一種天線遠(yuǎn)場(chǎng)反射消除的簡(jiǎn)便方法

王虎

摘 要： 天線遠(yuǎn)場(chǎng)反射會(huì)對(duì)天線測(cè)試有一定的影響。首先介紹了使用喇叭進(jìn)行增益測(cè)試來(lái)判斷天線遠(yuǎn)場(chǎng)反射的方法；然后根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在天線測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)的發(fā)射端和接收端進(jìn)行削波，以避免電磁波照射到地面形成反射和減少接收反射信號(hào)，從而達(dá)到消除反射的目的。并在一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)作了驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)方法可行。

關(guān)鍵詞： 天線遠(yuǎn)場(chǎng)； 遠(yuǎn)場(chǎng)反射； 天線測(cè)試； 消除遠(yuǎn)場(chǎng)反射

中圖分類(lèi)號(hào)： TN820.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）17?0065?03

Abstract： Antenna far?field′s reflection has definite influence on antenna testing. The method to judge far?field′s reflection by gain testing with a pyramidal horn is introduced in this paper. According to the Fresnel zone theory of radio wave propagation， the clipping is done at both the transmitting terminal and receiving terminal of antenna testing far?field to avoid the reflection that the electromagnetic wave irradiates on the ground and to reduce the received reflection signal， so as to realize the reflection elimination. The feasibility was validated in a far?field experiment.

Keywords： antenna far?field； far?field reflection； antenna test； elimination of far?field reflection

在天線測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)，由于電波傳播的擴(kuò)散作用或發(fā)射天線波束較寬的原因，電波會(huì)照射到遠(yuǎn)場(chǎng)地面形成反射。這種反射有時(shí)會(huì)對(duì)天線測(cè)試有一定的影響，確定反射存在并對(duì)測(cè)試有影響后，就必須要考慮消除反射。傳統(tǒng)的反射消除方法是在遠(yuǎn)場(chǎng)地面建設(shè)衍射柵或鋪設(shè)吸波材料[1]。有時(shí)不具備采取這樣的措施的條件，就需要尋找另外的方法消除反射。

1 電波傳播的菲涅爾區(qū)

菲涅爾區(qū)理論是電波傳播的重要理論[2]。菲涅爾區(qū)理論認(rèn)為：電磁波在傳播過(guò)程中，其路徑不是直線，是以發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓管道；這個(gè)管道可以按照一定規(guī)律分成很多同心圓環(huán)，稱(chēng)為菲涅爾區(qū)；其中最重要的是在管道中心的第一菲涅爾區(qū)和最小菲涅爾區(qū)；最小菲涅爾區(qū)在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)，是自由傳播空間；在傳播過(guò)程中的障礙物只要不進(jìn)入第一菲涅爾區(qū)20%以上，就不會(huì)對(duì)最小菲涅爾區(qū)內(nèi)的自由空間傳播產(chǎn)生影響。第一菲涅爾區(qū)和最小菲涅爾區(qū)關(guān)系如圖1所示。

結(jié)合表1喇叭指標(biāo)，對(duì)表2測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看到：天1喇叭和天2喇叭天線的指標(biāo)比較接近，測(cè)試結(jié)果也比較接近，說(shuō)明測(cè)試天線增益時(shí)，喇叭增益高低影響不大；但天3喇叭和天1、天2喇叭的增益測(cè)試結(jié)果差別比較大，具體分析如下：

由于作對(duì)比增益測(cè)試，其他的不變，只是用了不同喇叭，所以天線增益的差別來(lái)自喇叭。從表2可以看出，天3喇叭測(cè)試值相對(duì)其增益變大了，表明喇叭測(cè)試時(shí)混入了一個(gè)同頻信號(hào)疊加造成信號(hào)增強(qiáng)。排除了測(cè)試儀器系統(tǒng)原因后，確定是地面反射信號(hào)進(jìn)入測(cè)試疊加造成了信號(hào)增強(qiáng)，即由于喇叭接收反射信號(hào)的大小是和喇叭主瓣寬度相關(guān)的，天3喇叭主瓣寬度較寬，接收到反射信號(hào)較大造成了增益測(cè)試結(jié)果變小。證明了反射的存在并對(duì)天線測(cè)試有影響。在頻率為8 GHz時(shí)增益差別較大，所以本文后面的測(cè)試計(jì)算以8 GHz為準(zhǔn)進(jìn)行。

3 采取的反射消除措施

經(jīng)分析，由于場(chǎng)地接收、發(fā)射端都是最高建筑，場(chǎng)地四周沒(méi)有高大反射物體，場(chǎng)地中間是平坦草地，所以反射主要來(lái)自地面，并且各個(gè)距離反射相似，是區(qū)域反射。按照傳統(tǒng)的反射消除方法，需要在地面鋪設(shè)吸波材料或建設(shè)衍射柵。本文由于特殊原因無(wú)法采取這樣的措施，只能在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射、接收端想辦法，考慮怎么樣才只發(fā)射、接收直射電波。根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論：最小菲涅爾區(qū)內(nèi)是自由空間傳播，在傳播過(guò)程中的障礙物只要不進(jìn)入第一菲涅爾區(qū)20%以上，就不會(huì)對(duì)最小菲涅爾區(qū)內(nèi)的自由空間傳播產(chǎn)生影響，即可以把電波第一菲涅爾區(qū)以外的部分消掉，不會(huì)影響天線遠(yuǎn)場(chǎng)需要的自由空間的傳播。因此，本文根據(jù)菲涅爾區(qū)理論設(shè)計(jì)了2點(diǎn)解決措施：一是發(fā)射端根據(jù)菲涅爾區(qū)理論削減發(fā)射信號(hào)波束寬度來(lái)減少反射信號(hào)形成；二是接收端根據(jù)菲涅爾區(qū)理論通過(guò)調(diào)整接收信號(hào)開(kāi)口大小來(lái)盡量少接收反射信號(hào)。

3.1 發(fā)射端消除反射措施

發(fā)射端要達(dá)到盡量減少電磁波照射到地面形成反射信號(hào)的目的，可以通過(guò)削減發(fā)射信號(hào)波束寬度來(lái)進(jìn)行。為了削減發(fā)射信號(hào)，決定設(shè)計(jì)一個(gè)里面鋪設(shè)吸波材料的發(fā)射筒，安裝在發(fā)射喇叭前面。考慮到直筒效果不如倒錐體，首先確定形狀選擇倒錐體。在錐頂開(kāi)一個(gè)大小合適的口來(lái)發(fā)射電磁波。由于只需要削減朝向地面的電磁波，朝上的不需要削減，設(shè)計(jì)形狀如圖3所示。

3.2 接收端消除反射措施

接收端只能通過(guò)調(diào)整半開(kāi)口暗室開(kāi)口大小來(lái)減少接收反射信號(hào)。由于開(kāi)口處卷簾門(mén)大小已固定，決定在天線前面1.5 m處（安裝空間決定）加屏風(fēng)，屏風(fēng)中間開(kāi)口讓需要的電磁波通過(guò)照射到天線上。屏風(fēng)開(kāi)口的大小，既要完成削波又不能影響需要的電磁波的傳播。

以屏風(fēng)口的下邊為例計(jì)算屏風(fēng)口開(kāi)口大小（見(jiàn)圖4，黑粗線為屏風(fēng)）。以發(fā)射喇叭相位中心A點(diǎn)和天線下邊緣C點(diǎn)連線作為需要的最低位置傳播通道。根據(jù)菲涅爾區(qū)理論，最大削減程度只能到所需最低位置傳播通道的第一菲涅爾區(qū)之外，即屏風(fēng)口距離天線邊緣的垂直距離必須大于最低位置傳播通道在此處的第一菲涅爾區(qū)半徑才不會(huì)影響需要的電磁波傳播。

為了給減少屏風(fēng)口的繞射和反射留下裕量，屏風(fēng)開(kāi)口在計(jì)算出[d]的基礎(chǔ)上加大一定量[6]。這里[d]值取0.25 m，同樣的方法可以計(jì)算出屏風(fēng)口其他邊的大小。假設(shè)天線口徑為1 m，則屏風(fēng)中間開(kāi)口為1.50 m的正方形。同時(shí)屏風(fēng)還能改善暗室內(nèi)設(shè)施引起的反射。

4 消除反射措施驗(yàn)證

設(shè)計(jì)反射消除措施后，需要對(duì)設(shè)計(jì)的消除措施效果加以測(cè)試，做了簡(jiǎn)易裝置加以測(cè)試。用已知增益天線測(cè)試結(jié)果與天線的標(biāo)準(zhǔn)增益作對(duì)比，在誤差容許范圍內(nèi)。

為了確定是否還有反射和反射的影響，由于接收到的信號(hào)是直射和反射信號(hào)的疊加，地面反射信號(hào)是廣角入射，2種信號(hào)同頻不同相，存在正弦波疊加的極大值和極小值。考慮這一特性，采用天1喇叭作為測(cè)試?yán)龋妊販y(cè)試場(chǎng)縱軸移動(dòng)，每移動(dòng)[14]波長(zhǎng)為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以測(cè)試信號(hào)波動(dòng)來(lái)估計(jì)反射。

以8 GHz為例進(jìn)行測(cè)試。以轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心為測(cè)試零點(diǎn)，朝向發(fā)射端為正，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。喇叭測(cè)試的最大值為-37.75 dBm，最小值為-37.94 dBm。

采取糾正措施后，8 GHz喇叭測(cè)試值由-37 dBm變成了-37.75 dBm，因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)的直射信號(hào)是不變的，喇叭測(cè)試值減小表示反射減少了，說(shuō)明反射消除成功。測(cè)試有一定的起伏，還有一定的反射存在，經(jīng)分析是因?yàn)轵?yàn)證裝置是簡(jiǎn)易裝置沒(méi)有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求引起的。現(xiàn)存反射引起的增益測(cè)試誤差經(jīng)估算為0.09 dB，滿(mǎn)足天線測(cè)試要求，表明設(shè)計(jì)的反射消除方法可行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以一個(gè)新建遠(yuǎn)場(chǎng)為例，介紹了如何用喇叭判斷遠(yuǎn)場(chǎng)反射影響，再根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在遠(yuǎn)場(chǎng)的發(fā)射端和接收端對(duì)電波信號(hào)進(jìn)行削波處理，只需一個(gè)發(fā)射筒和一個(gè)屏風(fēng)，就達(dá)到了消除反射目的，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低廉。

參考文獻(xiàn)

[1] 電子工業(yè)部第十四研究所.SJ20348?1993 低副瓣平板裂縫天線性能遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法[S].南京：電子工業(yè)部第十四研究所，1993.

[2] 宋錚.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3] 束咸榮.相控陣?yán)走_(dá)天線[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4] 中華人民共和國(guó)電子工業(yè)部.SJ20347?93 機(jī)載火控雷達(dá)天線單元通用技術(shù)要求和測(cè)試方法[S].北京：中華人民共和國(guó)電子工業(yè)部，1993.

[5] 中國(guó)航天工業(yè)總公司二十三所.QJ1729A?1996航天天線測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)航天工業(yè)總公司二十三所，1997.

[6] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

為了給減少屏風(fēng)口的繞射和反射留下裕量，屏風(fēng)開(kāi)口在計(jì)算出[d]的基礎(chǔ)上加大一定量[6]。這里[d]值取0.25 m，同樣的方法可以計(jì)算出屏風(fēng)口其他邊的大小。假設(shè)天線口徑為1 m，則屏風(fēng)中間開(kāi)口為1.50 m的正方形。同時(shí)屏風(fēng)還能改善暗室內(nèi)設(shè)施引起的反射。

4 消除反射措施驗(yàn)證

設(shè)計(jì)反射消除措施后，需要對(duì)設(shè)計(jì)的消除措施效果加以測(cè)試，做了簡(jiǎn)易裝置加以測(cè)試。用已知增益天線測(cè)試結(jié)果與天線的標(biāo)準(zhǔn)增益作對(duì)比，在誤差容許范圍內(nèi)。

為了確定是否還有反射和反射的影響，由于接收到的信號(hào)是直射和反射信號(hào)的疊加，地面反射信號(hào)是廣角入射，2種信號(hào)同頻不同相，存在正弦波疊加的極大值和極小值。考慮這一特性，采用天1喇叭作為測(cè)試?yán)龋妊販y(cè)試場(chǎng)縱軸移動(dòng)，每移動(dòng)[14]波長(zhǎng)為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以測(cè)試信號(hào)波動(dòng)來(lái)估計(jì)反射。

以8 GHz為例進(jìn)行測(cè)試。以轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心為測(cè)試零點(diǎn)，朝向發(fā)射端為正，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。喇叭測(cè)試的最大值為-37.75 dBm，最小值為-37.94 dBm。

采取糾正措施后，8 GHz喇叭測(cè)試值由-37 dBm變成了-37.75 dBm，因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)的直射信號(hào)是不變的，喇叭測(cè)試值減小表示反射減少了，說(shuō)明反射消除成功。測(cè)試有一定的起伏，還有一定的反射存在，經(jīng)分析是因?yàn)轵?yàn)證裝置是簡(jiǎn)易裝置沒(méi)有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求引起的。現(xiàn)存反射引起的增益測(cè)試誤差經(jīng)估算為0.09 dB，滿(mǎn)足天線測(cè)試要求，表明設(shè)計(jì)的反射消除方法可行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以一個(gè)新建遠(yuǎn)場(chǎng)為例，介紹了如何用喇叭判斷遠(yuǎn)場(chǎng)反射影響，再根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在遠(yuǎn)場(chǎng)的發(fā)射端和接收端對(duì)電波信號(hào)進(jìn)行削波處理，只需一個(gè)發(fā)射筒和一個(gè)屏風(fēng)，就達(dá)到了消除反射目的，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低廉。

參考文獻(xiàn)

[1] 電子工業(yè)部第十四研究所.SJ20348?1993 低副瓣平板裂縫天線性能遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法[S].南京：電子工業(yè)部第十四研究所，1993.

[2] 宋錚.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3] 束咸榮.相控陣?yán)走_(dá)天線[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4] 中華人民共和國(guó)電子工業(yè)部.SJ20347?93 機(jī)載火控雷達(dá)天線單元通用技術(shù)要求和測(cè)試方法[S].北京：中華人民共和國(guó)電子工業(yè)部，1993.

[5] 中國(guó)航天工業(yè)總公司二十三所.QJ1729A?1996航天天線測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)航天工業(yè)總公司二十三所，1997.

[6] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

為了給減少屏風(fēng)口的繞射和反射留下裕量，屏風(fēng)開(kāi)口在計(jì)算出[d]的基礎(chǔ)上加大一定量[6]。這里[d]值取0.25 m，同樣的方法可以計(jì)算出屏風(fēng)口其他邊的大小。假設(shè)天線口徑為1 m，則屏風(fēng)中間開(kāi)口為1.50 m的正方形。同時(shí)屏風(fēng)還能改善暗室內(nèi)設(shè)施引起的反射。

4 消除反射措施驗(yàn)證

設(shè)計(jì)反射消除措施后，需要對(duì)設(shè)計(jì)的消除措施效果加以測(cè)試，做了簡(jiǎn)易裝置加以測(cè)試。用已知增益天線測(cè)試結(jié)果與天線的標(biāo)準(zhǔn)增益作對(duì)比，在誤差容許范圍內(nèi)。

為了確定是否還有反射和反射的影響，由于接收到的信號(hào)是直射和反射信號(hào)的疊加，地面反射信號(hào)是廣角入射，2種信號(hào)同頻不同相，存在正弦波疊加的極大值和極小值。考慮這一特性，采用天1喇叭作為測(cè)試?yán)龋妊販y(cè)試場(chǎng)縱軸移動(dòng)，每移動(dòng)[14]波長(zhǎng)為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以測(cè)試信號(hào)波動(dòng)來(lái)估計(jì)反射。

以8 GHz為例進(jìn)行測(cè)試。以轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心為測(cè)試零點(diǎn)，朝向發(fā)射端為正，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。喇叭測(cè)試的最大值為-37.75 dBm，最小值為-37.94 dBm。

采取糾正措施后，8 GHz喇叭測(cè)試值由-37 dBm變成了-37.75 dBm，因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)的直射信號(hào)是不變的，喇叭測(cè)試值減小表示反射減少了，說(shuō)明反射消除成功。測(cè)試有一定的起伏，還有一定的反射存在，經(jīng)分析是因?yàn)轵?yàn)證裝置是簡(jiǎn)易裝置沒(méi)有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求引起的。現(xiàn)存反射引起的增益測(cè)試誤差經(jīng)估算為0.09 dB，滿(mǎn)足天線測(cè)試要求，表明設(shè)計(jì)的反射消除方法可行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以一個(gè)新建遠(yuǎn)場(chǎng)為例，介紹了如何用喇叭判斷遠(yuǎn)場(chǎng)反射影響，再根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)理論，在遠(yuǎn)場(chǎng)的發(fā)射端和接收端對(duì)電波信號(hào)進(jìn)行削波處理，只需一個(gè)發(fā)射筒和一個(gè)屏風(fēng)，就達(dá)到了消除反射目的，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低廉。

參考文獻(xiàn)

[1] 電子工業(yè)部第十四研究所.SJ20348?1993 低副瓣平板裂縫天線性能遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法[S].南京：電子工業(yè)部第十四研究所，1993.

[2] 宋錚.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3] 束咸榮.相控陣?yán)走_(dá)天線[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4] 中華人民共和國(guó)電子工業(yè)部.SJ20347?93 機(jī)載火控雷達(dá)天線單元通用技術(shù)要求和測(cè)試方法[S].北京：中華人民共和國(guó)電子工業(yè)部，1993.

[5] 中國(guó)航天工業(yè)總公司二十三所.QJ1729A?1996航天天線測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)航天工業(yè)總公司二十三所，1997.

[6] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.