外推法天线增益测量系统的暗室反射影响评估

刘潇 David Gentle

(1.中国计量科学研究院(NIM), 北京 100029;2.National Physical Laboratory (NPL) Teddington TW11 0LW)



外推法天线增益测量系统的暗室反射影响评估

刘潇1David Gentle2

(1.中国计量科学研究院(NIM), 北京 100029;2.National Physical Laboratory (NPL) Teddington TW11 0LW)

介绍了外推法技术,在此基础上提出一种基于几何光学的吸波材料影响评估方法．该方法可以在数字滤波后有效模拟并引入反射信号,通过比较两次外推后的数据,得到对增益测量的影响评估结果．在中国计量科学研究院(National Institute of Metrology,NIM)的外推法装置中进行实验验证,结果表明:该方法可以有效模拟吸波材料的影响,并给出由吸波材料引入的增益测量不确定度分量．该方法目前已应用到NIM和英国国家物理研究院(National Physical Laboratory,NPL)的外推法测量结果评定中,不仅对于外推法,对于在暗室中进行的其他天线测量结果的评估也具有很好的参考价值.

外推法;天线增益;吸波材料反射率;不确定度评定

DOI 10.13443/j.cjors.2015112301

引 言

三天线外推法技术是一种在有限距离准确测量天线增益和极化特性的方法[1]．这种方法基于平面波散射矩阵理论[2],通过在不同位置测量一对收发天线之间的传输功率并利用数据外推技术,得到无限远处增益．外推法可以克服传统三天线法天线对间的互耦问题,是目前公认的测量无限远处天线增益最准确的方法．各国国家计量院在标准增益喇叭(Standard Gain Hom,SGH)天线的增益测量国际比对中采用外推法技术[3-4],理想情况下,增益的测量不确定度可以达到±0.04 dB,而其他天线测量技术的增益测量不确定度最好值仅为0.2 dB．这项技术可以为近场扫描等常用天线测量系统提供具有校准值的参考天线和扫描探头,大大降低这些天线测量系统的测量不确定度．当然,要实现如此低的不确定度,需要考虑射频系统、天线安装等诸多因素,并且由有经验的专业人员进行操作．由于外推法装置放置在微波暗室中,铺设的吸波材料会对测量不确定度有所贡献,但是因为外推法涉及到复杂的数学计算,如何评价由吸波材料性能的不理想引入的不确定度分量是一个比较困难的问题．本文针对这个问题进行研究,提出一种模拟吸波材料反射的模型,并且利用这个模型计算了外推法增益测量中的该项不确定度分量.

2014年底,经过与英国国家物理实验室(National Physical Laboratory,NPL)两年多的合作研究,中国计量科学研究院(National Instirute of Metrology,NIM)的外推法天线测量标准装置(图1)建成并投入使用,覆盖频段范围250 MHz～110 GHz．本文首先简要介绍三天线外推法天线增益测量技术,并给出1.7～2.6 GHz频段增益测量不确定度评定示例．提出一种模拟吸波材料反射的方法,基于新装置研究评估吸波材料反射对于增益测量结果的影响．在(National Institute of Metrology,NIM)新建外推法系统上的测量结果与提出方法的预估值吻合得很好．利用这种方法可以得到由吸波材料反射引起的不确定度分量,对于外推法天线测量系统中的不确定度评估提供了一种有效方法.

图1 NIM外推法装置

1 三天线外推法测量技术

三天线外推法技术最早由美国国家标准局(现在称为NIST)提出[1]．这种方法基于Kerns提出的平面波散射矩阵理论[2]．在天线近场区进行测量,通过外推技术得到无限远处的天线增益．该方法是一种绝对方法,不需要任何天线的先验信息和参考值．

对于天线m和天线n来说,它们之间可以建立如下的耦合方程：

(1)

XnYm+XmYn=D″nm.

(2)

特定情况下,耦合方程可以简化成如下形式:

多次反射项.

(3)

去除天线间多次反射通常可以采用滤波技术[5]．在外推法中,收发天线之间的多次反射项可以通过在不同间距进行测量,然后利用数字滤波技术去除[6], 如图2所示.

图2 数字滤波前后的增益乘积曲线

使用公式(3)中的多项式拟合数字滤波之后的测量数据．当进行外推时,距离趋近于无穷远,因此一对天线之间的增益乘积可以表达为

(4)

三天线外推法技术本质上是三天线技术．因此需要进行三组天线对测试,得到三组天线增益乘积,从而得到每一个天线在无限远处的增益值.

对于测量尤其是计量来说,不确定度评估和测量结果本身一样重要．为保证测量准确性,在得到测量结果的基础上,要进行大量的不确定度评定实验,以得到有效的不确定度结果．这里给出一个1.7 GHz～2.6 GHz频段的不确定度汇总表格,具体见表1.

表1 外推法测量SGH增益的不确定度汇总表

2 吸波材料影响建模和验证

有效评估吸波材料的影响非常重要,尤其在低频段．在本文工作之前,要得到可靠的评估结果非常困难．本文研究了微波暗室中吸波材料如何影响增益测量结果,并指出为提高测量准确度,在外推法系统中最需要特别注意的地方.

2.1 反射模型

模拟暗室中的反射需要基于如下假设．假定接收天线接收到的信号是直达波和经过吸波材料后的一次反射波信号的叠加,如图3所示．虽然实际上吸波材料的反射位置会随频率发生变化,但是这里假设在反射发生时没有能量损耗,并且反射波的相位也没有变化.

图3 外推法暗室中评估吸波材料引入反射的模型

对于两天线间的间距d,接收信号可以表示为

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

(5)

式中：Vc代表了合成信号;Vd和Vr分别代表了直达波和反射波.

如果吸波材料反射率为R,单位dB,那么与直达波相比,反射波信号幅度下降了A,单位dB,可以表示为如下形式

A=|Ld-Lr+R+DT(θ)+DR(θ)|.

(6)

式中：Ld和Lr分别是直达波和反射波路径的传输损耗;DT(θ)和DR(θ)分别是反射波θ方向上发射天线和接收天线的辐射方向图修正.

对于天线方向图,理论上应采用实测数据．通常情况下,可以使用经典的Stratton-Chu 公式来模拟方向图．经过比较,这个公式仅需根据天线口面的几何尺寸计算出方向图,计算结果可以完全满足吸波材料影响评估的准确度要求.

反射波和直达波的相位差可以简单表达为如下形式

(7)

式中λ是波长．因此直达波和反射波的幅度差和相位差均已知,可以得到直达波和反射波之间的关系.

2.2 反射模型的建立

首先值得一提的是,对测量影响最大的反射并不是来自地面或者墙面,而是来自接收天线塔下方．因为在测量系统中,接收天线塔是上极化下方位形式,可以在方位向旋转360°, 因此为了减小反射,必须用吸波材料来覆盖接收天线塔平台,这部分吸波材料比墙面和地面的吸波材料离接收天线更近,θ角度更小,如图4所示,因此是吸波材料引起发射的最大来源,对增益测量结果的影响也最大.

图4 由接收天线塔下方吸波材料引入的反射-俯仰向示意图

在NIM新建的外推法系统上进行1.7 GHz～2.6 GHz频段的天线增益测量,利用上述方法进行吸波材料影响评估．这里假设吸波材料的反射率电平为-30 dB,编制了Matlab程序进行演示,通过比较公式(4)中的系数A1得到吸波材料反射对测量结果的影响,从而得到由吸波材料反射引入的不确定度分量.

图5中给出了根据上述建立的模型,模拟的反射波和直达波功率比值．图5(a)是天线E面分别对应墙和地面反射的情况,图5(b)是天线H面分别对应墙和地面反射的情况．显然,E面水平,H面垂直时,模拟的墙面反射比地面反射更强,然而需要注意的是,模拟的墙面反射幅度包络变化不明显,相比于接收天线塔吸波材料来说,经过数字滤波后,对于系数A1的影响较小．Matlab程序的计算结果也验证了这一结论．当天线E面水平,主要的反射来自墙面,由吸波材料反射引起的系数A1差别在0.000 72 dB,而E面垂直,受接收天线塔上吸波材料反射影响时,系数A1差别在0.007 5 dB.

(a) E平面

(b) H平面图5 1.7 GHz频段模拟地面和墙面的反射

图6验证了提出方法的有效性．实际测量得到的功率是直达波信号和发射信号的叠加,并且是距离的函数．数字滤波的作用是去除天线间的多次反射,假定数字滤波后,增益乘积曲线不含吸波材料反射．通过前面提出方法可以建立直达波和反射波之间的关系．因此对于接收天线来说,可以将直达波和反射波区分开来.

(a) 测量增益乘积

(b) 模拟的反射波和直达波信号比

(c)测量增益乘积和模拟的反射信号叠加

(d) 有实际反射情况下的测量增益乘积图6 1.7 GHz频段对SGH天线的测量增益乘积和模拟的反射波

通过使用外推技术,可以得到无限远处的增益乘积,然后计算得到待测天线的增益．对两组数据分别进行外推,一次是滤波后的增益乘积,另一次是滤波后的增益乘积加上模拟的反射信号．比较两次外推结果的系数A1可以得到由吸波材料反射引起的不确定度分量.

因为前面已经提到,主要的反射可能来自接收天线塔平台上的吸波材料,因此在进行天线测量布置时,可以尽可能地将接收天线向前移动,这样可以减小角度θ,从而降低测量不确定度.

需要指出的是,在实际的测试中,暗室反射不仅会包含一次反射,而且会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．测量结果表明,本文提出的这种方法可以有效准确地模拟实际的反射,可以满足不确定度评定要求,这种方法对于低频段来说尤其有用.

3 结 论

本文讨论了外推法天线增益测量技术,并提出一种模拟暗室中吸波材料反射的方法．经过实验验证,这种方法可以有效模拟外推法测量过程中的反射．这种方法不仅可以用于外推法,也可以用于其他在微波暗室中进行的天线测量系统．这种方法有助于该项不确定度评定,对于NIM新建系统的增益测量结果准确性提供了有效的辅助验证方法.

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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

刘潇, GENTLE David.外推法天线增益测量系统的暗室反射影响评估[J].电波科学学报, 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

科技部国际科技合作与交流专项(2013DFA70570);国家科技支撑计划项目子课题(2014BAK02B01)

TN015

A

1005-0388(2016)05-1004-05

刘潇 (1983-),女,辽宁人,中国计量科学研究院，博士,研究方向为天线和场强校准技术.

联系人：刘潇 E-mail：liuxiao@nim.ac.cn