天线测量理论介绍

天线测量理论介绍刘建江2008年6月6日Ⅰ本人简历教育背景2003年至今西安电子科技大学正在攻读博士学位电磁场与微波技术专业1995～1998西安电子科技大学硕士研究生电磁场与微波技术专业1989～1993西安电子科技大学本科电磁场与微波技术专业工作经历1999～2003广州埃信通信设备有限公司：担任总工职务，主持开发室内覆盖系统所需的全部无源器件（功分器、耦合器、同轴腔体滤波器、双工器，等等）以及微带型基站天线。1998～1999航天工业总公司第三研究院第三设计部智控公司：负责公司“雷达液位计”和“磁致伸缩液位计”的研发，并用自编软件解决了“雷达液位计在油罐灌顶的最佳安装位置”。1993～1995航天工业总公司第三研究院第三设计部：主要负责导弹RCS计算，并亲自开发了《阻抗劈的高频电磁散射计算软件IMPWEDGE》，经实践检验，理论结果与实测数据完全吻合。本人有10年射频器件和移动通信基站天线工作经验，精通电磁场数值计算方法，并亲自在国内率先完成《腔体滤波器综合分析软件》和《天线方向图赋形软件》。方向图赋形软件《方向图赋形软件》，运用了遗传算法、模拟退火算法、共轭梯度法、随机变步长法以及这几种算法的混合算法，以增益、零点深度和副瓣电平为约束条件，快速准确地得到满足特定赋形特性方向图所需的各个单元的激励幅度和相位，摆脱了传统的用仿真软件大量试算，通过筛选而得出激励参数的试验法(这种试验法所得到的结果，往往不能满足增益条件)。Ⅱ基本概念基本概念•天线辐射区域划分由天线所辐射的电磁波可以用玻印亭矢量E×conjugate(H)来描述。在紧邻天线的空间，玻印亭矢量是虚数，电场或磁场同距离的高次幂成反比，随离开天线距离的增加迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，所以把此区域叫电抗近场区（）。越过电抗区就到了辐射场区，此时玻印亭矢量是实数且场随距离成反比，按离开天线距离的远近又把辐射场区分为辐射近场区（）和辐射远场区（）。按光学术语来定义，前者称为菲涅尔区，后者称为夫朗荷费区。在辐射近场区，场的角分布与距离有关；而在辐射远场区，场的角分布与距离无关。0r22r2D2r2D2基本概念•天线参数•天线把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...收集无线电波并产生电信号…...Blahblahblahblah基本概念•天线参数•极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。•交叉极化比给定方向上主极化分量与正交极化分量功率之比。基本概念•天线参数•输入阻抗和驻波比天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)。终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波比越接近于１，匹配也就越好。基本概念•天线参数•端口隔离度多端口天线的一个端口上的入射功率与该入射功率在其他端口上可得到的功率之比。•交调天线交调产物是指当两个或多个频率信号经过天线时，由于天线的非线性而引起的与原信号有和差关系的射频信号。在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB1000mW(即1W)1mW基本概念•天线参数•方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图侧视顶视立体基本概念•天线参数•增益增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。板状天线增益与水平波瓣宽度90180360半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBidBd和dBi的区别2.17dB对称振子的增益为2.17dB基本概念•天线参数•效率天线效率用以度量天线转换能量的有效性，数值上等于增益与方向系数的比值。天线输入功率一部分转化为辐射功率，另一部分即为损耗功率：天线系统中的导体损耗、介质损耗、网络损耗，以及在天线支架、周围物体和大地中的电磁感应所引起的损耗等。基本概念•天线参数•等效各向同性辐射功率（EIRP）等效各向同性辐射功率（EIRP）用来表征在某一特定方向上天线的净辐射功率。它等于施加在天线端口的输入功率与天线增益的乘积。基本概念•天线参数•噪声温度天线噪声温度Ta用来描述天线在特定频率上所接收的噪声功率。数学定义如下，其中：D为方向系数，F为亮度分布函数（与来自宇宙、大气、人造及地表等噪声源有关），s为包围天线的空间，K为玻耳兹曼常数，B为工作频率带宽。TasDFdKB基本概念•天线参数•增益噪声比（G/T）顾名思义，增益噪声比是天线增益G与噪声温度T的比值。T是天线噪声温度Ta与天线到接收机端口的RF链所产生的噪声温度之和。Ⅲ天线远场测量天线远场测量天线远场参数的测量可以在室外进行，也可以在室内。室外测试场为避免地面反射波的影响，把收发天线架设在水泥塔或相邻高大建筑物的顶上，主要分为：零点偏离地面的高架测试场、零点指向地面的高架测试场和斜天线测试场。室内测试场在无反射室内工作。无反射室又称为微波暗室或吸波暗室，它是以吸波材料作衬里的房间，能吸收入射到六个壁上的大部分电磁能量，较好地模拟自由空间测试条件。室内测试场又分为：室内远场和紧缩场。天线远场测量•室外测试场•零点偏离地面的高架测试场采用锐方向发射天线，使它垂直面方向图的第一个零点刚好指向待测天线塔的底部，此时hr≥4D，如图所示。天线远场测量•室外测试场•零点指向地面的高架测试场采用锐方向发射天线，使它垂直面方向图的第一个零点指向地面反射点，此时hr≥3.3D，如图所示。天线远场测量•室外测试场•斜天线测试场斜天线测试场就是收发天线架设高度不等的一种测试场。通常把待测天线架设在比较高的塔上，且作接收使用，把辅助发射天线靠近地面架设，由于发射天线相对待测天线有一定仰角，适当调整它的高度，使自由空间方向图的最大辐射方向对准待测天线口面中心，零辐射方向对准地面，就能有效抑制地面反射。天线远场测量•室内测试场•室内远场相对于室外测试场，室内远场具有全天候、保密、对昂贵待测系统（如即将投入使用的卫星）起到保护作用以及能够避免外界电磁干扰等众多优势。天线远场测量•室内测试场•紧缩场室内远场测试需要很大的空间，如果采用射线光学原理，就可以在较小空间产生理想的平面波照射，根据这个原理，紧缩场应运而生。天线远场测量•测试场照片天线远场测量•辐射方向图测量天线的辐射方向图可以在发射或接收状态下测得。由于无法严格测出天线的立体方向图，故只能由许多切割面上的测量值来近似。以为变量，为参变量进行测量的切割面方向图称为俯仰方向图；以为变量，为参变量进行测量的切割面方向图称为方位方向图。为取得这样的方向图，转台必须能够实现两类位置控制：俯仰角在方位角上面（EL/AZ）的位置控制和方位角在俯仰角上面（AZ/EL）的位置控制。天线远场测量•辐射方向图测量天线远场测量•方向系数测量天线的最大方向系数可以通过已经测得的归一化功率方向图积分求得：pDm4002psindd天线远场测量•增益测量一般把测量天线增益的方法分成相对增益测量和绝对增益测量两类。就具体测量方法而言，又可分为：比较法、两相同天线法、三天线法、镜像法、外推法、辐射计法以及通过测量与增益有关的其它参数而求出天线增益等方法。除比较法属相对增益测量外，其余方法都属绝对增益测量。比较法只能确定待测天线的增益；绝对增益测量不仅可以确定待测天线的增益，而且可以确定标准天线的增益。p天线远场测量•增益测量•比较法比较法的实质就是把待测天线的增益与已知标准天线的增益进行比较而得出待测天线的增益。根据互易原理，可以把待测天线作发射使用，也可作接收使用。实际测量时，可先后把待测天线和标准增益天线作接收使用，分别测量各自的接收功率Pxr和Psr，由下式求出待测天线的增益（Gx是待测天线增益；Gs是标准天线增益）：GxGsPxrPsr天线远场测量•极化测量天线的极化特性，目前大多数都采用轴比（AR）、旋向（RH或LH）和倾角t三个参数来评定，因此测量天线极化参数的任务就是用直接或间接的方法来确定这三个参数。所谓直接方法就是直接测出极化椭圆参数或其图形，比如极化图法、利萨如图法等；所谓间接方法就是直接测出和分量的幅度和相位，最后通过计算得出极化参数。EE天线远场测量•极化测量•极化图法极化图法是一种最简便、直接而常用的方法。其主要测量设备和方向图测量相同，只是增加了发射天线绕本身机械轴可以旋转的装置。Ⅳ天线近场测量天线近场测量近场测量指的是在小于最小远区距离内，求得天线远场特性的测量。由于近场测量克服或基本克服了”有限距离效应“，不需要庞大的室外、室内测试场，具有测试精度高、可全天候工作以及一次测量可得到全部远场信息等一系列优点，故一直是天线测量领域研究的重点课题。近场扫描技术：用一个特性已知的探头，抽测天线近区某一表面（平面扫描、圆柱面扫描或球面扫描）上场的幅、相分布，通过严格的数学变换式可以确定天线的远场特性。该法的基本思想是把待测天线在空间建立的场展开成平面波函数（或柱面波函数，或球面波函数）之和，展开式中的加权函数包含着远场方向图的完整信息，根据近场测量数据算出加权函数，进而确定天线的远场方向图。天线近场测量•三种近场扫描方式天线近场测量•测试场照片Ⅴ移动通信系统基站天线测量移动通信系统基站天线测量•内场指标测量•测量环境待测天线应该安装在一个相对没有反射，并且离测试设备和测试人员相当远的自由空间或无回波暗室。检验测试场地合格的方法如下：当待测天线（含其支撑结构）在8个相隔45º的水平方向上至少移动半个波长，以及在垂直于此水平方向上向上、向下各移动半个波长时，如驻波比的变化小于10％，则认为测试场是合格的。移动通信系统基站天线测量•内场指标测量•驻波比测量步骤1）将待测天线安装在符合测量环境的自由空间或模拟自由空间；2）按测量系统要求进行系统校准；3）将测量系统与待测天线相连接，在工作频率范围内进行驻波比的测量。天线驻波比应为工作频带内各频点驻波比的最差值。移动通信系统基站天线测量•内场指标测量•隔离度测量步骤1）将待测天线安装在符合测量环境的自由空间或模拟自由空间；2）按测量系统要求进行系统校准；3）将射频功率发送到双极化天线的一个端口，在另一端口检测接收功率，两者的功率电平差值即为所测天线的隔离度。天线隔离度应为工作频带内各频点隔离度的最差值。移动通信系统基站天线测量•内场指标测量•交调测量注意事项1）交调测量应使用对应频段的“无源交调分析仪”进行测试，分