【相控陣教程】第十一講-微波暗室及天線測試基本知識

【相控陣教程】第十一講-微波暗室及天線測試基本知識聲明

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相控陣老劉0.

引子暗室又稱電波暗室，有的暗室又被稱為微波暗室、無反射室等。暗室的作用就是防止外來電磁波的干擾，使測量活動不受外界電磁環(huán)境的影響，防止測試信號向外輻射形成干擾源，污染電磁環(huán)境，對其它電子設備造成干擾。建造一個電波暗室需要考慮的因素很多，各公司、企業(yè)或檢測機構具體情況千差萬別，因此建造的電波暗室也各不相同。那么建造電波暗室應主要考慮哪些因素呢？0.1根據用途設計電波暗室一般電波暗室可分為：電磁兼容測試電波暗室和天線測試電波暗室。1）

電磁兼容測試電波暗室主要替代開闊場，是進行電磁兼容測試的場所，按標準要求一般設計為半電波暗室，暗室除地面外其它五面粘貼吸波材料，地面為反射金屬板。其特點是頻率范圍寬，國際標準一般規(guī)定頻率范圍為30MHz～1GHz目前大多都做到30MHz～18GHz，軍用標準頻率范圍為30MHz～40GHz，主要指標有：屏蔽效能、場地均勻性，歸一化場地衰減和傳輸損耗等。電磁兼容測試電波暗室又分為3米法、10米法和5米法標準電波暗室，各公司、企業(yè)或檢測機構可根據自己的資金情況、可利用土地面積、常用測試對象尺寸，選擇適合的電波暗室，沒有必要照抄其他單位模式。2）

天線測試電波暗室模擬的是自由空間電磁環(huán)境，電波暗室六面體全部粘貼吸波材料，在主反射區(qū)粘貼比其它區(qū)域吸波性能更優(yōu)質的吸波材料。適合在電波暗室內測試的天線一般都在微波頻段，所以天線測試電波暗室又被稱為微波暗室。在理想狀態(tài)下暗室各個方向都應無電磁波反射，這是建造天線測試電波暗室的原則。雖然無論設計的多么合理，建造的多么完善和優(yōu)質，各個方向一點都沒有電磁波反射顯然是做不到的。因此設計天線測試暗室時，首先根據被測天線的有效尺寸，頻率范圍，天線特性設計一個靜區(qū)，靜區(qū)內的電磁環(huán)境應符合被測天線測試的需要。

0.2天線測試電波暗室的特點：1）各公司、企業(yè)或檢測機構可根據自己的需要設計暗室的頻率范圍，靜區(qū)特性等。天線測試暗室頻率范圍不像電磁兼容測試暗室那樣具有特定的要求，而其靜區(qū)特性、駐波特性、暗室六面體墻壁吸波材料的反射率等都比電磁兼容測試暗室要求要高。特別是對于低旁瓣天線，有特殊要求的天線等都要經過科學計算特殊設計，科學選取和粘貼適當?shù)奈ú牧稀?）天線測試暗室對電磁屏蔽沒有嚴格的要求。有的甚至不需要單獨設計屏蔽體進行屏蔽，直接在墻壁上粘貼吸波材料即可。利用建筑墻壁和吸波材料對電磁波的屏蔽和吸收效果即可滿足要求。這當然還要看建造暗室地點的電磁環(huán)境如何，電磁環(huán)境不同其要求也不一樣。如果預建造暗室地點周圍電磁環(huán)境較差，可能影響到測試結果時，或者在天線測試時輻射功率較大，可能影響到周圍的電磁環(huán)境時則需要考慮建造合適的屏蔽體進行屏蔽。

0.3常用暗室技術要求簡述：1）電磁兼容測試電波暗室電磁兼容測試電波暗室技術要求在國際標準、軍用標準中具有明確的要求。特別是在國際電磁兼容暗室標準中其技術要求、測試方法都已明確規(guī)定。下面一些技術要求供讀者參考：(1)

電磁屏蔽性能頻率范圍屏蔽效能14KHz～1MHz≥60dB，1MHz～1000MHz≥90dB，1GHz～18GHz(40GHz)

≥80dB。(2)

場地均勻性在1.5m×1.5m假想垂直平面上75%的場強幅值偏差應在0dB～＋6dB之間。(3)

歸一化場地衰減和傳輸損耗歸一化場地衰減和傳輸損耗與理論值的偏差應在±4dB之內。2)天線測試暗室（微波暗室）天線測試暗室其性能要求無統(tǒng)一標準，一般來說頻率范圍應滿足本單位的需要，在設計的天線測試暗室靜區(qū)內最大反射電平值相對于主波束電平值低45dB，橫向和縱向場強均勻性優(yōu)于1.5dB。以上性能要求只是一般天線測試暗室的性能要求，對于高性能天線，低旁瓣天線或具有特殊要求的天線，還應根據實際需要計算設計暗室的性能要求。天線測試暗室用于遠場測試的，應考慮暗室空間符合遠場測試條件。0.4暗室其它設施的設計：暗室除了要考慮建筑體尺寸、屏蔽性能、暗室吸收電磁波性能外，其它設施的設計或選用也是非常重要的。(1)輔助設施性能的好壞都將影響整個暗室的性能。電源線和信號線濾波器考慮暗室將來要使用的電源類型和最大功率負荷，如測試設備、被測設備和輔助設備以及照明系統(tǒng)等要使用交流380V、220V、110V、直流供電、變頻電源等。特別是電磁兼容測試暗室有嚴格的電磁屏蔽要求，如果有某一缺陷都將給測試工作帶來極大的不便。(2)信號接口板和波導通風窗信號接口板用來安裝信號轉接端子，用以電波暗室與控制室、放大器室或其它用途的測試室之間的信號連接，信號接口板的安裝數(shù)量，位置以及其上的轉接端子的類型、數(shù)量都應考慮好，暗室內需要安裝波導通風窗、排氣扇或空調系統(tǒng)，注意波導通風窗的頻率范圍、屏蔽效能等。(3)消防報警裝置和照明設施選擇的照明設施應不產生任何的電磁干擾，應易于更換維修，消防報警裝置應不影響暗室整體性能。(4)暗室監(jiān)控系統(tǒng)在暗室內要安裝攝像監(jiān)控系統(tǒng)，根據暗室大小、實際需要設計安裝攝像頭的數(shù)量，監(jiān)視器的數(shù)量及性能。以方便觀察、監(jiān)控測試系統(tǒng)和被測設備的工作狀態(tài)。(5)測試轉臺、電源線走線和信號線走線，在暗室內應配備必要的測試轉臺，其性能要滿足測試的要求。注意應將電源線和信號線分開并作適當?shù)钠帘?，避免形成干擾。(6)環(huán)保要求建造暗室不可避免地要用到一些粘結劑，特別是吸波材料的制作吸波材料的粘貼等。有的暗室完工后會散發(fā)出一種刺鼻的氣味，將對測試人員的身體健康產生不利影響。因此，一定要對暗室承建商提出環(huán)保要求，并作為驗收條款之一。

0.5暗室性能測試：電磁兼容測試暗室其屏蔽性能、場地均勻性、歸一化場地衰減、傳輸損耗等都應按國際標準、國家標準，進行測試并保證其合格。天線測試暗室沒有統(tǒng)一的測試標準，但有約定的測試方法。值得注意的是，在測試暗室時使用的天線應與將來在暗室中準備測試的天線其性能相當。在暗室測試時采用的天線不同（例如天線波瓣寬度不同）其測試結果會有很大差別，使用窄波瓣天線測試，其測試結果優(yōu)于使用寬波瓣天線測試的結果，這就意味著使用窄波瓣天線測試合格，使用寬波瓣天線測試不一定合格。所以在暗室招標時應預先規(guī)定暗室測試時所用的測試天線類型，包括收發(fā)天線，以避免暗室驗收時引起不必要的爭端。1.

半電波暗室、全電波暗室及開闊場介紹電磁兼容性測試EMC（ElectroMagneticCompatibility），是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。EMC設計與EMC測試是相輔相成的。EMC設計的好壞是要通過EMC測試來衡量的。只有在產品的EMC設計和研制的全過程中，進行EMC的相容性預測和評估，才能及早發(fā)現(xiàn)可能存在的電磁干擾，并采取必要的抑制和防護措施，從而確保系統(tǒng)的電磁兼容性。否則，當產品定型或系統(tǒng)建成后再發(fā)現(xiàn)不兼容的問題，則需在人力、物力上花很大的代價去修改設計或采用補救的措施。然而，往往難以徹底的解決問題，而給系統(tǒng)的使用帶來許多麻煩。電磁兼容測試場地包括：開闊試驗場理論基礎：30-1000MHz高頻電磁場的發(fā)射和接受完全是以空間直射波與地面反射波在接收點相互迭加。標準：ANSIC63.7、CISPR16要求：平坦、空曠、電導率均勻良好、無任何反射物的橢圓形或圓形試驗場地開闊試驗場的歸一化場地衰減（NormalizedSiteAttenuationNSA）：評定試驗場質量的技術指標屏蔽室定義：專門設計的能對射頻電磁能量起衰減作用的封閉室。作用：對于EMC測量，屏蔽室提供符合要求的試驗環(huán)境。屏蔽室的屏蔽效能定義：沒有屏蔽體時空間某點的電場強度Eo（或磁場強度Ho）與有屏蔽體時被屏蔽空間在該點的電場強度E1（或磁場強度H1）之比。S=Eo/E1=Ho/H1SE=20lg(Eo/E1)（采用對數(shù)單位分貝dB進行度量）SH=20lg(Ho/H1)（采用對數(shù)單位分貝dB進行度量）電波暗室電波暗室（AnechoicChamber）又稱電波消聲室或電波無反射室。按結構形式分為：①電磁屏蔽半波暗室ElectromagneticShieldedSemi-anechoicChamber)，模擬開闊試驗場；②微波電波暗室（全電波暗室）MicrowaveAnechoicChamber，屏蔽室只是一個大鐵箱子，起到阻斷室內外的無線電信號，通俗的講，就是里面的出不去，外面的進不來，但是里面的電磁波會在內壁反射疊加。

電波暗室是在屏蔽室的基礎上，在內壁鋪設了吸波材料，模擬一個開闊場的效果，暗室比屏蔽室貴很多就是貴在暗室內貼的這些材料上面。里面的電磁波發(fā)射到內壁會被吸收，基本不會產生反射疊加的混波效應。適合測試樣品的輻射發(fā)射干擾。暗室一般分全電波暗室和半電波暗室。

對實驗環(huán)境要求不高的測試比如傳導騷擾、靜電測試、浪涌測試、雷擊測試等都是通過電源線上進行的，所以只需要在屏蔽室內進行就夠了；而對于空間輻射、空間騷擾通過空間傳播的騷擾或者是抗干擾則對空間有特殊要求，因此需要在暗室內進行，模擬空曠場地的空間。全電波暗室、半電波暗室、開闊場，在這三種測試場地中進行的輻射試驗一般都可以認為符合電磁波在自由空間中的傳播規(guī)律。全電波暗室全電波暗室減小了外界電磁波信號對測試信號的干擾，同時電磁波吸波材料可以減小由于墻壁和天花板的反射對測試結果造成的多徑效應影響，適用于發(fā)射、靈敏度和抗擾度實驗。實際使用中，如果屏蔽體的屏蔽效能能夠達到80dB~140dB，那么對于外界環(huán)境的干擾就可以忽略不計，在全電波暗室中可以模擬自由空間的情況。同其它兩種測試場地相比，全電波暗室的地面、天花板和墻壁反射最小、受外界環(huán)境干擾最小，并且不受外界天氣的影響。它的缺點在于受成本制約，測試空間有限。

半電波暗室半電波暗室亦稱電磁兼容暗室。半電波暗室與全電波暗室類似，也是一個經過屏蔽設計的六面盒體，在其內部覆蓋有電磁波吸波材料，不同之處在于半電波暗室使用導電地板，不覆蓋吸波材料。半電波暗室模擬理想的開闊場情況，即場地具有一個無限大的良好的導電地平面。在半電波暗室中，由于地面沒有覆蓋吸波材料，因此將產生反射路徑，這樣接收天線接收到的信號將是直射路徑和反射路徑信號的總和。是目前國內外流行的和比較理想的EMC測試場地。這種暗室因為是開闊場的代替場地。所以完全沿用開闊場的標準測量方法。

開闊試驗場開闊場是平坦、空曠、電導率均勻良好、無任何反射物的橢圓形或圓形試驗場地，理想的開闊場地面具有良好的導電性，面積無限大，在30MHz~1000MHz之間接收天線接收到的信號將是直射路徑和反射路徑信號的總和。但在實際應用中，雖然可以獲得良好的地面?zhèn)鲗?，但是開闊場的面積卻是有限的，因此可能造成發(fā)射天線與接收天線之間的相位差。在發(fā)射測試中，開闊場的使用和半電波暗室相同。電磁兼容的各個測試項目都要求有特定的測試場地，其中以輻射發(fā)射和輻射抗擾度測試對場地的要求最為嚴格。由于80～1000MHz高頻電磁場的發(fā)射與接受完全是以空間直射波與地面反射波在接收點相互迭加的理論為基礎的。場地不理想，必然帶來較大的測試誤差。開闊試驗場是重要的電磁兼容測試場地。但由于開闊試驗場造價較高并遠離市區(qū)，使用不便；或者建在市區(qū)，背景噪聲電平大而影響EMC測試，所以常用室內屏蔽室來替代。但是屏蔽室是一個金屬封閉體，存在大量的諧振頻率，一旦被測設備的輻射頻率和激勵方式促使屏蔽室產生諧振時，測量誤差可達20～30dB，所以需要在屏蔽室的四周墻壁和頂部上安裝吸波材料，使反射大大減弱，即電波傳播時只有直達波和地面反射波，并且其結構尺寸也以開闊試驗場的要求為依據，從而能模擬室外開闊場的測試，這就是電磁屏蔽吸波暗室，又簡稱為EMC暗室，成了應用較普遍的EMC測試場地。美國FCC、ANCIC63.6—1992、IEC、CISPR及國軍標GJB152A-97、GJB2926-97《電磁兼容性測試實驗室認可要求》等標準容許用電磁屏蔽半電波暗室替代開闊試驗場進行EMC測試。

EMC暗室結構通常由RF屏蔽室、吸波材料、電源、天線、轉臺等幾部分構成：由RF屏蔽室保證測試不受外界干擾；由吸收材料保證暗室的吸收特性；天線、轉臺保證被測物按標準要求的狀態(tài)及條件進行測試；電源系統(tǒng)保證試驗用電。RF屏蔽門、通風波導窗、攝像機、照明燈、電源箱等輔助設備都應盡可能設計放在主反射區(qū)之外，避免任何金屬部件暴露在主反射區(qū)。暗室的地板是電磁波唯一的反射面。對地板的要求是：連續(xù)平整無凹凸。不能有超過最小工作波長1/10的縫隙，以保持地板的導電連續(xù)性。暗室內接地線和電源線要靠墻腳布設，不要橫越室內，電線還應穿金屬管，并保持金屬管與地板良好搭接。為了避免電波反射影響測量誤差，人和測試控制設備不應在測試場地內。所以一般EMC暗室都由測試暗室和控制室構成，測試暗室內安放測試天線和被測設備，操作人員和測試控制儀器都在控制室內。如有大功率功放設備，還應建立功放室放置這些設備，以免對周圍環(huán)境產生干擾。暗室和控制室要各自采用獨立的供電系統(tǒng)，使用不同相的電源，經過各自的濾波器，以避免控制室的干擾通過電源線進入暗室內。下面著重介紹下國內常見的半電波電磁兼容暗室：電磁兼容半電波暗室主要用于替代無電磁波干擾的開闊試驗場進行電磁輻射騷擾測量和電磁輻射敏感度測量。由于半電波暗室的測試環(huán)境需要模擬開闊試驗場地的電磁波傳播條件(即電磁波傳播時只有直射波和地面反射波)，故暗室尺寸應以開闊試驗場的結構要求為依據，一般分為標準的10m法，5m法和3m法等。半電波暗室的種類很多，無論從功能上、結構形式上、材料選擇上、安裝形式上都有較大的差異。但是采用哪種方案，主要根據使用者需要的測試類型，被測物的空間尺寸、試驗級別等。首先我們要明確測試頻率范圍，是作軍標測試還是民標測試，是進行廠家內部預兼容及診斷測試，還是要進行第三方的認證測試;其次要明確被測對象可能占據的最大空間、試驗室主要應用標準、自身的資金狀況以及將來可能的擴展升級需求等因素，由此選擇一個合適可行的試驗場地和儀器設備的配置方案。

圖3m法半電波暗室

圖3m法全電波暗室建造半電波暗室可以采用兩種基本方式：拼裝式和焊接式。拼裝式殼體由成型鋼板(在四邊經兩次彎板制成)和螺栓固定模塊構成。任意相鄰兩塊屏蔽模塊間都有導電襯墊，以保證優(yōu)良的射頻屏蔽和電連續(xù)性。這種方式結構輕，易于裝配，便于將來維修和拆卸，施工周期短。焊接屏蔽系統(tǒng)由大片的鋼板焊接在一起構成，它們形成了一個緊密的射頻密封體。焊接封裝的好處在于經久耐用，并因消除了接縫泄漏而具有更高的屏蔽性能，但不易拆卸，適合于固定場所。由于各暗室廠家建造暗室的屏蔽板類型不同，屏蔽板之間的連接方式和工藝也不一樣，為了保證良好的電接觸和密封性，應對他們采用的屏蔽板及其連接方式進行詳細了解和比較，并結合實際的施工周期等要求進行選擇。建設一個EMC實驗室是一項系統(tǒng)工程，它遵循科學的設計接口關系：測試設備→半電波暗室→母體建筑設計。對具體工程的實施來說，該順序正好相反，經歷母體建筑施工→半電波暗室安裝→測試設備安裝調試的過程。因此，在建造半電波暗室之前必須先建好母體建筑，包括占地面積、結構承載、空間尺寸、供電、供氣、空調及防水等。母體建筑的設計首先要考慮足夠的天花板高度以容納所建的半電波暗室、傳導測試屏蔽室、屏蔽放大器室，以及其它附屬設施的要求。母體建筑與暗室之間必須預留足夠的空間，以便于暗室的安裝、維修和通風。母體建筑的地板主要承擔所有屏蔽體和安裝部分的重量及負荷，也需要特別注意。土建地面需要精心鋪設，要求地面的波紋度在數(shù)米的范圍內不超過幾毫米，還有很高的防潮要求。此外，暗室內的轉臺需要裝設在一定深度的混凝土凹坑中，地勢較低，必須作好防水處理。在開始安裝暗室前，對承載地面一般還有比較高的殘留濕度要求，對每一個試驗室還要提供接地電阻很低的接地點等。由于暗室與母體建筑之間所涉及的接口問題比較多，并且國內建筑公司對其中的一些要求基本上沒有可借鑒的經驗，所以盡量讓土建設計單位、施工單位和暗室廠商進行交流和溝通是非常必要的。半電波暗室建設涉及的幾個方面：1）.電波暗室的尺寸。你應該清楚你所要建造的暗室是標準10米法半電波暗室還是標準3米法半電波暗室或是根據你的場地要求定制尺寸的電波暗室;電波暗室是否要配套修建屏蔽的控制室及放大器室，它們各自的長、寬、高尺寸是多少，它們建造在暗室的哪個方向。2).屏蔽門的類型、尺寸和數(shù)量。屏蔽門分單刀、雙刀、三刀等不同類型，并有電動、氣動和手動三種。你要根據你將來的被測設備和人員進出方便程度以及屏蔽門的屏蔽性能、耐用性、可靠性、易維護性等多方面綜合考慮來選擇它們。3).屏蔽板的類型和連接方式。由于各暗室制造廠商用來建造暗室的屏蔽板類型不同，屏蔽板之間的連接方式和工藝也不相同。為了保證好的接觸緊密性和電連續(xù)性，應該注意對他們選用的屏蔽板及屏蔽板之間的連接方式進行了解和比較。4).屏蔽室屏蔽性能。應該讓暗室制造廠商提供其電磁屏蔽室可以達到的具體的屏蔽性能指標(給出具體數(shù)值)，其中應該包括不同頻率段(從低頻段到高頻段)對磁場、電場、平面波、微波的屏蔽性能指標。5).吸波材料。注意暗室制造廠商所采用的吸波材料的生產廠家和型號(包括鐵氧體吸波材料和尖劈吸波材料);注意吸波材料的組成結構及它的抗高溫、高濕性能和阻燃性能;了解其長期使用是否易變形以及各種吸波材料在不同頻帶內的吸波性能，了解它們在暗室中的鋪設方式和鋪設位置及作用。6).電源線和信號線濾波器。考慮好暗室將來要使用的電源類型和它們的最大功率，如測試設備、受試設備和輔助設備以及照明系統(tǒng)等是否要使用380v、220v、110v交流電壓，是否有需要直流供電的測試和受試設備，它們的數(shù)量是多少，是否有特殊的測試設備和輔助設備需要特殊的濾波器等，這些都需要考慮周全，以便供應商提前準備好這些電源線和信號線濾波器。7).信導板和波導通風窗。暗室內需要安裝波導通風窗與排氣扇或空調系統(tǒng)進行連接。注意波導通風窗的頻段設計，其屏蔽性能要符合屏蔽室的屏蔽性能。信導板用來安裝不能直接通過屏蔽墻體進行安裝的端子或信號接口;信導板的安裝數(shù)量、位置以及其上的端子的數(shù)量和類型要和測試設備供應廠商一起進行商討來決定。8).火情報警裝置和照明設施。注意選擇不會產生任何無線電干擾的照明設施;火情報警裝置的安裝應該不會影響暗室的性能。9).暗室內的自動化裝置。暗室內的自動化裝置包括天線升降塔、轉臺和監(jiān)測系統(tǒng)及可對它們進行控制的控制器。天線升降塔的選擇要考慮生產廠家、型號及是否有安裝天線的適配器，是否受到測試設備的支持(即與它相連接的測試設備的測試軟件是否有支持它的驅動程序);轉臺同樣應該受到測試設備的支持并根據受試設備的大小來確定轉臺的尺寸及承載能力，同時要考慮轉臺的旋轉角度和定位精度;監(jiān)控系統(tǒng)包括安裝在暗室中的攝像機和安放在控制室內的監(jiān)視器，可根據實際使用情況來選擇攝像機和監(jiān)視器的數(shù)量，攝象機要選擇可在寬的頻率范圍和高的場強下正常工作且不會產生射頻干擾信號的機種，并將其安裝在無飯射區(qū)域。10).暗室的性能測試和保修培訓。由于暗室不僅適用于emc中的emi測試，還可用于ems中的輻射抗擾度測試。因此，暗室的性能檢測要包括暗室屏蔽體建成后的屏蔽性能測試和暗室全部建造完成后的場地衰減測試和場均勻測試。這些測試要根據合同要求和國際上暗室建造驗收的有關標準來進行。要選擇有知名度的和經過權威機構認可的測試機構。暗室的保修和配套設備、部件的保修以及培訓要寫進合同中去。2.微波暗室一般技術指標2.1微波暗室參數(shù)微波暗室的電性能指標主要由靜區(qū)的特征來表征。靜區(qū)的特性又以靜區(qū)的大小、靜區(qū)內的最大反射電平、交叉極化度、場均勻性、路徑損耗、固有雷達截面、工作頻率范圍等指標來描述。影響微波暗室性能指標的因素是多元化的，也是很復雜的。在利用光線發(fā)射法和能量物理法對暗室性能進行仿真計算時，需要考慮電波的傳輸去耦，極化去耦，標準天線的方向圖因素，吸波材料本身的垂直入射性能和斜入射性能，多次反射等影響。但在實際的工程設計過程中，往往以吸波材料的性能作為暗室性能的關鍵決定因素。交叉極化度：由于暗室結構的不嚴格對稱、吸波材料對各種極化波吸收的不一致性以及暗室測試系統(tǒng)等因素使電波在暗室傳播過程中產生極化不純的現(xiàn)象。如果待測試天線與發(fā)射天線的極化面正交和平行時，所測試場強之比小于-25dB，就認為交叉極化度滿足要求。多路徑損耗：路徑損耗不均勻會使電磁波的極化面旋轉，如果以來波方向旋轉待測試天線，接收信號的起伏不超過±0.25dB，就可忽略多路徑損耗。場均勻性：在暗室靜區(qū)，沿軸移動待測試天線，要求起伏不超±2dB；在靜區(qū)的截面上，橫向和上下移動待測天線，要求接收信號起伏不超過±0.25dB。2.2天線測量的誤差1)有限測試距離所引起的誤差設待測的是平面天線，接收的來波沿其主波束的軸向。若測試距離大小，由待測天線之不同部位所接受的場不能相同，因此具有平方根律相位差。若待測天線恰位于源天線遠場區(qū)的邊界2D2/λ，其口徑邊緣與相位中心的場存在22.5度的相位差.若測試距離加倍，在相位差減半。對于測量中等旁瓣電平的天線，距離2D2/λ通常已經足夠，測出的增益約偏小0.06dB。測試距離縮短會使測量誤差迅速增大，旁瓣會與主波束合并成肩臺式，甚至合為一體通常0.25dB的錐銷使測出的增益降低約為0.1dB，并造成近旁瓣的些許誤差。2)反射直射波受從周圍物體反射的干涉，在測試區(qū)域形成場的變化，由于該波波程差作為位置的函數(shù)而迅速變化，使起伏的長度屬于波長的數(shù)量級。例如比直射波低20dB的反射波，可引起-0.92～+0.83dB的功率誤差，具體取決于兩種之間的差異；相位測量的誤差范圍為±5.7°，但若反射波的場比直射波低40dB，則側出的幅度與相位分別僅有±0.09與±0.6°的誤差。反射在低旁瓣的測量中特別有害。一項很小的反射通過主瓣耦合到待測天線，可以完全掩蓋住耦合到旁瓣的直射波。如果相耦合的直射和反射波強度相等，則測出的旁瓣電平會抬高6dB左右，或者在測得的波瓣圖中成為零點。3)其他誤差還可能導致天線測量產生誤差的因素有：低頻時與電抗近場的耦合可能比較顯著；測量天線的對準誤差；其他干擾信號；測試電纜所引起的誤差等。3.暗室靜區(qū)及天線近場和遠場的介紹3.1

靜區(qū)、遠近場介紹電場（E場）產生于兩個具有不同電位的導體之間。電場的單位為m／V，電場強度正比于導體之間的電壓，反比于兩導體間的距離。磁場（H場）產生于載流導體的周圍，磁場的單位為m／A，磁場正比于電流，反比于離開導體的距離。當交變電壓通過網絡導體產生交變電流時，會產生電磁（EM）波，E場和H場互為正交同時傳播，如圖1所示。

圖產生電磁（EM）波，E場和H場互為正交同時傳播電磁場的傳播速度由媒體決定；在自由空間等于光速3×10^8m／s。在靠近輻射源時，電磁場的幾何分布和強度由干擾源特性決定，僅在遠處是正交的電磁場。當干擾源的頻率較高時，干擾信號的波長又比被干擾的對象結構尺寸小，或者干擾源與被干擾者之間的距離r＞λ／2π時，則干擾信號可以認為是輻射場即遠場，它以平面電磁波形式向外輻射電磁場能量進入被干擾對象的通路。干擾信號以泄漏和耦合形式，通過絕緣支撐物等（包括空氣）為媒介，經公共阻抗的耦合進入被干擾的線路、設備或系統(tǒng)。當干擾源的頻率較低時，干擾信號的波長λ比被干擾對象的結構尺寸長，或者干擾源與干擾對象之間的距離r＜λ／2π，則干擾源可以認為是近場，它以感應場形式進入被干擾對象的通路。近場耦合用電路的形式來表達就是電容和電感，電容代表電場耦合關系，電感或互感代表磁場耦合關系。這樣輻射干擾信號可以通過直接傳導方式引入線路、設備或系統(tǒng)。圖2是輻射場中近場、遠場、磁場、電場與波阻抗的關系圖。

圖輻射場中近場、遠場、磁場、電場與波阻抗的關系圖靜區(qū)：所謂靜區(qū)就是指微波暗室內受雜散波干擾最小的區(qū)域，也就是在短波通信中，自發(fā)射天線數(shù)十公里以外直至電離層把電波反射回地面以前的一個區(qū)域。微波暗室靜區(qū)重要性：暗室的電性能主要由靜區(qū)的特性來描述。靜區(qū)的特性又以靜區(qū)的大小、靜區(qū)內的最大反射率電平、交叉極化度、場強均勻性、路徑損耗、固有雷達截面、工作頻率范圍等參數(shù)來描述。其中，靜區(qū)內的最大反射率電平是主要因素。所以，設計一個暗室，必須給定靜區(qū)的性能指標，然后由此來決定暗室的尺寸、吸波材料的選擇等。由此可以看出靜區(qū)的性能指標對微波暗室的搭建非常重要。微波暗室靜區(qū)性能測試：

微波暗室用于天線測量。作為室內測量，微波暗室應能把發(fā)射天線直接輻射到接收天線主波束區(qū)以外的射頻能量,盡可能地吸收或改變其反射方向，使之不進入接收天線的主波束區(qū)，即在接收天線所在區(qū)域內提供近似無反射的靜區(qū)。測試方法：

靜區(qū)性能的核心指標是反射電平，其它指標本質上均與反射電平有關。靜區(qū)反射電平可以采用自由空間電壓駐波比法來測量。微波暗室是一個模擬的“自由空間”，由于暗室內壁吸波材料吸收電磁波不完全，對于入射到它上面的電磁波始終存在著大小不同的反射，這些反射隨空間位置的不同而不同，它們與直射波矢量迭加后就形成了自由空間電壓駐波，其數(shù)量大小就反映了暗室空間反射電平的大小。設Ed為來自源天線的直射波場強，Er為等效反射波場強，它與軸線夾角為θ。令接收天線方向圖在θ方向的電平為A（dB），則接收天線方向圖最大值旋轉到θ方向時，它在直射波方向收到的場強Ed’將為Ed’=Ed×10A/20設直射波Ed’和反射波Er同相和反相時檢測到的場強最大值和最小值分別用B（dB）和C（dB）來表示，則可分下列三種情況討論：1)Er<Ed’時B=20lg(Ed\'+Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20+Er)/Ed10A/20C=20lg(Ed\'-Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20-Er)/Ed10A/20則暗室反射電平Γ為Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20-1)/(10(B-C)/20+1)]2)Er=Ed’時Γ=A3)Er>Ed’時同理可得Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20+1)/(10(B-C)/20-1)]因此，只要測出空間駐波曲線和接收天線的方向圖，就可以按上述三類情況計算出反射電平。Er和Ed\'的大小判別方法是：由于Ed’隨天線的移動有規(guī)律變化，Er無規(guī)律變化，在某一取向角上，如果實測空間駐波曲線的平均值出現(xiàn)無規(guī)律的變化，就能判別Er>Ed\'，或在這個取向角上，實測空間駐波曲線的平均電平比在這個取向角上方向圖電平高，也能判別Er>Ed\'。天線的近場區(qū)和遠場區(qū)：微波暗室搭建成功，就可以用于我們的天線測量，圍繞著天線的場可以劃分為兩個主要的區(qū)域：接近天線的區(qū)域稱為近場或者菲斯涅耳（Fresnel）區(qū)，離天線較遠的稱為遠場或弗朗霍法（Fraunhofer）區(qū)。參考下圖，兩區(qū)的分界線可取為半徑R=2L2/λ

(m)其中，L是天線的最大尺寸（米），λ是波長（米）。

在遠場或弗朗霍法（Fraunhofer）區(qū)，測量到的場分量處于以天線為中心的徑向的橫截面上，并且所有的功率流（更確切地說是能量流）都是沿徑向向外的。在遠場，場波瓣圖的形狀與到天線的距離無關。在近場或者菲斯涅耳（Fresnel）區(qū)，電場有明顯的縱向（或者徑向）分量，而功率流則不是完全徑向的。在近場，一般來說場波瓣圖的形狀取決于到天線的距離。

如果如下圖所示用想象的球面邊界包裹住天線，則在接近球面極點的區(qū)域可以視為反射器。另一方面，以垂直于偶極子方向擴散的波在赤道區(qū)域產生了穿透球面的功率泄漏，就好像這個區(qū)域是部分透明一樣。

這導致了天線附近的能量往返振蕩伴隨赤道區(qū)域的向外能量流的情況。外流的功率決定了天線輻射出去的功率，而往返振蕩的功率代表了無效功率——被限制在天線附近，就像一個諧振器。天線周圍場劃分：通常，天線周圍場，劃分為三個區(qū)域：無功所場區(qū)，輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。射頻信號加載到天線后，緊鄰天線除了輻射場之外，還有一個非輻射場。該場與距離的高次冪成反比，隨著離開天線的距離增大迅速減小。在這個區(qū)域，由于電抗場占優(yōu)勢，因而將此區(qū)域稱為電抗近場區(qū)，它的外界約為一個波長。超過電抗近場區(qū)就到了輻射場區(qū)，按照與天線距離的遠近，又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。

無功近場區(qū)：

又稱為電抗近場區(qū)，是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個近場區(qū)域。在該區(qū)域中，電抗性儲能場占支配地位，該區(qū)域的界限通常取為距天線口徑表面λ/2π處。從物理概念上講，無功近場區(qū)是一個儲能場，其中的電場與磁場的轉換類似于變壓器中的電場、磁場之間的轉換，是一種感應場。輻射近場區(qū)：超過電抗近場區(qū)就到了輻射場區(qū)，輻射場區(qū)的電磁場已經脫離了天線的束縛，并作為電磁波進入空間。按照與天線距離的遠近，又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。在輻射近場區(qū)中，輻射場占優(yōu)勢，并且輻射場的角度分布與距離天線口徑的距離有關。對于通常的天線，此區(qū)域也稱為菲涅爾區(qū)。輻射遠場區(qū)：通常所說的遠場區(qū)，又稱為夫朗荷費區(qū)。在該區(qū)域中，輻射場的角分布與距離無關。嚴格地講，只有離天線無窮遠處才能到達天線的遠場區(qū)。

公認為，輻射近場區(qū)與遠場區(qū)的分界距離R為：2D*D/λ。見下圖。

其中，圖是的D為天線直徑；為天線波長，D>>λ。要進一步說明的是：輻射場中，能量是以電磁波形式向外傳播，無功近場中射頻能量以磁場、電場形式相互轉換，并不向外傳播。3.2近場工作區(qū)反射電平測試原理及方法近場工作區(qū)反射電平測試原理采用自由空間電壓駐波比法測量近場工作區(qū)反射電平，測量原理是基于微波暗室中存在有直射信號和反射信號，微波暗室中空間任意一點的場強是直射信號和反射信號的矢量合，在空間形成駐波，駐波數(shù)值的大小就反映了微波暗室內反射電平的大小。

VSWR法測量原理圖

當接收天線主瓣對準發(fā)射天線時，所接收到的信號為ED。移動接收天線，則接收天線的直射信號ED與反射信號ER的相對相位將會改變，此時接收天線收到的信號幅度將產生波動，如圖所示，這一波動反映空間固有駐波，由此即可得到反射電平。

暗室空間駐波圖將接收天線轉到比最大電平低a（dB）的方位角q時，則所接收的直射信號Eq=ED10a/20。當反射信號與直射信號同相時合成場最大，這時以b表示：

當反射信號與直射信號反相時合成場最小，這時以c表示：

則反射電平：

因此測出空間駐波曲線和接收天線方向圖，就可以計算出微波暗室反射電平。測試方法在近場工作區(qū)內針對主反射墻的吸波材料進行特定頻段吸收特性的測試。測試位置的選取測試近場工作區(qū)反射電平時，發(fā)射天線先置于暗室中心軸線上，接收天線置于正對被測墻壁的一個合理位置，并沿兩天線軸線移動一段距離進行反射電平的測試。測試位置如圖所示。

近場靜區(qū)測試位置示意圖(俯視圖)

近場靜區(qū)測試位置示意圖(側視圖)

測試設備連接示意圖測試步驟a）連接好測試系統(tǒng)，按上圖置發(fā)射天線及接收天線于測試位置Ⅰ；b）設置信號源頻率為1GHz，輸出功率調至合適大小使發(fā)射天線輻射信號，接收天線在正對發(fā)射天線方向，沿待測行程線移動，并記錄接收信號曲線，測試曲線作為這條行程線的參考電平線；c）將接收天線方向朝向被測墻壁吸波材料方向，接收天線沿這條測量行程線移動，并記錄空間駐波曲線；d）改變天線極化方式，重復以上步驟a）～c）的測量；e）分別在2GHz、5GHz、10GHz、18GHz、40GHz頻率點，重復步驟b）~d），直至完成所有頻率點測量；f）改變發(fā)射天線及接收天線位置，如圖2-3所示，分別至位置Ⅱ、位置Ⅲ，重復上述步驟b）~e）的測量;g）改變發(fā)射天線及接收天線高度，如圖2-4所示，分別至H2、H3，重復上述步驟b）~f）的測量。數(shù)據處理近場工作區(qū)反射電平按公式計算：

式中：b-c：最大駐波的幅值；a：接收天線在方位角θ時的方向圖電平3.2遠場靜區(qū)幅度均勻性測試方法遠場靜區(qū)幅度均勻性是指發(fā)射天線保持不動，接收天線在靜區(qū)內沿指定行程線移動時，接收信號幅度變化情況。在進行幅度均勻性測試時，接收天線沿圖所示的區(qū)域不同高度的行程線進行橫向運動，采集區(qū)域內各個位置的幅度數(shù)據，經過數(shù)據篩選及處理后得到靜區(qū)內一個圓形平面的幅度均勻性測量結果。通過對靜區(qū)內多個平面進行測量，得到整個靜區(qū)的幅度均勻性測試結果。

測試行程線示意圖（靜區(qū)橫切面）測試間隔的設置遠場幅度均勻性的測試間隔距離如表所示：表

行程線的選取間隔類別測試間隔測試面0.5m測試面內行程線0.2m測試設備連接示意圖

測試步驟a）連接好測試系統(tǒng)，按圖3-2置發(fā)射天線及接收天線于測試位置Ⅰ；b）設置信號源頻率為1GHz，輸出功率調至合適大小使發(fā)射天線輻射信號，接收天線在正對發(fā)射天線方向，沿待測行程線移動，并記錄接收信號曲線；c）改變測試行程線在一個測試面內的不同高度進行測量；d）改變天線極化方式，重復以上步驟a）～c）的測量；e）分別在3GHz、5GHz、10GHz、18GHz頻率點，重復步驟b）~d），直至完成所有頻率點測量；f）改變測試面，重復上述步驟b）~e）的測量;數(shù)據處理遠場靜區(qū)幅度均勻性的計算公式：

3.3大型天線的測試對天線與某個應用進行匹配需要進行精確的天線測量。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用。這意味著要采用天線方向圖測量(APM)和硬件環(huán)內仿真(HiL)測量技術。雖然有許多不同的方法來開展這些測量，但沒有一種能適應各種場合的理想方法。例如，500MHz以下的低頻天線通常是使用錐形微波暗室(anechoicchamber)，這是20世紀60年代就出現(xiàn)的技術。遺憾的是，大多數(shù)現(xiàn)代天線測試工程師不熟悉這種非常經濟的技術，也不完全理解該技術的局限性(特別是在高于1GHz的時候)。因此，他們無法發(fā)揮這種技術的最大效用。

如果對頻率低至100MHz的天線測量，天線測試工程師理解各種天線測試方法(如錐形微波暗室)的優(yōu)勢和局限的重要性就愈加突出。在測試天線時，天線測試工程師通常需測量許多參數(shù)，如輻射方向圖、增益、阻抗或極化特性。用于測試天線方向圖的技術之一是遠場測試，使用這種技術時待測天線(AUT：AntennaUnderTest)安裝在發(fā)射天線的遠場范圍內。其它技術包括近場和反射面測試。選用哪種天線測試場取決于待測的天線。

為更好地理解選擇過程，可以考慮這種情況：典型的天線測量系統(tǒng)可以被分成兩個獨立的部分，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、本振(LO)信號源、射頻下變頻器、定位器、系統(tǒng)軟件和計算機組成。在傳統(tǒng)的遠場天線測試場中，發(fā)射和接收天線分別位于對方的遠場處，兩者通常隔得足夠遠以模擬想要的工作環(huán)境。AUT被距離足夠遠的源天線所照射，以便在AUT的電氣孔徑上產生接近平面的波陣面。遠場測量可以在室內或室外測試場進行。室內測量通常是在微波暗室中進行。這種暗室有矩形的，也有錐形的，專門設計用來減少來自墻體、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減少反射。在錐形微波暗室中，錐體形狀被用來產生照射。

圖：這些是典型的室內直射式測量系統(tǒng)，圖中分別為錐形(左)和矩形(右)測試場。近場和反射測量也可以在室內測試場進行，而且通常是近場或緊縮測試場。在緊縮測試場中，反射面會產生一個平面波，用于模擬遠場行為。這使得可以在長度比遠場距離短的測試場中對天線進行測量。在近場測試場中，AUT被放置在近場，接近天線的表面上的場被測量。隨后測量數(shù)據經過數(shù)學轉換，即可獲得遠場行為(圖2)。圖3顯示了在緊縮測試場中由靜區(qū)上的反射面產生的平面波。

圖2：在緊縮測試場，平坦波形是由反射測量產生。一般來說，10個波長以下的天線(中小型天線)最容易在遠場測試場中測量，這是因為在可管理距離內往往可以輕松滿足遠場條件。對大型天線(electricallylargeantenna)、反射面和陣列(超過10個波長)來說，遠場通常在許多波長以外。因此，近場或緊縮測試場可以提供更加可行的測量選項，而不管反射面和測量系統(tǒng)的成本是否上升。

假設天線測試工程師想要在低頻下進行測量。國防部門對此尤感其興趣，因為他們需要研究諸如在低頻下使用天線等事項，以便更好地穿透探地雷達(GPR)系統(tǒng)中的結構(針對工作在400MHz范圍的射頻識別(RFID)標簽)，以及支持更高效的無線電設備(如軟件定義無線電(SDR))和數(shù)字遙感無線電設備。在這種情況下，微波暗室可以為室內遠場測量提供足夠好的環(huán)境。

矩形和錐形是兩種常見的微波暗室類型，即所謂的直接照射方法。每種暗室都有不同的物理尺寸，因此會有不同的電磁行為。矩形微波暗室處于一種真正的自動空間狀態(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更好。相反，錐形暗室制造起來較復雜，也更長一些，但寬度和高度比矩陣暗室要小。隨著頻率的提高(如2GHz以上)，對錐形暗室的操作必須十分小心才能確保達到足夠高的性能。

通過研究每種暗室中使用的吸波措施可以更清楚地認識矩形和錐形暗室之間的區(qū)別。在矩形暗室中，關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，這會使吸波材料的效率打折扣，因此側墻非常關鍵。但是，由于存在源天線的增益，只有較少的能量照射到側墻(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墻區(qū)域需要昂貴的側墻吸波材料。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，并防止對測量造成負面影響。

錐形暗室中采用什么吸波措施呢?開發(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，而且必須增加側墻吸波材料的厚度來減少反射并提高性能。同樣，必須增加暗室尺寸以適應更大的吸波材料。采用較小的天線不是解決之道，因為更低的增益意味著側墻吸波材料仍必須增大尺寸。

錐形暗室沒有消除鏡面反射。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)域可以用來通過形成一組并行射線入射進靜區(qū)，從而產生照射。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。

Theparallelraysshowngraphicallyarecreatedbythe

taperedshapeofthetestchamber

圖：在緊縮測試場中由靜區(qū)上的反射面產生的平面波使用陣列理論可以更清楚地解釋錐形暗室的照射機制。考慮饋源由真實的源天線和一組映像組成。如果映像遠離源(在電氣上)，那么陣列因子是不規(guī)則的(例如有許多紋波)。如果映像比較靠近源，那么陣列因子是一個等方性圖案。對位于(遠場中的)AUT處的觀察者來說，他看到的源是源天線加上陣列因子后的圖案。換句話說，陣列將看起來像是自由空間中的獨立天線。在錐形暗室中，源天線非常關鍵，特別是在較高頻率時(如2GHz以上)，此時暗室行為對細小的變化更加敏感(圖4)。整個錐體的角度和處理也很重要。角度必須保持恒定，因為錐體部分角度的任何變化將引起照射誤差。因此測量時保持連續(xù)的角度是實現(xiàn)良好錐形性能的關鍵。

Atypicaltaperedchamberdesignisshownhere.whiletheabsorberlayoutmayappearsimple，theareaclosetothesourceantenna（taperedregion）iscritical.在典型的錐形暗室中，吸波材料的布局看起來很簡單，但離源天線較近的區(qū)域(錐形暗區(qū)域)非常重要。與矩形暗室一樣，錐形暗室中的接收端墻體吸波材料的反射率必須大于或等于所要求的靜區(qū)電平。側墻吸波材料沒有那么重要，因為從暗室立方體部分的側墻處反射的任何射線會被后墻進一步吸收(后墻處有性能最好的吸波材料)。作為一般的“經驗之談”，立方體上的吸波材料的反射率是后墻吸波材料的一半。為減少潛在的散射，吸波材料可以呈45度角或菱形放置，當然也可以使用楔形材料。表中提供了典型錐形微波暗室的特性，可以用來與典型的矩形暗室作比較。較少量的錐形吸波材料意味著更小的暗室，因此成本更低。這兩種暗室提供基本相同的性能。不過需要注意的是，矩形暗室要想達到與錐形暗室相同的性能，必須做得更大，采用更長的吸波材料和數(shù)量更多的吸波材料。

圖：一個用于天線測試的200MHz至40GHz小型錐形暗室。雖然從前面的討論中可以清楚地知道，在低頻時錐形暗室可以比矩形暗室提供更多的優(yōu)勢，但測量數(shù)據表明錐形暗室具有真正的可用性。圖5是一個200MHz至40GHz的小型錐形暗室，外形尺寸為12×12×36英尺，靜區(qū)大小為1.2米。這里采用了一個雙脊寬帶喇叭天線照射較低頻率的靜區(qū)。然后利用安捷倫(Agilent)公司的N9030APXA頻譜分析儀以一個對數(shù)周期天線測量靜區(qū)。在200MHz點測得的反射率大于30Db(如圖6所示)。圖7和圖8分別顯示了饋源頂部的源天線和靜區(qū)中的掃描天線。

圖：從圖中可以看出，在200MHz點測得的反射率大于30dB。

Inthistestsetup，adualridgehornisusedasthesource

圖：圖中測試采用雙脊喇叭作為源。有許多像APM和HiL那樣的不同方法可進行天線測量。測量技巧在于選擇正確的天線測試場，具體取決于待測的天線。對于中型天線(10個波長大小)，推薦使用遠場測試場。另一方面，錐形暗室可以為低于500MHz的頻率提供更好的解決方案。它們也可以用于2GHz以上的頻率，但操作時需要備加小心才能確保獲得足夠好的性能。通過了解錐形微波暗室的正確使用，今天的天線測試工程師可以使用非常有用的工具開展100MHz至300MHz以及UHF范圍的天線測量。

圖：圖中測試采用一個對數(shù)周期天線來掃描QZ以測量反射率4.

微波暗室中天線遠近場測試

4.1天線測量主要方法1）天線遠場測量技術原理：將待測天線架設在離地較高的支架上，在天線輻射遠場區(qū)（r≥2D^2/λ）安裝掃描探頭，直接測量天線遠場處的各項特性。

優(yōu)缺點：可直接測量得到天線的遠場特性。不存在近場測量中變換理論誤差等，但傳統(tǒng)的遠場受地面反射波的影響較大，難以達到特別理想的測量精度，此外，遠場測量還受周圍電磁干擾、氣候條件、有限測試距離、環(huán)境污染和物體的雜亂反射等因素影響，已經越來越難以適應現(xiàn)代衛(wèi)星天線等各種復雜天線的測量要求。2）緊縮場測試技術原理：在電磁環(huán)境與外界隔離的暗室中，將待測天線做為饋源，發(fā)送球面波，再經高精度拋物面金屬板的反射面反射，而在一定遠距離處會形成近似平面波區(qū)域（靜區(qū)）。將掃描探頭放置在靜區(qū)內，可直接測量待測天線遠場得到其遠場特性。

優(yōu)缺點：理想遠場環(huán)境（暗室）下進行測量，能很好的模擬和控制各種電磁環(huán)境。但是，暗室造價昂貴，一般情況下不會專門采用，對各機械系統(tǒng)的精度要求非常。

3）近場測量技術原理：探頭在天線輻射近場區(qū)域內采集天線近場區(qū)域輻射場的數(shù)據，再經近場——遠場變換理論，由計算機處理得到天線的遠場特性。

優(yōu)缺點：不受遠場測試中的距離效應和外界環(huán)境的影響，具有測試精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列優(yōu)點，而且通過合適的軟件及成熟的校準理論，有效的補償各種測量誤差，其測量精度甚至可優(yōu)于遠場測量，也是當前高性能天線測量的主要方法之一。但是，近場——遠場變換理論要求同時已知近場幅度和相位信息，而近場掃描技術中相位信息測量難度較大，對機械系統(tǒng)，測量間距，取樣點數(shù)，濾波等需要計算機仿真優(yōu)化，以盡可能的減小測量誤差。

天線測量主要測試項：

待測天線的指標測量項：天線電性能主要參數(shù)有電路特性參數(shù)和輻射特性參數(shù)。輻射特性參數(shù)：增益、半功率波束寬度、前后比、交叉極化鑒別率、圓度（全向天線）、副瓣抑制（賦形）、零點填充（賦形）、電下傾斜角精度等；電路特性參數(shù)：駐波比、三階交調、隔離度（多端口天線）、幅相一致性（智能天線）、有源駐波（智能天線）等。天線周圍的場區(qū)分布：

感應場區(qū)是指非?？拷炀€的區(qū)域。感應場區(qū)里，占優(yōu)勢的是感應場，其電場和磁場的時間相位相差90度，波印亭矢量為純虛數(shù)，因此不輻射功率，電場能量和磁場能量相互交替地貯存于天線附近的空間內。上圖所示電尺寸小的偶極天線，其感應場區(qū)的外邊界是λ/2π。這里，λ是工作波長。感應場隨離開天線的距離的增加而極快衰減，超過感應場區(qū)后，就是輻射場占優(yōu)勢的輻射場區(qū)了.天線周圍的場區(qū)分布：

輻射近場區(qū)的外邊界按通用標準規(guī)定為：r=2D^2/λr：觀測點到天線的距離D：天線孔徑的最大線尺寸孔徑天線的輻射場區(qū)又分為近場區(qū)和遠場區(qū)：

輻射遠場區(qū)：輻射近場區(qū)的外邊界以外就是輻射遠場區(qū)，范圍直到無窮遠處。這個區(qū)域里的特點是：

場的大小與離開天線的距離成反比；場的相對角分布與離開天線的距離無關；方向圖主瓣﹑副瓣和零點已全部形成。輻射遠場區(qū)是進行天線測試的重要場區(qū)，天線輻射特性所包括的各特性參數(shù)的測量一般均需在輻射遠場區(qū)內進行。

孔徑天線產生的場：

圖：計算孔徑天線外場的坐標系

孔徑天線所產生場的表達式：

原則上，無論何種場區(qū)內的場，均應由上式計算求得。特別是感應場區(qū)內，上式難以做任何簡化。但是，在輻射場區(qū)內，從實際工程和測試工作角度看，可以對該式做一定的簡化處理，以利計算和分析，而又不損其精度。

·隨距離r的增加，場的振幅按1/r的關系非單調衰減，而是先震蕩地變化，然后單調地下降；·場振幅的相對角分布與離天線的距離有關，亦即在不同的距離處天線的方向圖是不同的。

圖：輻射近場區(qū)方向圖的變化

可以看到，離天線很近時，方向圖只有一個具有起伏包絡的波瓣。隨著離天線距離的增加，方向圖才逐漸接近于無窮遠處的情況，形成較明顯的主瓣和副瓣，但副瓣電平和零值電平均較高。

由于輻射遠場區(qū)這個區(qū)域離開天線的孔徑更遠，因此將：

進一步簡化為：

這一近似實際上就是把孔徑上任意點到觀察點p的射線都看成是平行的，得：

可以看出，式中積分內沒有與r有關的因子，因此，遠區(qū)輻射場隨距離的變化有以下的特點：

·場的振幅按1/r的關系單調地衰減；·方向圖與距離無關，且方向圖主﹑副瓣已明顯形成，零值點也很深。下面介紹幾種掃描方法：近場掃描法原理：近場掃描法是用一個特性已知的探頭，在離開待測天線幾個波長（近場區(qū)）的某一表面進行掃描，測量天線在該表面各離散點上輻射場的幅度和相位分布，然后基于嚴格的模式展開理論，確定天線的近場特性。最后，經近場-遠場變換理論，由計算機編程進行變換以及誤差校準處理，近似得到待測天線遠場特性。常用分類：根據掃描面幾何形狀，通常采用平面近場（PNF），柱面近場（CNF）和球面近場（SNF）。每一種都需將平動及轉動的組合實現(xiàn)在理想曲面上的掃描。補償技術：熱漂移補償、阻抗適配補償、探頭位置補償、電纜擾動補償、掃描截斷補償、采樣補償、探頭與天線間多重反射補償、系統(tǒng)相位補償噪聲與接收機范圍補償、環(huán)境散射補償、隨機誤差、串擾與泄漏、組合不確定度補償?shù)?。平面掃描法（PNF）：

圖：矩形平面掃描示意圖原理：矩形掃描是一種常用的PNF技術，如圖1所示，掃描的數(shù)據是在網格上特定的x，y點處收集得到。探頭放置在沿y軸的直線滑軌上。y軸滑軌安放在沿x軸向的第二個滑軌上。適用類型：適合于像碟狀或相位陣列這樣的高度定向天線，這類天線幾乎所有的接收和發(fā)射的能量都會通過平面掃描區(qū)域。掃描區(qū)域：最簡單的是將某掃描區(qū)域邊緣之外的數(shù)據設置為零，并觀察計算出的遠場變化大小。當遠場變化比較明顯時，說明掃描區(qū)域內測得的數(shù)據量過少，應適當?shù)脑黾訏呙椟c數(shù)，從而保證經變化得到的遠場近似于待測天線的遠場。減小由邊界截斷帶來的測量誤差。柱面掃描法（CNF）

圖：柱面掃描示意圖原理：典型的柱面近場掃描設備是將待測天線安裝于轉臺之上，掃描探頭沿平行于轉臺轉軸的直線方向上移動。通過合理地配置這些運動，準確的定位需要測量的網格點位置，保證探頭能夠在柱面特定的網格點處獲取近場振幅和相位數(shù)據。

安裝：柱面測量系統(tǒng)中，待測天線位于方位轉臺之上，其口徑面邊緣垂直于地面，探頭沿垂線方向上進行掃描，位于方位轉臺之上的待測天線沿圓周運動。轉動待測天線，垂直方向上掃描一次，一周之后，可完成整個柱面的掃描，該系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。二者的組合運動在柱面上形成了相互關聯(lián)的采樣格點。球面掃描法（SNF）

圖：球面掃描示意圖原理：在??和??坐標系下采集數(shù)據。待測天線安裝定位于??軸（橫滾）轉臺上，該轉臺又安裝于另一個??軸（方位）轉臺之上。

優(yōu)點：這種技術能用于任何天線的測量，尤其適用于那些不適合用平面和柱面測量的全向或近似全向天線。但球面測量是對天線周圍空間的完整測量，其最能完整的體現(xiàn)天線的輻射特性，理論上的誤差最小，測量的精度最高，也是未來近場測量發(fā)展主要的趨勢。缺點：導軌轉動的精度及控制對測量結果的影響相對于其他兩種方法，其要求較高，實現(xiàn)的難度更大，并且，測量得到的相位信息不太準確。表：近場掃描法對比分析測試方法對比分析PNFPNF方法對高度定向天線效果最好。其可用于定向天線的增益測量，但其對覆蓋的方向圖區(qū)域的限制對直接測量會帶來困難。CNF對測量扇形束型天線最有用，如手機的基站天線，其輻射方向圖大部分限制在小范圍的高度上。SNFSNF方法中，測量面的截斷是非必要的，因而，其用于精確的確定任何類型天線遠處的旁瓣。因為可覆蓋寬泛的角度范圍大，其專門用于測量近各向同性天線，如移動電話、手機的天線，以及測量天線的定向性。4.2

誤差分析輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析矩形孔徑相對誤差：

圓形孔徑相對誤差：

5.

毫米波緊縮場介紹5.1緊縮場簡介隨著對天線與雷達目標特性研究的不斷深入，尤其是電大尺寸目標與天線、超低副瓣天線以及目標探測與識別的研究發(fā)展，人們對測量的要求也在不斷提高，主要表現(xiàn)在測量距離、電磁環(huán)境、測量設備三個方面。為保證天線與目標特性測量的客觀、準確，測量必須在一個滿足遠區(qū)條件的場地中進行。在通信和雷達系統(tǒng)的實際工作條件下，接收天線或者雷達需要探測的目標與發(fā)射天線的距離往往遠大于天線口徑和天線的電尺寸，即接收天線或目標處于發(fā)射天線遠區(qū)場的一個很小的局部區(qū)域，此時發(fā)射天線輻射至接收機或者目標處的電磁波非常接近于均勻平面波。為保證測量條件與實際工作條件接近，理想測量場地應能保證均勻平面波照射待測天線或目標。一般來說，高增益、低副瓣的天線測量，高精度的電大尺寸目標特性測量，所要求的遠區(qū)距離也就越大。為保證足夠的測量精度，應使測量場地反射波和外界輻射源的影響降低到最低限度，測量對電磁環(huán)境的要求較高。如果可能，都應使測量在電波無回波屏蔽室內完成，這將非?？赡軐е逻h區(qū)距離需求與室內有限空間之間的矛盾。測量設備應該能夠提供不同極化狀態(tài)、寬頻帶的幅度和相位信息，并且具有足夠的精度和較高的測量效率。緊縮場測量系統(tǒng)能滿足天線與目標特性測量的測量距離、電磁環(huán)境、測量設備三方面要求。對緊縮場技術的深入研究與測量系統(tǒng)實現(xiàn)，已經成為天線測量、目標特性測量以及電磁兼容測量技術研究領域的前沿課題。

圖1

天線場區(qū)劃分及不同場區(qū)方向圖示意圖1給出了天線場區(qū)的劃分以及對應的方向圖示意。理想的測量場地應該滿足均勻平面波條件，即等相位面是一個平面，并且在電磁波傳播的方向上沒有幅度衰減。天線的方向圖、增益、極化等電參數(shù)測量是在滿足遠區(qū)距離條件的外場進行的。根據天遠場測試條件2D2/λ可知，當目標尺寸D很大而波長λ很短時，測試距離R必須很大，有些天線的最小測試距離可能需要幾公里乃至幾十公里，實際中無法實現(xiàn)。另外，外場測試還存在受氣候影響大、保密性差、背景電平高等缺點。為解決上述問題，20世紀90年代以后，人們越來越多地關注緊縮場(CompactAntennaTestRange,CATR)技術的發(fā)展和應用。它采用精密的反射面,配合饋源的合理照射，可在近距離上獲得較為理想的均勻平面波，從而滿足遠場測試要求。緊縮場已成為是天線測量的重要手段，但緊縮場研制難度很大，其性能會影響到測試的精度和可靠性。緊縮場系統(tǒng)主要由緊縮場天線和微波暗室兩部分組成，根據緊縮場天線的不同，緊縮場系統(tǒng)可分為三種基本類型：反射面型、透鏡型、全息緊縮場。相對于外場和微波暗室內近場，緊縮場的優(yōu)點主要有三：緊縮場產生的平面波將聚集在平行波束內，暗室內四個側壁的照射電平很低，從而降低了對暗室的要求。室內緊縮場保密性好，室內緊縮場受氣候境影響小，改善了測試條件，提高了RCS測試效率。緊縮場工作頻率很寬，可以滿足毫米波和亞毫米波測試要求。在微波暗室中，最關注的就是其靜區(qū)的性能。所謂“靜區(qū)”，就是指暗室內受各種雜波干擾最小的特定測試區(qū)域。靜區(qū)的形狀、大小及性能主要是由暗室的類型、大小、工作頻率及吸波材料的性能等因素決定的；靜區(qū)的優(yōu)劣乃是衡量微波暗室性能的主要指標。而微波暗室的性能如何，則對緊縮場系統(tǒng)具有直接影響。在設計暗室時，可以設定各種不同的邊界條件，對尖劈的高度、頂角、吸波材料及暗室的長、寬、高和入射角的變化等參數(shù)加以改變和優(yōu)化，得出一系列靜區(qū)大小的數(shù)據，再根據不同的要求，選擇不同性能和形狀的材料，就可以篩選出暗室設計的最佳方案。5.2緊縮場的各類系統(tǒng)介紹在緊縮場系統(tǒng)中，可以利用電磁波的折射、反射和衍射，借助于反射面、透鏡或者全息技術來獲得滿足測量要求的近似均勻平面波照射，以達到縮短測量距離目的。緊縮場中用于形成近似均勻平面波的透鏡或者反射面、全息片等裝置及其安裝所需的附屬物構成準直器(Collimator)。準直器必須和經過良好設計、安裝與調校的饋源一起工作。緊縮場建造過程中，必須采取措施削弱準直器本身繞射、環(huán)境反射、外部干擾等因素對近似均勻平面波區(qū)域的擾動。緊縮場中受擾動較少、滿足測量要求的近似均勻平面波區(qū)域也被人們形象地稱為靜區(qū)。緊縮場測量是一種等效的遠區(qū)場測量，但待測天線或目標并不處于準直器和饋源組成的等效天線的遠區(qū)，而是處于輻射近區(qū)(Fresnel區(qū))。由于饋源和準直器結構的多樣性，進行天線輻射近區(qū)場結構的統(tǒng)一表述是困難的，但可以從下面三點來理解緊縮場的輻射近區(qū)中存在近似均勻平面波區(qū)域：首先，饋源與準直器之間的距離滿足饋源的遠區(qū)距離條件，在這個距離條件下饋源的空間場結構已經是遠區(qū)輻射場，表現(xiàn)為輻射電磁波。其次，準直器的良好設計使得準直器將饋源的輻射電磁波轉化為均勻平面電磁波，能在與準直器一定的縱向距離范圍內形成具有足夠大橫截面尺寸的靜區(qū)。第三，饋源與準直器的良好設計與裝配使得二者間不存在影響靜區(qū)性能的互耦或者互耦非常微弱。緊縮場通常建立在暗室內，吸波材料的運用可以降低墻壁的背景反射電平，改善靜區(qū)性能。有的無回波室為了達到保密和減少外界干擾的目的，還在墻壁內鋪設了屏蔽網，從而使得無回波室可以很好地滿足天線、目標特性、電磁兼容等各種電磁測量需求。5.2.1反射面緊縮場

反射面緊縮場的結構形式根據實現(xiàn)近似均勻平面波的方式的不同，緊縮場系統(tǒng)可分為三類：反射面緊縮場、介質透鏡緊縮場和全息緊縮場。其中反射面緊縮場是至今技術發(fā)展最成熟的一種緊縮場，也是常規(guī)微波波段應用最廣泛的一類緊縮場，它的通用性和先進性已得到了全世界范圍的公認。因此，這里也著重闡述反射面緊縮場的設計。根據副反射面數(shù)量的不同，反射面緊縮場可以分為單反射面緊縮場和多反射面緊縮場，而反射面的形狀可以是柱面或者旋轉拋物面等。圖2給出了單反射面緊縮場示意圖，圖3-6給出了多反射面緊縮場示意圖。

圖2

單反射面緊縮場

圖3

雙柱面緊縮場

圖4格利高里緊縮場

圖5卡塞格倫緊縮場

圖6三反射面緊縮場

反射面的口徑設計以及邊緣繞射反射面對靜區(qū)性能影響的主要因素有兩個-表面精度和邊緣結構，其中表面精度主要影響頻率高端的靜區(qū)性能，對反射器表面精度的一般要求為起伏均方根不超過λn/100(λn為最高頻率對應的波長)，而邊緣結構對電磁波的繞射會影響全頻帶的靜區(qū)性能，并對頻率低端的靜區(qū)性能起決定性作用。為了獲得要求的靜區(qū)場分布，需要對反射面形狀和照射場分布進行優(yōu)化設計。根據場等效原理，這一問題可以轉化為對其口徑等效源輻射近場的分析和計算。口徑優(yōu)化設計主要包括兩方面內容，一方面是口徑整體形狀和邊緣結構的設計和處理，另一方面是口徑場分布的優(yōu)化設計。其基本原理是通過使電磁波在邊緣的能量分布逐漸降低，或使邊緣繞射方向分散、偏離，以達到減少邊緣繞射波對靜區(qū)擾動的目的?？趶捷椛涞慕鼌^(qū)空域場形成不均勻的空間駐波分布，在頻率改變時，空域場分布隨之改變。為了考察口徑設計的優(yōu)劣，常規(guī)方法是在多個頻率下比較空間駐波的峰峰值或RMS值，并在全頻段進行綜合，工作量較大。而且由于這些指標只反映了多種繞射場并存條件下的總場變化，并沒有建立起與某一類型繞射場的直接關系，因而不能有針對性地指導和改進設計。根據繞射理論，有限尺寸口徑可以看作是由口徑面和邊緣組成，口徑輻射近場可以認為是口徑面的直接輻射場和邊緣繞射場的疊加。在近場區(qū)。口徑的各個等效場源中心在時域具有不同的特征。具體表現(xiàn)為等效源中心到觀察點的距離不同。因而各繞射波到達觀察點的時刻不同。利用這種場的時域特征，可以將口徑直達波及各種繞射波成分在時域上分離，并進行定量描述，這為指導口徑設計帶來方便。口徑設計需要考慮的基本問題有：口徑的擴散效應、整體形狀、口徑場錐削。（1）口徑擴散效應口徑擴散效應表現(xiàn)為，隨著觀察面到口徑距離增大，口徑邊緣繞射波和口徑面直達波到觀察點距離趨于一致，口徑利用率逐漸降低。良好的緊縮場口徑設計應該保證靜區(qū)主波和繞射波在時域上有良好的隔離，主波電平分布均勻，邊緣繞射電平低。（2）整體形狀整體形狀指口徑整體外形的輪廓。口徑整體形狀對靜區(qū)場有較大影響，常用的緊縮場反射面口徑外形輪廓有圓形和方形兩種。方口徑中心軸線上邊緣繞射波影響要遠小于圓口徑，因而比較適合用于緊縮場設計。方口徑在水平和豎直方向都能獲得較理想的場性能，并且相對于圓口徑不會在軸線上出現(xiàn)較大的駐波起伏。（3）口徑場錐削為了抑制或消除口徑邊緣繞射在近場區(qū)的影響，一般將口徑場設計成從中心到邊緣呈錐削分布。在緊縮場設計中，不僅要消除口徑邊緣繞射對近區(qū)場的影響，而且要使近場區(qū)場幅度呈均勻分布。這就要求盡量減少口徑場錐削度，與降低繞射場電平的要求形成矛盾，為此，可采用一種基于多項式設計的理想連續(xù)錐削分布。在緊縮場工程設計中，可以通過對饋源方向圖的設計，使反射面口徑場呈一定錐削分布，但很難實現(xiàn)理想的連續(xù)錐削。為此，一般將反射面邊緣設計成如圖8所示的鋸齒形狀，使口徑場呈現(xiàn)等效的連續(xù)錐削。鋸齒設計難以達到理想連續(xù)錐削設計效果，但