外推法天線增益測量系統的暗室反射影響評估

劉瀟 David Gentle

(1.中國計量科學研究院(NIM), 北京 100029;2.National Physical Laboratory (NPL) Teddington TW11 0LW)

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外推法天線增益測量系統的暗室反射影響評估

劉瀟1David Gentle2

(1.中國計量科學研究院(NIM), 北京 100029;2.National Physical Laboratory (NPL) Teddington TW11 0LW)

介紹了外推法技術,在此基礎上提出一種基于幾何光學的吸波材料影響評估方法．該方法可以在數字濾波后有效模擬并引入反射信號,通過比較兩次外推后的數據,得到對增益測量的影響評估結果．在中國計量科學研究院(National Institute of Metrology,NIM)的外推法裝置中進行實驗驗證,結果表明:該方法可以有效模擬吸波材料的影響,并給出由吸波材料引入的增益測量不確定度分量．該方法目前已應用到NIM和英國國家物理研究院(National Physical Laboratory,NPL)的外推法測量結果評定中,不僅對于外推法,對于在暗室中進行的其他天線測量結果的評估也具有很好的參考價值.

外推法;天線增益;吸波材料反射率;不確定度評定

DOI 10.13443/j.cjors.2015112301

引 言

三天線外推法技術是一種在有限距離準確測量天線增益和極化特性的方法[1]．這種方法基于平面波散射矩陣理論[2],通過在不同位置測量一對收發天線之間的傳輸功率并利用數據外推技術,得到無限遠處增益．外推法可以克服傳統三天線法天線對間的互耦問題,是目前公認的測量無限遠處天線增益最準確的方法．各國國家計量院在標準增益喇叭(Standard Gain Hom,SGH)天線的增益測量國際比對中采用外推法技術[3-4],理想情況下,增益的測量不確定度可以達到±0.04 dB,而其他天線測量技術的增益測量不確定度最好值僅為0.2 dB．這項技術可以為近場掃描等常用天線測量系統提供具有校準值的參考天線和掃描探頭,大大降低這些天線測量系統的測量不確定度．當然,要實現如此低的不確定度,需要考慮射頻系統、天線安裝等諸多因素,并且由有經驗的專業人員進行操作．由于外推法裝置放置在微波暗室中,鋪設的吸波材料會對測量不確定度有所貢獻,但是因為外推法涉及到復雜的數學計算,如何評價由吸波材料性能的不理想引入的不確定度分量是一個比較困難的問題．本文針對這個問題進行研究,提出一種模擬吸波材料反射的模型,并且利用這個模型計算了外推法增益測量中的該項不確定度分量.

2014年底,經過與英國國家物理實驗室(National Physical Laboratory,NPL)兩年多的合作研究,中國計量科學研究院(National Instirute of Metrology,NIM)的外推法天線測量標準裝置(圖1)建成并投入使用,覆蓋頻段范圍250 MHz～110 GHz．本文首先簡要介紹三天線外推法天線增益測量技術,并給出1.7～2.6 GHz頻段增益測量不確定度評定示例．提出一種模擬吸波材料反射的方法,基于新裝置研究評估吸波材料反射對于增益測量結果的影響．在(National Institute of Metrology,NIM)新建外推法系統上的測量結果與提出方法的預估值吻合得很好．利用這種方法可以得到由吸波材料反射引起的不確定度分量,對于外推法天線測量系統中的不確定度評估提供了一種有效方法.

圖1 NIM外推法裝置

1 三天線外推法測量技術

三天線外推法技術最早由美國國家標準局(現在稱為NIST)提出[1]．這種方法基于Kerns提出的平面波散射矩陣理論[2]．在天線近場區進行測量,通過外推技術得到無限遠處的天線增益．該方法是一種絕對方法,不需要任何天線的先驗信息和參考值．

對于天線m和天線n來說,它們之間可以建立如下的耦合方程：

(1)

XnYm+XmYn=D″nm.

(2)

特定情況下,耦合方程可以簡化成如下形式:

多次反射項.

(3)

去除天線間多次反射通常可以采用濾波技術[5]．在外推法中,收發天線之間的多次反射項可以通過在不同間距進行測量,然后利用數字濾波技術去除[6], 如圖2所示.

圖2 數字濾波前后的增益乘積曲線

使用公式(3)中的多項式擬合數字濾波之后的測量數據．當進行外推時,距離趨近于無窮遠,因此一對天線之間的增益乘積可以表達為

(4)

三天線外推法技術本質上是三天線技術．因此需要進行三組天線對測試,得到三組天線增益乘積,從而得到每一個天線在無限遠處的增益值.

對于測量尤其是計量來說,不確定度評估和測量結果本身一樣重要．為保證測量準確性,在得到測量結果的基礎上,要進行大量的不確定度評定實驗,以得到有效的不確定度結果．這里給出一個1.7 GHz～2.6 GHz頻段的不確定度匯總表格,具體見表1.

表1 外推法測量SGH增益的不確定度匯總表

2 吸波材料影響建模和驗證

有效評估吸波材料的影響非常重要,尤其在低頻段．在本文工作之前,要得到可靠的評估結果非常困難．本文研究了微波暗室中吸波材料如何影響增益測量結果,并指出為提高測量準確度,在外推法系統中最需要特別注意的地方.

2.1 反射模型

模擬暗室中的反射需要基于如下假設．假定接收天線接收到的信號是直達波和經過吸波材料后的一次反射波信號的疊加,如圖3所示．雖然實際上吸波材料的反射位置會隨頻率發生變化,但是這里假設在反射發生時沒有能量損耗,并且反射波的相位也沒有變化.

圖3 外推法暗室中評估吸波材料引入反射的模型

對于兩天線間的間距d,接收信號可以表示為

Vc(d)=Vd(d)+Vr(d).

(5)

式中：Vc代表了合成信號;Vd和Vr分別代表了直達波和反射波.

如果吸波材料反射率為R,單位dB,那么與直達波相比,反射波信號幅度下降了A,單位dB,可以表示為如下形式

A=|Ld-Lr+R+DT(θ)+DR(θ)|.

(6)

式中：Ld和Lr分別是直達波和反射波路徑的傳輸損耗;DT(θ)和DR(θ)分別是反射波θ方向上發射天線和接收天線的輻射方向圖修正.

對于天線方向圖,理論上應采用實測數據．通常情況下,可以使用經典的Stratton-Chu 公式來模擬方向圖．經過比較,這個公式僅需根據天線口面的幾何尺寸計算出方向圖,計算結果可以完全滿足吸波材料影響評估的準確度要求.

反射波和直達波的相位差可以簡單表達為如下形式

(7)

式中λ是波長．因此直達波和反射波的幅度差和相位差均已知,可以得到直達波和反射波之間的關系.

2.2 反射模型的建立

首先值得一提的是,對測量影響最大的反射并不是來自地面或者墻面,而是來自接收天線塔下方．因為在測量系統中,接收天線塔是上極化下方位形式,可以在方位向旋轉360°, 因此為了減小反射,必須用吸波材料來覆蓋接收天線塔平臺,這部分吸波材料比墻面和地面的吸波材料離接收天線更近,θ角度更小,如圖4所示,因此是吸波材料引起發射的最大來源,對增益測量結果的影響也最大.

圖4 由接收天線塔下方吸波材料引入的反射-俯仰向示意圖

在NIM新建的外推法系統上進行1.7 GHz～2.6 GHz頻段的天線增益測量,利用上述方法進行吸波材料影響評估．這里假設吸波材料的反射率電平為-30 dB,編制了Matlab程序進行演示,通過比較公式(4)中的系數A1得到吸波材料反射對測量結果的影響,從而得到由吸波材料反射引入的不確定度分量.

圖5中給出了根據上述建立的模型,模擬的反射波和直達波功率比值．圖5(a)是天線E面分別對應墻和地面反射的情況,圖5(b)是天線H面分別對應墻和地面反射的情況．顯然,E面水平,H面垂直時,模擬的墻面反射比地面反射更強,然而需要注意的是,模擬的墻面反射幅度包絡變化不明顯,相比于接收天線塔吸波材料來說,經過數字濾波后,對于系數A1的影響較小．Matlab程序的計算結果也驗證了這一結論．當天線E面水平,主要的反射來自墻面,由吸波材料反射引起的系數A1差別在0.000 72 dB,而E面垂直,受接收天線塔上吸波材料反射影響時,系數A1差別在0.007 5 dB.

(a) E平面

(b) H平面圖5 1.7 GHz頻段模擬地面和墻面的反射

圖6驗證了提出方法的有效性．實際測量得到的功率是直達波信號和發射信號的疊加,并且是距離的函數．數字濾波的作用是去除天線間的多次反射,假定數字濾波后,增益乘積曲線不含吸波材料反射．通過前面提出方法可以建立直達波和反射波之間的關系．因此對于接收天線來說,可以將直達波和反射波區分開來.

(a) 測量增益乘積

(b) 模擬的反射波和直達波信號比

(c)測量增益乘積和模擬的反射信號疊加

(d) 有實際反射情況下的測量增益乘積圖6 1.7 GHz頻段對SGH天線的測量增益乘積和模擬的反射波

通過使用外推技術,可以得到無限遠處的增益乘積,然后計算得到待測天線的增益．對兩組數據分別進行外推,一次是濾波后的增益乘積,另一次是濾波后的增益乘積加上模擬的反射信號．比較兩次外推結果的系數A1可以得到由吸波材料反射引起的不確定度分量.

因為前面已經提到,主要的反射可能來自接收天線塔平臺上的吸波材料,因此在進行天線測量布置時,可以盡可能地將接收天線向前移動,這樣可以減小角度θ,從而降低測量不確定度.

需要指出的是,在實際的測試中,暗室反射不僅會包含一次反射,而且會包含二次及高次反射．但是相比于一次反射,高次反射分量非常小．測量結果表明,本文提出的這種方法可以有效準確地模擬實際的反射,可以滿足不確定度評定要求,這種方法對于低頻段來說尤其有用.

3 結 論

本文討論了外推法天線增益測量技術,并提出一種模擬暗室中吸波材料反射的方法．經過實驗驗證,這種方法可以有效模擬外推法測量過程中的反射．這種方法不僅可以用于外推法,也可以用于其他在微波暗室中進行的天線測量系統．這種方法有助于該項不確定度評定,對于NIM新建系統的增益測量結果準確性提供了有效的輔助驗證方法.

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A method to evaluate the chamber reflection effect for antenna gain measurements using an extrapolation range

LIU Xiao1DAVID Gentle2

(1.NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China;2.NationalPhysicalLaboratory,TeddingtonTW11 0LW,theUnitedKingdom)

The extrapolation technique is introduced, and an absorber effect evaluation method is proposed based on the geometrical optics.The method can effectively simulate the reflected wave from the absorber, and by using the extrapolation technique twice, the effect on antenna gain results can be evaluated.The method has been verified in the new extraploation range of ,and NIM (National Institute of Metrology, China) the results agree well with the prediction.The uncertainty due to the absorber effect can therefore be evaluated and the proposed method has already been applied in the extrapolation ranges at NIM and NPL(National Physical Laboratory, UK).The application of the method is not limited to extrapolation ranges, and it can be easily extended to be applied in other antenna measurement systems located in the chamber.

extrapolation range;antenna gain;absorber reflectivity;uncertainty evaluation

劉瀟, GENTLE David.外推法天線增益測量系統的暗室反射影響評估[J].電波科學學報, 2016, 31(5)：1004-1008.

10.13443/j.cjors.2015112301

LIU X, GENTLE D.A method to evaluate the chamber reflection effect for antenna gain measurements using an extrapolation range [J].Chinese journal of radio science, 2016, 31(5)：1004-1008.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2015112301

2015-11-23

科技部國際科技合作與交流專項(2013DFA70570);國家科技支撐計劃項目子課題(2014BAK02B01)

TN015

A

1005-0388(2016)05-1004-05

劉瀟 (1983-),女,遼寧人,中國計量科學研究院，博士,研究方向為天線和場強校準技術.

聯系人：劉瀟 E-mail：liuxiao@nim.ac.cn