測(cè)量。國(guó)防部門對(duì)此尤感其興趣，因?yàn)樗麄冃枰芯恐T如在低頻下使用天線等事項(xiàng)，以便更好地穿透探地雷達(dá)(GPR)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)(針對(duì)工作在400MHz范圍的射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽)，以及支持更高效的無(wú)線電設(shè)備(如軟件定義無(wú)線電(SDR))和數(shù)字遙感無(wú)線電設(shè)備。在這種情況下，微波暗室可以為室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量提供足夠好的環(huán)境。

　　矩形和錐形是兩種常見(jiàn)的微波暗室類型，即所謂的直接照射方法。每種暗室都有不同的物理尺寸，因此會(huì)有不同的電磁行為。矩形微波暗室處于一種真正的自動(dòng)空間狀態(tài)，而錐形暗室利用反射形成類似自由空間的行為。由于使用了反射的射線，因此最終形成的是準(zhǔn)自由而非真正自由的空間。

　　眾所周知，矩形暗室比較容易制造，在低頻情況下的物理尺寸非常大，而且隨著頻率的提高工作性能會(huì)更好。相反，錐形暗室制造起來(lái)較復(fù)雜，也更長(zhǎng)一些，但寬度和高度比矩陣暗室要小。隨著頻率的提高(如2GHz以上)，對(duì)錐形暗室的操作必須十分小心才能確保達(dá)到足夠高的性能。

　　通過(guò)研究每種暗室中使用的吸波措施可以更清楚地認(rèn)識(shí)矩形和錐形暗室之間的區(qū)別。在矩形暗室中，關(guān)鍵是要減小被稱為靜區(qū)(QZ)的暗室區(qū)域中的反射能量。靜區(qū)電平是進(jìn)入靜區(qū)的反射射線與從源天線到靜區(qū)的直接射線之差，單位是dB。對(duì)于給定的靜區(qū)電平，這意味著后墻要求的正常反射率需等于或大于要達(dá)到的靜區(qū)電平。

　　由于矩形暗室中的反射是一種斜入射，這會(huì)使吸波材料的效率打折扣，因此側(cè)墻非常關(guān)鍵。但是，由于存在源天線的增益，只有較少的能量照射到側(cè)墻(地板和天花板)，因此增益差加上斜入射反射率必須大于或等于靜區(qū)反射率水平。

　　通常只有源和靜區(qū)之間存在鏡面反射的側(cè)墻區(qū)域需要昂貴的側(cè)墻吸波材料。在其它的例子中(例如在位于源后面的發(fā)射端墻處)，可以使用更短的吸波材料。在靜區(qū)周圍一般使用楔形吸波材料，這樣有助于減少任何后向散射，并防止對(duì)測(cè)量造成負(fù)面影響。

　　錐形暗室中采用什么吸波措施呢?開(kāi)發(fā)這種暗室的最初目的是為了規(guī)避矩形暗室在頻率低于500MHz時(shí)的局限性。在這些低頻頻段，矩形暗室不得不使用低效率天線，而且必須增加側(cè)墻吸波材料的厚度來(lái)減少反射并提高性能。同樣，必須增加暗室尺寸以適應(yīng)更大的吸波材料。采用較小的天線不是解決之道，因?yàn)楦偷脑鲆嬉馕吨鴤?cè)墻吸波材料仍必須增大尺寸。

　　錐形暗室沒(méi)有消除鏡面反射。錐體形狀使鏡面區(qū)域更接近饋源(源天線的孔徑)，因此鏡面反射成為照射的一部分。鏡面區(qū)域可以用來(lái)通過(guò)形成一組并行射線入射進(jìn)靜區(qū)，從而產(chǎn)生照射。如圖3所示，最終的靜區(qū)幅度和相位錐度接近自由空間中的期望值。

　　圖3：在緊縮測(cè)試場(chǎng)中由靜區(qū)上的反射面產(chǎn)生的平面波。