一种天线远场反射消除的简便方法
2014-09-17王虎
王虎
摘 要： 天线远场反射会对天线测试有一定的影响。首先介绍了使用喇叭进行增益测试来判断天线远场反射的方法；然后根据电波传播的菲涅尔区理论，在天线测试远场的发射端和接收端进行削波，以避免电磁波照射到地面形成反射和减少接收反射信号，从而达到消除反射的目的。并在一个远场作了验证，结果证实方法可行。
关键词： 天线远场； 远场反射； 天线测试； 消除远场反射
中图分类号： TN820.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0065?03
Abstract： Antenna far?field′s reflection has definite influence on antenna testing. The method to judge far?field′s reflection by gain testing with a pyramidal horn is introduced in this paper. According to the Fresnel zone theory of radio wave propagation， the clipping is done at both the transmitting terminal and receiving terminal of antenna testing far?field to avoid the reflection that the electromagnetic wave irradiates on the ground and to reduce the received reflection signal， so as to realize the reflection elimination. The feasibility was validated in a far?field experiment.
Keywords： antenna far?field； far?field reflection； antenna test； elimination of far?field reflection
在天线测试远场，由于电波传播的扩散作用或发射天线波束较宽的原因，电波会照射到远场地面形成反射。这种反射有时会对天线测试有一定的影响，确定反射存在并对测试有影响后，就必须要考虑消除反射。传统的反射消除方法是在远场地面建设衍射栅或铺设吸波材料[1]。有时不具备采取这样的措施的条件，就需要寻找另外的方法消除反射。
1 电波传播的菲涅尔区
菲涅尔区理论是电波传播的重要理论[2]。菲涅尔区理论认为：电磁波在传播过程中，其路径不是直线，是以发射点和接收点为焦点的椭圆管道；这个管道可以按照一定规律分成很多同心圆环，称为菲涅尔区；其中最重要的是在管道中心的第一菲涅尔区和最小菲涅尔区；最小菲涅尔区在第一菲涅尔区内，是自由传播空间；在传播过程中的障碍物只要不进入第一菲涅尔区20%以上，就不会对最小菲涅尔区内的自由空间传播产生影响。第一菲涅尔区和最小菲涅尔区关系如图1所示。
结合表1喇叭指标，对表2测试数据进行分析，可以看到：天1喇叭和天2喇叭天线的指标比较接近，测试结果也比较接近，说明测试天线增益时，喇叭增益高低影响不大；但天3喇叭和天1、天2喇叭的增益测试结果差别比较大，具体分析如下：
由于作对比增益测试，其他的不变，只是用了不同喇叭，所以天线增益的差别来自喇叭。从表2可以看出，天3喇叭测试值相对其增益变大了，表明喇叭测试时混入了一个同频信号叠加造成信号增强。排除了测试仪器系统原因后，确定是地面反射信号进入测试叠加造成了信号增强，即由于喇叭接收反射信号的大小是和喇叭主瓣宽度相关的，天3喇叭主瓣宽度较宽，接收到反射信号较大造成了增益测试结果变小。证明了反射的存在并对天线测试有影响。在频率为8 GHz时增益差别较大，所以本文后面的测试计算以8 GHz为准进行。
3 采取的反射消除措施
经分析，由于场地接收、发射端都是最高建筑，场地四周没有高大反射物体，场地中间是平坦草地，所以反射主要来自地面，并且各个距离反射相似，是区域反射。按照传统的反射消除方法，需要在地面铺设吸波材料或建设衍射栅。本文由于特殊原因无法采取这样的措施，只能在远场发射、接收端想办法，考虑怎么样才只发射、接收直射电波。根据电波传播的菲涅尔区理论：最小菲涅尔区内是自由空间传播，在传播过程中的障碍物只要不进入第一菲涅尔区20%以上，就不会对最小菲涅尔区内的自由空间传播产生影响，即可以把电波第一菲涅尔区以外的部分消掉，不会影响天线远场需要的自由空间的传播。因此，本文根据菲涅尔区理论设计了2点解决措施：一是发射端根据菲涅尔区理论削减发射信号波束宽度来减少反射信号形成；二是接收端根据菲涅尔区理论通过调整接收信号开口大小来尽量少接收反射信号。
3.1 发射端消除反射措施
发射端要达到尽量减少电磁波照射到地面形成反射信号的目的，可以通过削减发射信号波束宽度来进行。为了削减发射信号，决定设计一个里面铺设吸波材料的发射筒，安装在发射喇叭前面。考虑到直筒效果不如倒锥体，首先确定形状选择倒锥体。在锥顶开一个大小合适的口来发射电磁波。由于只需要削减朝向地面的电磁波，朝上的不需要削减，设计形状如图3所示。
3.2 接收端消除反射措施
接收端只能通过调整半开口暗室开口大小来减少接收反射信号。由于开口处卷帘门大小已固定，决定在天线前面1.5 m处（安装空间决定）加屏风，屏风中间开口让需要的电磁波通过照射到天线上。屏风开口的大小，既要完成削波又不能影响需要的电磁波的传播。
以屏风口的下边为例计算屏风口开口大小（见图4，黑粗线为屏风）。以发射喇叭相位中心A点和天线下边缘C点连线作为需要的最低位置传播通道。根据菲涅尔区理论，最大削减程度只能到所需最低位置传播通道的第一菲涅尔区之外，即屏风口距离天线边缘的垂直距离必须大于最低位置传播通道在此处的第一菲涅尔区半径才不会影响需要的电磁波传播。
为了给减少屏风口的绕射和反射留下裕量，屏风开口在计算出[d]的基础上加大一定量[6]。这里[d]值取0.25 m，同样的方法可以计算出屏风口其他边的大小。假设天线口径为1 m，则屏风中间开口为1.50 m的正方形。同时屏风还能改善暗室内设施引起的反射。
4 消除反射措施验证
设计反射消除措施后，需要对设计的消除措施效果加以测试，做了简易装置加以测试。用已知增益天线测试结果与天线的标准增益作对比，在误差容许范围内。
为了确定是否还有反射和反射的影响，由于接收到的信号是直射和反射信号的叠加，地面反射信号是广角入射，2种信号同频不同相，存在正弦波叠加的极大值和极小值。考虑这一特性，采用天1喇叭作为测试喇叭，喇叭沿测试场纵轴移动，每移动[14]波长为一个测试点进行测试，以测试信号波动来估计反射。
以8 GHz为例进行测试。以转台旋转中心为测试零点，朝向发射端为正，实测结果如图5所示。喇叭测试的最大值为-37.75 dBm，最小值为-37.94 dBm。
采取纠正措施后，8 GHz喇叭测试值由-37 dBm变成了-37.75 dBm，因为远场的直射信号是不变的，喇叭测试值减小表示反射减少了，说明反射消除成功。测试有一定的起伏，还有一定的反射存在，经分析是因为验证装置是简易装置没有完全达到设计要求引起的。现存反射引起的增益测试误差经估算为0.09 dB，满足天线测试要求，表明设计的反射消除方法可行。
5 结 语
本文以一个新建远场为例，介绍了如何用喇叭判断远场反射影响，再根据电波传播的菲涅尔区理论，在远场的发射端和接收端对电波信号进行削波处理，只需一个发射筒和一个屏风，就达到了消除反射目的，方法简单实用，成本低廉。
参考文献
[1] 电子工业部第十四研究所.SJ20348?1993 低副瓣平板裂缝天线性能远场测试方法[S].南京：电子工业部第十四研究所，1993.
[2] 宋铮.天线与电波传播[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.
[3] 束咸荣.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社，2007.
[4] 中华人民共和国电子工业部.SJ20347?93 机载火控雷达天线单元通用技术要求和测试方法[S].北京：中华人民共和国电子工业部，1993.
[5] 中国航天工业总公司二十三所.QJ1729A?1996航天天线测试方法[S].北京：中国航天工业总公司二十三所，1997.
[6] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.
为了给减少屏风口的绕射和反射留下裕量，屏风开口在计算出[d]的基础上加大一定量[6]。这里[d]值取0.25 m，同样的方法可以计算出屏风口其他边的大小。假设天线口径为1 m，则屏风中间开口为1.50 m的正方形。同时屏风还能改善暗室内设施引起的反射。
4 消除反射措施验证
设计反射消除措施后，需要对设计的消除措施效果加以测试，做了简易装置加以测试。用已知增益天线测试结果与天线的标准增益作对比，在误差容许范围内。
为了确定是否还有反射和反射的影响，由于接收到的信号是直射和反射信号的叠加，地面反射信号是广角入射，2种信号同频不同相，存在正弦波叠加的极大值和极小值。考虑这一特性，采用天1喇叭作为测试喇叭，喇叭沿测试场纵轴移动，每移动[14]波长为一个测试点进行测试，以测试信号波动来估计反射。
以8 GHz为例进行测试。以转台旋转中心为测试零点，朝向发射端为正，实测结果如图5所示。喇叭测试的最大值为-37.75 dBm，最小值为-37.94 dBm。
采取纠正措施后，8 GHz喇叭测试值由-37 dBm变成了-37.75 dBm，因为远场的直射信号是不变的，喇叭测试值减小表示反射减少了，说明反射消除成功。测试有一定的起伏，还有一定的反射存在，经分析是因为验证装置是简易装置没有完全达到设计要求引起的。现存反射引起的增益测试误差经估算为0.09 dB，满足天线测试要求，表明设计的反射消除方法可行。
5 结 语
本文以一个新建远场为例，介绍了如何用喇叭判断远场反射影响，再根据电波传播的菲涅尔区理论，在远场的发射端和接收端对电波信号进行削波处理，只需一个发射筒和一个屏风，就达到了消除反射目的，方法简单实用，成本低廉。
参考文献
[1] 电子工业部第十四研究所.SJ20348?1993 低副瓣平板裂缝天线性能远场测试方法[S].南京：电子工业部第十四研究所，1993.
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[3] 束咸荣.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社，2007.
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[5] 中国航天工业总公司二十三所.QJ1729A?1996航天天线测试方法[S].北京：中国航天工业总公司二十三所，1997.
[6] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.
为了给减少屏风口的绕射和反射留下裕量，屏风开口在计算出[d]的基础上加大一定量[6]。这里[d]值取0.25 m，同样的方法可以计算出屏风口其他边的大小。假设天线口径为1 m，则屏风中间开口为1.50 m的正方形。同时屏风还能改善暗室内设施引起的反射。
4 消除反射措施验证
设计反射消除措施后，需要对设计的消除措施效果加以测试，做了简易装置加以测试。用已知增益天线测试结果与天线的标准增益作对比，在误差容许范围内。
为了确定是否还有反射和反射的影响，由于接收到的信号是直射和反射信号的叠加，地面反射信号是广角入射，2种信号同频不同相，存在正弦波叠加的极大值和极小值。考虑这一特性，采用天1喇叭作为测试喇叭，喇叭沿测试场纵轴移动，每移动[14]波长为一个测试点进行测试，以测试信号波动来估计反射。
以8 GHz为例进行测试。以转台旋转中心为测试零点，朝向发射端为正，实测结果如图5所示。喇叭测试的最大值为-37.75 dBm，最小值为-37.94 dBm。
采取纠正措施后，8 GHz喇叭测试值由-37 dBm变成了-37.75 dBm，因为远场的直射信号是不变的，喇叭测试值减小表示反射减少了，说明反射消除成功。测试有一定的起伏，还有一定的反射存在，经分析是因为验证装置是简易装置没有完全达到设计要求引起的。现存反射引起的增益测试误差经估算为0.09 dB，满足天线测试要求，表明设计的反射消除方法可行。
5 结 语
本文以一个新建远场为例，介绍了如何用喇叭判断远场反射影响，再根据电波传播的菲涅尔区理论，在远场的发射端和接收端对电波信号进行削波处理，只需一个发射筒和一个屏风，就达到了消除反射目的，方法简单实用，成本低廉。
参考文献
[1] 电子工业部第十四研究所.SJ20348?1993 低副瓣平板裂缝天线性能远场测试方法[S].南京：电子工业部第十四研究所，1993.
[2] 宋铮.天线与电波传播[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.
[3] 束咸荣.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社，2007.
[4] 中华人民共和国电子工业部.SJ20347?93 机载火控雷达天线单元通用技术要求和测试方法[S].北京：中华人民共和国电子工业部，1993.
[5] 中国航天工业总公司二十三所.QJ1729A?1996航天天线测试方法[S].北京：中国航天工业总公司二十三所，1997.
[6] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.
