天線測試方法選擇評估

對天線與某個(gè)應(yīng)用進(jìn)行匹配需要進(jìn)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(yīng)用。這意味著要采用天線方向圖測量(APM)和硬件環(huán)內(nèi)仿真(HiL)測量技術(shù),在過去5年中,國防部門對這些技術(shù)的興趣已經(jīng)越來越濃厚。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(yīng)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(anechoic chamber),這是20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)的技術(shù)。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(jīng)濟(jì)的技術(shù),也不完全理解該技術(shù)的局限性(特別是在高于1GHz的時(shí)候)。因此,他們無法發(fā)揮這種技術(shù)的最大效用。

隨著對頻率低至100MHz的天線測量的興趣與日俱增,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(shí),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(shù)之一是遠(yuǎn)場測試,使用這種技術(shù)時(shí)待測天線(AUT)安裝在發(fā)射天線的遠(yuǎn)場范圍內(nèi)。其它技術(shù)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(gè)獨(dú)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(jī)、本振(LO)信號源、射頻下變頻器、定位器、系統(tǒng)軟件和計(jì)算機(jī)組成。

在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場天線測試場中,發(fā)射和接收天線分別位于對方的遠(yuǎn)場處,兩者通常隔得足夠遠(yuǎn)以模擬想要的工作環(huán)境。AUT被距離足夠遠(yuǎn)的源天線所照射,以便在AUT的電氣孔徑上產(chǎn)生接近平面的波陣面。遠(yuǎn)場測量可以在室內(nèi)或室外測試場進(jìn)行。室內(nèi)測量通常是在微波暗室中進(jìn)行。這種暗室有矩形的,也有錐形的,專門設(shè)計(jì)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(chǎn)生照射。

圖1:這些是典型的室內(nèi)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(nèi)測試場進(jìn)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(chǎn)生一個(gè)平面波,用于模擬遠(yuǎn)場行為。這使得可以在長度比遠(yuǎn)場距離短的測試場中對天線進(jìn)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(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換,即可獲得遠(yuǎn)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(chǎn)生的平面波。

圖2:在緊縮測試場,平坦波形是由反射測量產(chǎn)生

一般來說,10個(gè)波長以下的天線(中小型天線)最容易在遠(yuǎn)場測試場中測量,這是因?yàn)樵诳晒芾砭嚯x內(nèi)往往可以輕松滿足遠(yuǎn)場條件。對大型天線(electrically large antenna)、反射面和陣列(超過10個(gè)波長)來說,遠(yuǎn)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(xiàng),而不管反射面和測量系統(tǒng)的成本是否上升。

假設(shè)天線測試工程師想要在低頻下進(jìn)行測量。國防部門對此尤感其興趣,因?yàn)樗麄冃枰芯恐T如在低頻下使用天線等事項(xiàng),以便更好地穿透探地雷達(dá)(GPR)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)(針對工作在400MHz范圍的射頻識別(RFID)標(biāo)簽),以及支持更高效的無線電設(shè)備(如軟件定義無線電(SDR))和數(shù)字遙感無線電設(shè)備。在這種情況下,微波暗室可以為室內(nèi)遠(yuǎn)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(zhǔn)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(fù)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(dá)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(rèn)識矩形和錐形暗室之間的區(qū)別。在矩形暗室中,關(guān)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(jìn)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(dá)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(cè)墻非常關(guān)鍵。但是,由于存在源天線的增益,只有較少的能量照射到側(cè)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(cè)墻區(qū)域需要昂貴的側(cè)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(fù)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(shí)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(cè)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(yīng)更大的吸波材料。采用較小的天線不是解決之道,因?yàn)楦偷脑鲆嬉馕吨鴤?cè)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(jìn)靜區(qū),從而產(chǎn)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。

圖3:在緊縮測試場中由靜區(qū)上的

反射面產(chǎn)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(jī)制?？紤]饋源由真實(shí)的源天線和一組映像組成。如果映像遠(yuǎn)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(gè)等方性圖案。對位于(遠(yuǎn)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(dú)立天線。

在錐形暗室中,源天線非常關(guān)鍵,特別是在較高頻率時(shí)(如2GHz以上),此時(shí)暗室行為對細(xì)小的變化更加敏感(圖4)。整個(gè)錐體的角度和處理也很重要。角度必須保持恒定,因?yàn)殄F體部分角度的任何變化將引起照射誤差。因此測量時(shí)保持連續(xù)的角度是實(shí)現(xiàn)良好錐形性能的關(guān)鍵。

圖4: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)

(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(cè)墻吸波材料沒有那么重要,因?yàn)閺陌凳伊⒎襟w部分的側(cè)墻處反射的任何射線會被后墻進(jìn)一步吸收(后墻處有性能最好的吸波材料)。作為一般的“經(jīng)驗(yàn)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(dāng)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(dá)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5:一個(gè)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(shí)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(jù)表明錐形暗室具有真正的可用性。圖5 是一個(gè)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(gè)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N9030A PXA頻譜分析儀以一個(gè)對數(shù)周期天線測量靜區(qū)。在200MHz點(diǎn)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6:從圖中可以看出,在200MHz點(diǎn)測得的反射率大于30dB

圖7: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(jìn)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(gè)波長大小),推薦使用遠(yuǎn)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(shí)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8:圖中測試采用一個(gè)對數(shù)周期天線來掃描QZ以測量反射率