天線測試方案選擇評估

對天線與某個應(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，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。

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

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，這是因為在可管理距離內(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，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(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，因為更低的增益意味著側(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。