矢网在大型天线罩传输损耗测量中的应用研究

张志华,秦顺友

(中国电子科技集团公司 第54研究所， 河北 石家庄 050081)

矢网在大型天线罩传输损耗测量中的应用研究

张志华,秦顺友

(中国电子科技集团公司 第54研究所， 河北 石家庄 050081)

传输损耗是天线罩的重要性能指标之一。基于两端口网络散射参数理论，推导了收发天线之间的功率方程的散射参数表达式。阐述了利用矢量网络分析仪和标准喇叭测量天线带罩和不带罩情况下的散射传输参数，从而确定天线罩传输损耗的原理和方法，简述了测量的方法程序。给出了某工程应用的X波段7.2m天线罩的插入损耗测量结果，测试结果满足工程设计要求。该方法在大型整体天线罩测量中具有重要的应用价值。

功率传输方程;散射参数;天线罩;插入损耗;矢量网络分析仪

天线罩是用来保护天线的一种介质外壳，使天线避免在各种恶劣环境下可能造成的损坏，其应用十分广泛，如雷达天线罩、船载天线罩、卫星通信地面站天线罩等[1][2]。天线在带罩情况下，由于罩的影响，将引起天线性能的恶化，如天线方向图旁瓣电平升高、波束展宽、瞄准轴偏移和增益降低等等[3][4]。传输损耗是天线罩的最重要的技术指标之一，因此研究天线罩的传输损耗测量，不仅具有重要的科学价值，而且具有重要的工程应用价值。

传统通常用传输的方法测量天线罩或天线罩材料的损耗，如文献[1]介绍了天线罩材料测量的一种精确的方法，文献[2]介绍了利用方向图积分法测量大型整体天线罩小损耗的方法。本文简述了利用矢量网络分析仪和标准喇叭测量天线带罩和不带罩情况下的散射传输参数，从而确定天线罩传输损耗的原理和方法。最后给出了某工程应用的X波段7.2m天线罩的插入损耗测量结果，实测结果满足工程设计要求。实践证明：该方法是切实可行的，在实际工程测量中值得推广应用。

1 用S参数表示的功率传输方程

功率传输方程是天线测量的理论基础[10]。图1所示，为收发天线等效的二端口网络。

图1 收发天线等效的二端口网络

图1所示的收发天线的等效二端口网络，可表示成图2所示的收发天线之间的功率传输示意图。

图2 收发天线功率传输示意图

设收发天线的增益分别为Gr和Gt,发射天线的辐射功率为Pt，在图2中R为收发天线之间的距离，R应满足远场条件。在收发天线极化匹配，无电失配损耗，且在自由空间传输条件下，功率传输方程为：

(1)

式中：

Pr―接收天线的最大接收功率；

Pt―发射天线的输入功率；

Gt―发射天线的增益；

Gr―接收天线的增益；

R―收发天线之间的距离；

λ―天线工作波长。

一个二端口器件中，除了两个端口的反射之外还有反向和前向传输。与反射系数类似，散射系数定义为各波量之间的比值。则两端网络的散射参数矩阵可表示为[10]：

(2)

根据网络参数定义及网络理论可知：

|S21|2=|b2|2/|a2|2=P20/P1i

(3)

式中：

a1―发射喇叭的入射波；

a2―接收喇叭的入射波；

b1―发射喇叭的反射波；

b2―接收喇叭的发射波；

S11―输入端口的反射系数；

S12―反向功率增益；

S21―正向功率增益；

S22―输出端口的反射系数；

P20―端口输出功率；

P1i―端口输入功率。

图2所示，收发天线系统可等效为一个二端口网络，则用S参数表示功率传输方程为：

(4)

当收发天线相同时，，公式(4)变为：

(5)

2 测量原理和方法程序

如图3所示，为天线罩插入损耗测量的原理方框图。图中R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ(D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长)。

图3所示，首先在发射喇叭不带罩的情况下，收发喇叭信号传输满足功率传输方程，

利用矢量网络分析仪测量时，测量的为散射参数S21，据上面的功率传输方程公式知它与收发功率之间的关系为：

(6)

图3 天线罩插入损耗测量原理方框图

(7)

联立方程(6)和(7)，可求得用分贝表示的天线罩的插入损耗为：

(8)

式(8)就是利用矢量网络分析仪测量天线罩插入损耗的原理公式。

用矢量网络分析仪测量天线罩传输损耗的原理方法是：首先在没有天线罩的情况下，按图2所示，建立测试系统，调整发射喇叭和接收喇叭对准，二者之间的距离满足远场测试距离条件，设置矢量网络分析仪的起始频率和停止频率等状态参数，并选择传输测量模式，对矢量网络分析仪进行校准定标，并存储定标状态；然后，按图3所示，吊装天线罩，并保持矢量网络分析仪的状态参数不变，则矢量网络分析仪可直接测量出插入损耗的大小。

天线罩插入损耗测量的方法程序如下：

a) 建立测试系统：按照图3所示，架设发射喇叭和接收喇叭，喇叭之间的距离满足远场测试距离条件，矢量网络分析仪的端口1接发射喇叭，接收喇叭接矢量网络分析仪的端口2；

b) 仪器设备预热：打开矢量网络分析仪的电源开关，测试系统仪器设备加电预热至正常工作；

c) 设置矢量网络分析仪的状态参数：依据待测天线罩的工作频段，设置矢量网络分析仪的起始频率和停止频率，在矢网的测量菜单里选择测量的散射参数S21，在模式菜单里选择传输测量模式；

d) 矢量网络分析仪校准：在发射喇叭不带罩情况下，发射喇叭和接收喇叭对准，利用矢量网络分析仪的校准菜单，对系统进行传输定标校准；

e) 测量天线罩的插入损耗：发射喇叭在带罩情况下，保持测量仪器设备的状态参数不变，同理可测量天线罩插入损耗，为了精确测量天线罩的插入损耗，合理选择矢量网络分析仪频率口径，确定插入损耗的均值大小；

f) 输出测量结果：测量数据可存盘或用打印机直接输出测量结果。

3 测量实例

这里给出了某工程应用的X波段7.2m天线罩插入损耗测量结果。图3为待测天线罩，其工作频段为7.75～8.50GHz，天线罩传输损耗≤0.5dB。图4给出了天线罩传输损耗的测量结果，在工作频段内，测量的天线罩插入损耗小于或等于0.523dB。测试结果表明：在误差允许范围内，实测结果与理论设计吻合很好。图4测量曲线的波动主要是由于发射喇叭和接收喇叭失配及天线罩和发射喇叭之间的多重反射引起的。

图4 待测天线罩图片

图5 天线罩插入损耗测量结果

4 结束语

插入损耗是天线罩最重要电性能指标之一。本文简述了利用矢量网络网络分析仪测量整体天线罩插入损耗的方法，简述了测量方法程序。给出了某工程应用的X波段7.2m天线罩的插入损耗测量结果，实测结果满足工程设计要求。实践证明：该方法是切实可行的，在实际工程测量中值得推广应用。

[1] 李振兴.天线罩介质损耗的精确测量[J].现代雷达,2002,24(1):81-83.

[2] 秦顺友,张文静,许德森.大型天线罩小损耗测量的一种新方法[J].电子测量与仪器学报,2005,19(3):18-83.

[3] ANRITSU application note,Insertion loss measurement methods.

[4] 王向晖,陈士举,袁健全.天线罩相关参数的改变对天线方向图影响[J].制导与引信,2007,28(1):30-32.

[5] 敖辽辉.天线罩技术的发展[J].电讯技术,2000,(02).

[6] 金勇.天线罩在地面天线系统中的应用[J].现代电子技术,2005,(20).

[7] D.J.Kozakoff and R.Ciano.Antenna radome effects on high performance SATCOM antenna system[OL].http://www.antennasonline.com/conferences/wp-content/uploads/2013/12/Kozakoff_USDigiComm.pdf.

[8] 夏彬,冯军.地面卫星站天线罩技术[J].解放军理工大学学报:自然科学版,2004,5(5):26-29.

[9] 秦顺友,许德森编著.卫星通信地面站天线工程测量技术[M].北京:人民邮电出版社,2006:45-48.

[10] 李秀萍,高建军.微波射频测量技术基础[J].北京:机械工业出版社,2007.6.

[11] 宋金燕.二端口网络参数的计算[J].科技信息,2009,(32).

[12] 孙声雯.矢量网络分析仪的测量精度和测量稳定性[J].国外电子测量技术,2004,(04).

Application study of measuring large antenna radome insertion loss using scattering coefficient method

ZHANG Zhi-hua,QIN Shun-you

(TheFiftyFourthInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The insert loss is one of the most critical considerations in evaluating the antenna radome-performances.In this paper,the scattering coefficients between transmitting and receiving antennas are derived,based on the theory of two-port scattering network.The theory and approach to determine the insert loss of a radome using vector network analyzer is illustrated.The insert loss is obtained by comparing the scattering parameters of the antenna system with or without the radome.The measurement procedure is presented in detail.An example of measuring a radome for 7.2m dish at X band is given,and test results agree with the engineering densign requirement.This method is of great application value in large antenna radome test.

Power transmission equation; Scattering coefficients; Antenna radome; Insert loss; Vector network analyzer

2015-06-30

张志华(1982-)，女，河北怀安人，工程师，主要研究方向：微波与天线测量技术； 秦顺友(1964-)，男，河南光山人，研究员，硕士研究生导师，主要研究方向：微波与天线测量技术、微弱信号检测、电磁干扰测量等.

1001-9383(2015)03-0026-05

TN965

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