SJ 2534.8-1986 天线测试方法.相位测量.pdf

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1、中，、国目lSJ2534.8-86 E嚣亘1986-01-24发布1986-10-01实中华人民共和国电子工业部批准中华人属共和国电子工业部部标SJ 2534.8-86 天线测试方法相位 一一一一本标准适用于天线的相。一般用两个特寇正交极化的辐的ich分量的幅度和相位来究整地描述天线的辐射方向图。由于天线辐射场的相位特性包含着很重要的信息，故在某些场合特别重视相位恻品。1.1 利用辐射场相位特性的场合1.1.1 远场情况需从远场相位变化提取必要信息的场合为za.确寇聚IE反射器的聚焦情况pb.自跟踪天线zC.相位干浩仪。1.1.2 近场情况在近场情况下，相位特性用于za.根据近场的十日位和ll

2、i白支变化精确地TA生nj马场方向国zb.在其它情况下用于说明一个天线的特性。1.2 相位的寇义1.2.1标量场的相位角频率为的单频场分量随时间的变化可用下式表示ze (t) := Eo . cOs (t+审):=Re (EoeJeit)句.0.0. (1) 式中Itp -实数EEo -一正实数。(t) it时间t的相位是其数EoeJ(+t)的相角，即书目位e(t) :=+t. 1iI. . . ,. . . . (2) 当不指寇时间时，e (t)的相位是指t:=0时的相位，即相位e:=1. . ., . . . . .e. . . (3) 1.2.1.1 榈位滞后若场E沿x轴以V:=/k的速

3、度传播，则f, (t .x) . : EoCOi (t -kx十1Jf)e.(4) 式rl:t:k一一一;皮数。一一一一_._.2._ 一电子工业部1986-01-24发布1986-10-01实SJ 2534.8啕8G-_. 一-, 在z点场随t的变也可由曲续e(t, 0)在正方向的位移xjv来表后见图1)。这称为相位滞后或延迟、落后。场由x=Q传到芷，相位喊少量为kx。宦. , t u咱, , f , 图1i岳王方向传播的单频场的相位移1.2.2 矢量场的相位1.2.2.1 线极化场矢量的相位结极化场矢量可表示为标量函数e(t)与表尽极化方向的单位矢量u的乘积，即(t) : e (t) U

4、. . . . . . . . . . . (5) (t)的相t即为Eoej的相角。1.2.2.2 椭圆极化场矢量的相位圆极化场矢量情况下，场仍可用式(5)表示，但u悬幅度为1的复数矢量(旷.U : 1) 矢量u不单由极化和归化条件唯一地规寇，也可以用u: UeJ代替U，u表示与u具有相同的极化，但相位羞为的欠益。这就旧应地改变了l，因此，应按一个明确的约远来规寇仇2 相位方向圈天线辐射场的指寇分量可用下式表示=jl(9，) . - jkr Eu(r，9，的=F忡，如e二一一-u. . . . . (6) - r 式中F和飞l分别表示指远分量的幅度、相位与仆，轩的关系，而(r，9，如足观黯点的

5、球坐标。2.1 线极化情况如1.2.2.1所洼，对钱极化，u为实矢量(如在0和也方向增加方向的单位矢量tt和u。于是l仆，如被唯一地确窍，并称飞V仆，如为相位方向图。2.2 圆极化和椭阅极化情况对剧或椭圆掘比，如1.2.2.2所埠，在讨论相位方向囱时，对所关心的每个方向仆，的，2 一一都应按明确的约远来规在UQ3 天线的相位中心SJ 2534.88G 一在许多应用中，需要对天线指定一个特殊参考点，认为辐射是由该点发出的。这一参考点视定义不同，称为相位中心，视在相位中心1k.曲率中心，通称为相位中心。3.1 相位中心对于任何给定频率，若存在一个坐标原点，使式(的中的电F忡，们与0和中无关，则称这

6、个原点为球丽股前戎等相面的相位中心。这时，对指屯的极化，可用实函数F仆，们来描述方向图。3.1.1 相位中心实例对于偶戎奇交叉对称的线天线或天线阵，若电流满足下列条件sl(-x)=士I.(x)，. . . . . . (7) 此时，即在在相位中心。3.2 视在捆住.中心对大多数实际天线而言，并不存在对所有方向都有效的真正的相位中心。此时可用视在相位中心这一概念。若以某点为参考点时，11仆，轩在所关心的角度范围内(例如天线主波束的一部分近于常数，则i卖点就称为视在相位中心。3.3 曲率中心视在相位中心的理论计算非常麻烦，并且只限于那些远场的完整表达式是已知的天纹。此时，最直接的途径是计算所关心的

7、点上的等相面的曲率中心。在等相面的每个法线方向一般都有两个主曲率中心。3.4 相位中心在天线设计中的意义确定辐射参考点即相位中心的位置，对成功地设计相控阵和反射器天线的初级馈源天线是至关重要的，有时是一个先决条件。此外，在设计空间运载工具的跟踪和导航系统以及交j主时，也需要精确地测寇这些系统中各单元的相位特性和相位参考点O4 4.1 概述4. 1.1 参考信号的设置方法由于相位是一个相对量鉴于角度的周期性质，相位值限于2弧皮以内)，故必须提供一个参考信号作比较。参考信号的设置方法有下述三种。4.1.1.1 近距离测量方棍因如囱2(a)所示。以被测天线作发射天线。而用简单的接收天线或探测器对辐射

8、场采样。参号信号从引到被测天线的传输线上搞合出来，并在个适当的电路里与接收信号选行比较。4.1.1.2 远距离测量方框闺女1罔2(b)所示。从远距离来的信号同时被和固寇的参考天线所接收，采3 SJ 2&34.8崎8S样信号和参考信号直接逝行比较。测量相位方向图时，被测天线按通常U量幅度方向图的方式转动。槌, , , 列支畸位测量电晦t乱)清mu巧山V苟明(线转d/5(b) 相位方向图的设备e捆住方向图(b)远场相位方向图IIII-j 图2(吟、近场或近距4.1.1.3 多口天线相对相移测量图如图3所示。以多口天线的个支路作参考支路，测试支路依次接通多口天线的其余各口，即可测得多口天线两端口之间

9、的相对相位，该相对相位是天线转动角度的函数。4.1.2 由实测榈位方向图确定捆住中心在许多应用中，需要用实验方法来确立Z或检验研制或制造中的天线的相位中心的位置。下面研究具有相当明确的相位中心的天线的相位方向图的典型特性。这对于解释未知特性的天线的方向罔足有益的。运距自信号漂量多端口天线的二端口间的相国3，则在每个零假去生设天线位于(r，9, c)坐标系内，并以a= 0。作天线轴，假定天线在结构轴上存在相位中心。测量相位方向图时，天线绕某个转动中心转动。4.1.2.1 相位中心与转动中心重合根据寇义，此时在主披束内相位是常数，如果幅度方向图具有旁SJ 2534.8-8S -_.,._. -一一

10、一一二一一一18旷的相位反转，相位方向图将出现突变。4.1.2.2 相位中心与转动中心有轴向偏移若天线的榈位中心与转动中心有轴向偏移，偏移量为r。当r远小于天线到观察J点的距离，并且相位方向图相对于圄4(功的位置A她的接收信号归一化时，则对仅有一个旅束的天线，其综合相位方向图由下式给出z旋帮中t.，-Kr 0 8 E T 二手-吨eUf-B 咽. a 号宦毫(aJ 注2牛-+4。品去(j a Z (dJ 罔4当位移信号源绕一给定原点旋转时的几何图形及相位变化，14唰。T 手。、!f=kr(1 - cosG) . .( 8 ) 若相位方向因相对于相位中心位于图4(b)的位宦B她所接收到的信号归化

11、，则得图4 (11)方向图的镜像。4. 1.2.2.1 rh桐位方向图求捆位中心根据4.1.2.2测得的相位方向图从理论上即可算出相位中心位置。若当天线从a= 0，0转到IJ9=81时所测得的相位改变为百f，则相位中心与转动中心的位移量r为2I = _ . (一一理 ) .0 . . . . . . . . . . ec. (9) 2飞1- cos8 1 但由于相位方向图和实验的异常，实际上可能要使天线沿其轴线位移若干个距离，并记5 SJ 2534. 8-8S 十一-录相fE方向图，以便把r=O的情况包含在内。另种非常有用的情况是根据在辐射近场区实测的相方向图，求该区的视在相心的位置3r =

12、- lI 2 Rn , w - _. . 4 (10) AO SO D e w- 、，AHV RS nv nuv 咱i，.、RU 式中:R。一转动中心到观察点的距离。4. 1.2.3 相位中心对转动中心有轴向及横向位移如图4(c).(d)所示，如果相位中心对转动中心有轴向及横向位移，d，则绕转动中心旋转时相位变化为z别为r和w自krI 1一向0+tg-11一f (11) 式中I(r)!= (r)2+d1。4.1.2.4 减小相位中心测量误差的方法若可测到的最小相位变化即鉴相系统的分辨率为0.50，并且在偏离天线轴线为。=士10。的范围内进行相位比较，则所测得的相位中心的不确定性可能大到0.1披

13、长。用下述方法可减小相位中心测量误差。若天绕在较大的角范围内存在相位中心，则可在所需角范围内测量rAin，再在更大的角范围内测量第二个r4id和或在相位中心从反方向趋近转动中心时测量第二个rLirl。在理想情况下，相位中心蓓在rAin的两个位之间。4.1.2.5 对定位器的要求进行相位中心测量肘，被视!天线安装在定位器上，并位于具有所需极化的源的远区(或辐射近场区中。被测天线在定位器上绕一个点精确旋转，并能沿天线轴向精确移动。为了校正和估算相位巾心离轴线的横向他移，以及为了校正寇位器的机械误差，最好能使天线沿轴线的垂直方向精确移动。4.2 测试设备日前可采用的设备有zk 射频矢量电压表;h.

14、.计算机控制和人工控制的肘频网络分析仪ph 廿草草11，押制和人工控制的幅相接收占Jl;d. 相位计。必要肘，也可按实际需要组装最系统。4.3 误差源无论是采用相位测量仪器还是组装成的系统都必须考虑众多的误差酬。4.3.1 反射引入的误差在1日他测量巾，元件与所用战导或传输线不匹配而产生的反射波的相互作用是主要i吴羌SJ 2534.8-8S -四司帽-啕圃帽、鲤嚣雪2京之。这些非理想的元件除了引起相位误差以外，元件阔的多次反射还会改变传输线上行挠的相对幅度相捆住。失自己情况下的波前的相对相位与幅度可能与匹配情况下的相对相位与庭一敌，但足多半处于失配引起的两个极限情况之间。两个级联的不连续性引起

15、的最大可能相位失配误差约为E.in-1/r1/1Z/ . t. . .,.,.,. . . . (12) 式中11和凡是从两个不连续性之间的某个公共的这两个不连续性的反射系数。4.3. 1.1 反射引人误差举设传输线上任意两点所连接的两台仪器或元件的电压驻波比分别为1.3和1.5，则这两点的场之间的相对相位与无反射情况下的差别可能有士1.490。4.3. 1.2 减小反射的方法减小反射引入误差的唯一途径是减小反射源的失配值。通常用匹配良好的衰减器或衰减片来实现。然而，传输线接头的失配是很难减小的，因此这种方法的效果是有限的，可能的话，应尽量采用抛光法兰和精密接头。4.3.2 频率不稳寇所引入的

16、误茧，阳也时，要把信号通过两条路径送到捆位测量系统，因此必须对信号源的频率稳寇度提出严格要求。若两条路径的电长皮不精确相等，那么工作频率从f1偏移到f2时，两条路径的信号之间的相位测量误差约为s1 1, -1. 1, -1.1 A骂，=360土Z-一一一王一I .川. (13) 1 , . 1 z 式中11和12是两条路径的长度，而Ai和儿是在f1和f2时的旅导波长。若这两条路径包括被导或传输线与自由空间的组合，那么要分别计算电长度。为T减小这一测量误差，应在较短的通道上加一段附加的传输线，使两个通道的电长皮保持相等。这一要求对的。4.3.2.1 频率不稳寇引人误差的实例设测量频率为1000M

17、Hz，两个通道之间的自由空间路径长度相差1米，则lMHz(频寇应为0.1%)的频率变化所引起的两届选阔的，ftJ位变化为1.20。4.3.3 电缆弯曲所引入的误差在许多测量中，如在天线周围的场的测量;中，需一鬓在空中移动接收探测器。移动时，必然使与探测器相连接的同轴电缆弯曲或拐折，或者在使用战导的地方需要使几个旋转关节转。绝大多数旋转关节在旋转时输出信号的相位要改变几度。在微波频率上，一条短同轴电缆发生弯曲或拐折时，其电长度会改变1庭或儿皮e4.3.3.1 减小误差的方法可用下述方沾减小说差za. ;(E顶计必5茸茸曲或拐折的地方采用相移变化较小的电缆FL 使用的电组主要足够长，以避免电缆急剧

18、弯曲移动过大FC. 采用损托的大的IU览，因为在弯曲4拐tJf时损祀稍大的电缆比低损艳电缆扣移变化7 , SJ 2534.8-8S hr , d. 对旋转关节旋转时的相移选行寇标。应该注意，即使间一段电缆兔其不同段在扭折时的相移变化也有差别，故应仔细加以挑选。4.3.4 温度变化所引入的误差温度变化也要引起误差，电民度的这种变化表现为作为空间函数的场的相位变化的测量误差。4.3.5 噪声引入的误差容易被忽视的一个因素是系统的信噪比，为了防止噪声对相位测量;误差所产生的影响，必须有较高的信噪比。4.4 测量精度如4.3所述，相位测量的误差源很多，进行精确测量时，必须仔细地考虑系统的各个细节。只布把所有因素者!5考虑到了，才有可能达到比如5。或误差豆小的测量精度。附s 本标准由电子部标准化研究所和39所共同提出。本标准由电子部39所负队础平。1本标准主要起草人柯树人。s 3