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HD-SHA型标准增益天线的绝对增益测试
    伍捍东 西安恒达微波公司 710061 易念学 航天部504所 710000
    冯桂山 航 天 部203所 100854 倪长生 兵器部212所 710061
    摘要:天线绝对增益的测试常用比对法。比对法的基础是标准增益天线,因此,标准增益天线增益值的准确确定是一项重要的工作。

一、测试目的和内容
    本测试是标定西安恒达微波公司为航天203所(计量中心)研制的标准增益天线的增益和主平面方向图。共测试七个波段二十一副HD-SHA型标准增益角锥喇叭天线,频率分别为2.45、4.0、6.0、8.2、12.0、14.0、18.0GHz。

二、测试方法
    用测量手段标定天线增益分为绝对法和相对法。作为比较标准的“标准增益天线”必须用绝对法测量,或能够精密计算其增益。
    绝对增益测量常用二天线法、三天线法和方向图积分法。本文作者采用三天线法,对七个波段21副HD-SHA型天线进行了绝对增益测试,由于测试中对天线、波-同转换、专门定制的低耗电缆、测试仪器、测试高度和距离都进行了仔细认真的定标、操作和计算,使测试结果有较高的精确度。 天线方向图测试系统示意图

三、三天线法绝对增益测量公式
    根据经典的Friis传输公式,当接收和发射天线的间距R足够大(远区),它们的阻抗和极化完全匹配,并且最大辐射方向互相对准时,它们的增益乘积为:

………………………………………………………………………(1)
用dB表示:
………………………………………(2)

如果收、发天线的几何结构、材料和匹配状态完全相同,则
………………………………………(3)


将同型号三副天线两两配对,测出三组数据并可解得:
………………………………………(4)

………………………………(5)

………………………………(6)

则三副天线的绝对增益测量归结为功率比Pr/Pt测量、频率测量和间距R测量。

四、改善增益测量精度的措施
线极化手动旋转喇叭可将天线置于垂直极化、水平极化和45°斜极化,极化方向由天线口径上的箭头方向表示。

1、传输公式修正
     从理论上说,Friis传输公式(1)是在R→∞的远区成立。否则应作如下修正:

…………………………………(7)

式中f(R)>1,并且limf(R)=1 (R→∞),对于更精密的测量,要求数十次甚至上千次改变R。设K=λR/D2;Gt×Gr=F(K),求出一条K~F(K)曲线。在F(K) 接近一条平稳的渐近线时,所测得的Gt×Gr就是增益的精确值。
一般远场要求K≥2即可;对标准增益天线的精密测量,K需要增大。从文献⑵给出的结果看出,当K≥3时,f(R)≈1。测量中,选定K>4,此时,公式(7)又简化为Friis传输公式(1)。
2、测量距离R修正
    由于角锥喇叭的相位中心既不在喇叭视在顶点,也不在喇叭口径面上,且E面和H面相心也不重合。按照文献⑴给出的数据,我们拟合成两条连续曲线,便于任意插值估算。这两条曲线方程给出如下:
Ph = exp(2.09·Sh1.4-0.437·Sh)-1………………………………………… (8)
Pe = exp(4.16·Se1.45-0.75·Se)-1…………………………………………… (9)
收发喇叭口径面之间的测量距离为R0,则修正后的收发距离为:
R = RO+2Lp=RO+Lph+Lpe ………………………………………………………(10)
3、天线失配修正
     采用小反射低损耗电缆和精密小反射衰减器连接在发射天线输入口和接收天线输出口处,改善天线与接收机或信号源之间的隔离和匹配。测量中就可以只考虑天线本身的失配影响,方程(1)变为:
………………………………………………… (11)
五、设备标校
    1、频率标校
    1.1信号源(HP8350B)频率经计量中心标校;在2~18.5GHz内,频率误差在仪器
    显示器末位无变化,估计在 0.1%以下。
    1.2接收机(SA.1771)频率经计量中心标校并记录。
    2、功率标校
    2.1功率稳定度校准
    功率信号源和接收机按上图系统正常连接,由接收机的中频输出,送到数字显示器(或功率计)。连续观察1~2小时,每隔5分钟记录一次,考查其变化。实测表明指示摆动在0.1dB以下。
    2.2 功率线性度校准
    改变接收机(或信号源)的衰减器量程,考查数字显示器的变化,发现:
    ⑴ 信号源:可用变化范围只有10dB(考虑到接收信噪比);
    ⑵ 接收机:中频衰减可变动40dB,线性很好;
    ⑶ 数字显示器:其指示范围只在10~20dB范围内为线性,超出此范围有非线性。
    鉴于上述情况,测量时使显示的动态范围限制在10~20dB以内,通过调接收机中频衰减器,达到全范围。
    3、信号源和接收机输出(或输入)端口校准
    由于采用小反射低损耗电缆和精密小反射衰减器,使其驻波控制在1.1左右,因而它们的影响可以忽略。

六、增益测试步骤(略)与测量结果
    1、测量原始数据(略)。
    2、由测量值计算角锥喇叭增益(见下表):

序号

1

2

3

4

5

6

7

频 率 F(GHz)

2.45

4.00

6.00

8.20

12.0

14.0

18.0

1-2

△P (dB)

-19.53

-22.40

-17.37

-20.00

-23.65

-24.85

-26.90

1-3

△P (dB)

-19.58

-22.37

-17.40

-20.00

-23.70

-25.00

-26.90

2-3

△P (dB)

-19.58

-22.37

-17.30

-19.98

-23.75

-25.15

-26.70

R=RO+2×LP
20 Lg(4πR/λ)

5041.19
54.28

5032.91
58.52

5078.42
62.12

5044.33
64.77

5009.32
68.02

4999.60
69.34

4998.68
71.52


线

1#  VSWR
10Lg(1-|Γ|2)

1.047
-0.002

1.121
-0.014

1.089
-0.008

1.071
-0.005

1.073
-0.005

1.154
-0.022

1.270
-0.062

2#  VSWR
10Lg(1-|Γ|2)

1.063
-0.004

1.119
-0.014

1.058
-0.003

1.114
-0.013

1.068
-0.005

1.148
-0.021

1.250
-0.054

3#  VSWR
10Lg(1-|Γ|2)

1.120
-0.0014

1.105
-0.011

1.060
-0.004

1.083
-0.007

1.065
-0.004

1.135
-0.017

1.073
-0.005




线

1

G1

17.37

18.07

22.33

22.39

22.22

22.34

22.32

2

G2

17.37

18.07

22.42

22.41

22.17

22.19

22.41

3

G3

17.33

18.10

22.39

22.41

22.11

22.04

22.47

理论值(T-0)G0

17.08

18.12

22.13

22.33

22.18

22.15

22.18



△G10(G1-G0)

0.29

-0.05

0.20

0.06

0.04

0.19

0.14

△G20(G2-G0)

0.29

-0.05

0.29

0.08

-0.01

0.04

0.23

△G30(G3-G0)

0.25

-0.02

0.26

0.08

-0.07

-0.11

0.29

理论值(T≠ 0)G01

17.10

18.19

22.20

22.42

22.31

22.31

22.39



△G11(G1-G01)

0.27

-0.12

0.13

-0.03

-0.09

0.03

-0.07

△G21(G2-G01)

0.27

-0.12

0.22

-0.01

-0.14

-0.12

0.02

△G31(G3-G01)

0.23

-0.09

0.19

-0.01

-0.20

-0.27

0.08



七、增益测量误差分析

1、距离测量误差
测量距离引起的误差,可表示为:

……………………………………………………………(12)

式中△R一测量距离的绝对误差,取△R=3mm,R=4972mm,得到△G1≤.005dB。
2、频率不准确误差
……………………………………………………………(13)


式中△f一频率读数的绝对误差,取△f=1MHz,对各种不同的频率得到如下表:


频率Freq.

2.45GHz

4.0GHz

6.0GHz

8.2GHz

12.0GHz

14.0GHz

18.0GHz

△G2,dB

0.0004

0.0003

0.0002

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

3、功率漂移误差(短期)         △G3≤0.05(dB)
4、天线轴线对准误差           △G4≤0.1(dB)
5、收发天线极化对准误差       △G5≤0.0013(dB) (按1.0°偏差)
6、地面反射多径效应误差
架设高度ht=hr=4米,对地面投射角为58°地面、四周和屋顶(除取样架外)均有吸波材料,多径效应的误差很小,估算为 △G6≤0.1(dB)
7、接收和发射端口不匹配误差按驻波比1.1计算        △G7≤0.01(dB)
8、投射波在接收天线口径面幅度不均衡误差           △G8≤0.05(dB)
9、 投射波在接收天线口径面相位不相同误差          △G9≤0.05(dB)
10、电缆连接误差                                  △G10≤0.1(dB)
11、各项误差总和(和方根)
……………………………………………………………(14)


12、测量值与理论计算值比较
    按天线结构数据计算出理论增益G0,同增益测量数据进行比较,其中差距最大的在2.45GHz和18GHz,△G≈0.29dB;且发现大多数实测值略高于计算值的现象。
    作者分析,主要是喇叭壁厚影响所至。因此,理论计算应作必要修正。考虑到TE10场的特点,只对B边按1/2壁厚增加口径计算理论增益G01 。
    从G01数据看出,最大偏差在2.45GHz和14.0GHz,△G≈0.27dB;且多数实测值小于理论值。这种结果应符合实际。
    测量误差△G(RSS)≤±0.19dB。

八、测试和参试人员
    航天504所钟鹰主任、易念学研究员、李清杰、李荣军、刘长伟、卢中逵、樊宽心,兵器212所倪长生高工,航天203所冯桂山高工、苏晓燕,西安恒达微波公司伍捍东、魏茂华高工、陈树洁、王君礼诸同志。

九、参考文献
1、林昌禄,“近代天线设计”,PP408~420
2、J.D.Hunter and P.W.Camobell,“Microwave Stanard-Horn Calibration
  System at the National Measurement Laboratory”,JEEE,IE.Aust&IREE
  Aust.Vol.7.No4 December 1997
3、航天部部标,“天线测试方法”,QJ1792-89,PP28~30

 

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