靜區:
所謂靜區就是指微波暗室內受雜散波干擾最小的區域,也就是在短波通信中,自發射天線數十公里以外直至電離層把電波反射回地面以前的一個區域。
微波暗室靜區重要性:
暗室的電性能主要由靜區的特性來描述。靜區的特性又以靜區的大小、靜區內的最大反射率電平、交叉極化度、場強均勻性、路徑損耗、固有雷達截面、工作頻率范圍等參數來描述。其中,靜區內的最大反射率電平是主要因素。所以,設計一個暗室,必須給定靜區的性能指標,然后由此來決定暗室的尺寸、吸波材料的選擇等。由此可以看出靜區的性能指標對微波暗室的搭建非常重要。
微波暗室靜區性能測試:
微波暗室用于天線測量。作為室內測量,微波暗室應能把發射天線直接輻射到接收天線主波束區以外的射頻能量,盡可能地吸收或改變其反射方向,使之不進入接收天線的主波束區,即在接收天線所在區域內提供近似無反射的靜區。
測試方法:
靜區性能的核心指標是反射電平,其它指標本質上均于反射電平有關。靜區反射電平可以采用自由空間電壓駐波比法來測量。
微波暗室是一個模擬的“自由空間”,由于暗室內壁吸波材料吸收電磁波不完全,對于入射到它上面的電磁波始終存在著大小不同的反射,這些反射隨空間位置的不同而不同,它們與直射波矢量迭加后就形成了自由空間電壓駐波,其數量大小就反映了暗室空間反射電平的大小。
設Ed為來自源天線的直射波場強,Er為等效反射波場強,它與軸線夾角為θ。令接收天線方向圖在θ方向的電平為A(dB),則接收天線方向圖最大值旋轉到θ方向時,它在直射波方向收到的場強Ed’將為
Ed’=Ed×10A/20
設直射波Ed’和反射波Er同相和反相時檢測到的場強最大值和最小值分別用B(dB)和C(dB)來表示,則可分下列三種情況討論:
1)Er
B=20lg(Ed’+Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20+Er)/Ed10A/20
C=20lg(Ed’-Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20-Er)/Ed10A/20
則暗室反射電平Γ為
Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20-1)/(10(B-C)/20+1)]
2)Er=Ed’時
Γ=A
3)Er>Ed’時
同理可得
Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20+1)/(10(B-C)/20-1)]
因此,只要測出空間駐波曲線和接收天線的方向圖,就可以按上述三類情況計算出反射電平。Er和Ed’的大小判別方法是:由于Ed’隨天線的移動有規律變化,Er無規律變化,在某一取向角上,如果實測空間駐波曲線的平均值出現無規律的變化,就能判別Er>Ed’,或在這個取向角上,實測空間駐波曲線的平均電平比在這個取向角上方向圖電平高,也能判別Er>Ed’。
天線的近場區和遠場區:
著微波暗室搭建成功,就可以用于我們的天線測量,圍繞著天線的場可以劃分為兩個主要的區域:接近天線的區域稱為近場或者菲斯涅耳(Fresnel)區,離天線較遠的稱為遠場或弗朗霍法(Fraunhofer)區。參考下圖,兩區的分界線可取為半徑R=2L2/λ(m)
其中,L是天線的最大尺寸(米),λ是波長(米)。
在遠場或弗朗霍法(Fraunhofer)區,測量到的場分量處于以天線為中心的徑向的橫截面上,并且所有的功率流(更確切地說是能量流)都是沿徑向向外的。在遠場,場波瓣圖的形狀與到天線的距離無關。在近場或者菲斯涅耳(Fresnel)區,電場有明顯的縱向(或者徑向)分量,而功率流則不是完全徑向的。在近場,一般來說場波瓣圖的形狀取決于到天線的距離。
如果如下圖所示用想象的球面邊界包裹住天線,則在接近球面極點的區域可以視為反射器。另一方面,以垂直于偶極子方向擴散的波在赤道區域產生了穿透球面的功率泄漏,就好像這個區域是部分透明一樣。
這導致了天線附近的能量往返振蕩伴隨赤道區域的向外能量流的情況。外流的功率決定了天線輻射出去的功率,而往返振蕩的功率代表了無效功率——被限制在天線附近,就像一個諧振器。
天線周圍場劃分:
通常,天線周圍場,劃分為三個區域:無功所場區,輻射近場區和輻射遠場區。
射頻信號加載到天線后,緊鄰天線除了輻射場之外,還有一個非輻射場。該場與距離的高次冪成反比,隨著離開天線的距離增大迅速減小。在這個區域,由于電抗場占優勢,因而將此區域稱為電抗近場區,它的外界約為一個波長。超過電抗近場區就到了輻射場區,按照與天線距離的遠近,又把輻射場區分為輻射近場區和輻射遠場區。
無功近場區:
又稱為電抗近場區,是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個近場區域。在該區域中,電抗性儲能場占支配地位,該區域的界限通常取為距天線口徑表面λ/2π處。從物理概念上講,無功近場區是一個儲能場,其中的電場與磁場的轉換類似于變壓器中的電場、磁場之間的轉換,是一種感應場。
輻射近場區:
超過電抗近場區就到了輻射場區,輻射場區的電磁場已經脫離了天線的束縛,并作為電磁波進入空間。按照與天線距離的遠近,又把輻射場區分為輻射近場區和輻射遠場區。在輻射近場區中,輻射場占優勢,并且輻射場的角度分布與距離天線口徑的距離有關。對于通常的天線,此區域也稱為菲涅爾區。
輻射遠場區:
通常所說的遠場區,又稱為夫朗荷費區。在該區域中,輻射場的角分布與距離無關。嚴格地講,只有離天線無窮遠處才能到達天線的遠場區。
公認為,輻射近場區與遠場區的分界距離R為:2D*D/λ。見下圖
其中,圖是的D為天線直徑;為天線波長,D>>λ。
要進一步說明的是:輻射場中,能量是以電磁波形式向外傳播,無功近場中射頻能量以磁場、電場形式相互轉換,并不向外傳播。
審核編輯 :李倩
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原文標題:微波暗室靜區及天線近場和遠場的介紹
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