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        天線增益測量

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        天線的增益系數(簡稱天線增益)是天線的重要指標之一。
        “天線增益是指在最大輻射方向上,定向天線的輻射強度與具有相同輸人功率的無耗各向同性天線的輻射強度之比,通常以dB值表示?!睖y試天線增益應滿足前面測試天線方向圖所需的場地條件,以減小地面和其他地物反射波的影響。天線增益的測試方法總體上可分為遠場增益測試、縮距場測試和近場掃描測試等。由于軍用雷達的天線通常采用遠場增益測試方法,因此,本節重點介紹天線的遠場增益測試方法。天線遠場增益測試方法通常又細分為比較法和絕對法兩種。需要指出的是,由于相控陣雷達的天線系統中含有有源T/R組件,從而使得相控陣天線本身具有非互易性,對于此類禾線的增益測試則只能在特定的發射和接收狀態下進行測量。關于有源相控陣天線的增益測試將在比較法和絕對法之后單獨介紹。

        1.比較法

        雷達天線絕對增益的測試通常采用比較法,這種方法是將被測天線和已知增益系數的標準天線進行比較而確定其增益。
        天線增益系數的測試框圖如圖2-11所示。圖中將標準天線和被測天線當作接收天線,也可以將它們當作發射天線。發射天線與接收天線之間的距離R滿足遠場測試條件。測試的簡要步驟如下:001

        首先,選擇一個中等增益的標準增益天線(該天線的增益已知)作為基準進行增益比較測試。然后,將相同的接收機和饋電線路分別接到待測天線和標準增益天線,并使它們與源天線對準,并分別讀取并記錄下接收機的讀數。最后,通過比較接收機的讀數便可求出待測天線的絕對增益。
        采用該測試方法來測試天線增益時,由于所選取的標準增益天線增益一般要比待測天線增益小20dB左右,而且前者波束寬度較寬,因此很難避開地面影響。實際應用中的三點法、S曲線法和最大值法等都屬于比較法。需要指出的是,實際應用中不管使用上述三種方法的哪一種,進行測試之前都需要反復調整源天線和被測天線,以確保兩者的指向、極化取向一致。

        2 .三點法

        三點法測試遠場增益的示意圖如圖2-12所示。將源天線(發射天線)架在塔頂,標準增益天線的位置離源天線較近,且對準源天線時仰角大,以避免主瓣接地。被測天線的增益計算公式如下:002

        式中:G為待測天線增益(dB);G為標準天線增益(dB);R為待測天線與源天線之間的斜距(m);R為標準天線與源天線之間的斜距(m);△G為待測天線和標準天線分別對準發射天線時信號分貝數的差值(dB)。003

        采用三點法來測試天線增益時應注意以下幾點:①必須精確測量尺測和尺標;②兩套接收機和傳輸線的性能要相同;③測試過程中需要反復控制源天線分別對準待測天線和標準天線。由此可見,三點法的測試效率低、手續繁瑣、精度差。

        3 .S曲線法

        s曲線法是一種為減少地面反射影響,而將標準天線放在待測天線附近來進行測量的方法。當標準天線放在電動升降梯上,且通過標準天線上下滑動時,在待測天線垂直口徑范圍內,標準天線信號電平的變化近似為s曲線,取s曲線的平均值作為標準天線信號電平值來計算待測天線增益,可降低或消除地面反射對增益測試的影響。由于是使用同一套接收系統和電纜分別與待測天線和標準增益天線交換連接,所以測量過程中所引入的誤差較小。當s曲線起伏不超過3dB時,地面反射引入的增益測試誤差是較小的,其計算公式如下:

        004

        式中:G為待測天線增益(dB);G為標準天線增益(dB);△G為待測天線最大值信號大于標準天線信號s曲線平均值的分貝數(dB)。

        4.最大值法

        在反射場法測試中經常使用到最大值法。采用該方法時,待測天線(或標準天線)高度和源天線高度應嚴格滿足以下表達式:

        005

        式中:,為待測天線架設高度;為源天線架設高度;R為主反射區長度;為發射信號的波長。

        由于對待測天線和標準天線而言,地面反射均從主瓣峰值附近進入,因此,地面反射對兩者的影響基本上是一樣的。將標準天線架在待測天線口徑中心附近,且分別對準源天線,記取待測天線和標準天線信號(均取最大值)的讀數誤差△G,然后由式(2-7)直接算出增益。也可仿照s曲線法把標準天線架在電動升降梯上,然后上下滑動,以此來驗證在待測天線口徑中心處接收到的信號為最大值。在實際工程應用中,由于待側天線垂直口徑大,源天線信號(考慮地面鏡像影響后)在口面上輻射不均勻,因此可能造成增益測試值比真實值低0.1dB~0.3dB的情況,計算中可以加以修正。

        5.絕對法

        在天線增益的實際測量中,當收、發天線完全相同時,通常采用絕對法(包括雙天線法、三天線法、鏡像法和外推法等)進行測量。最典型的絕對增益測量法是雙天線法,它適用于具有兩個完全相同的被測天線的場合,比如對標準增益喇叭進行定標時常用雙天線法。雙天線法的理論依據是弗里斯傳遞公式,具體公式如下:

        006

        式中:為接收天線接收到的功率(w);為發射天線輻射的功率(w);為發射天線增益;為接收天線增益;為發射信號波長(m);R為收發天線距離(m)。在此假定天線的極化是匹配的,主瓣峰值方向與待測天線已對準,并符合遠場條件。

        雙天線法要求收、發天線完全相同,即=。根據弗里斯傳遞公式,在收、發天線增益相同時,可推導得到以下表達式:

        007

        根據上式,當收發距離R和工作頻率確定后,只需測量得到收、發天線功率比,就可求得待測天線增益。當增益用dB表示時,可得

        008

        式中,G為被測天線的絕對增益;R為收發天線幾何中心之間的距離;為工作波長;為接收端待測天線的接收功率電平;為發射端輔助天線的輸入功率電平。

        6測量線路連接如圖所示。009
        圖2-13雙天線法測量絕對增益系統連接框圖
        2.測試方法步驟
        (1)連接好測試電路,使兩個天線精確對準,并使極化取向一致。
        (2)調節各調配器使系統阻抗匹配。
        (3)測量并記錄發射端的輔助天線輸入功率電平與接收端的待測天線接收功率電平。
        (4)確定相對功率電平Pr?Pt 。
        (5)根據發射信號的頻率可計算得到工作波長λ。
        (6)精確測量出兩個天線幾何中心之間的距離R。
        (7)根據011,可計算得到被測天線的絕對增益。
        (8)需要進行精確測量時,通常重復測三次,然后取算術平均值。

         

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