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暗室静区及天线近场和远场的介绍

静区

所谓静区就是指微波暗室内受杂散波干扰最小的区域,也就是在短波通信中,自发射天线数十公里以外直至电离层把电波反射回地面以前的一个区域。

微波暗室静区重要性:

暗室的电性能主要由静区的特性来描述。静区的特性又以静区的大小、静区内的最大反射率电平、交叉极化度、场强均匀性、路径损耗、固有雷达截面、工作频率范围等参数来描述。其中,静区内的最大反射率电平是主要因素。所以,设计一个暗室,必须给定静区的性能指标,然后由此来决定暗室的尺寸、吸波材料的选择等。由此可以看出静区的性能指标对微波暗室的搭建非常重要。

微波暗室静区性能测试

   微波暗室用于天线测量。作为室内测量,微波暗室应能把发射天线直接辐射到接收天线主波束区以外的射频能量,尽可能地吸收或改变其反射方向,使之不进入接收天线的主波束区,即在接收天线所在区域内提供近似无反射的静区。

测试方法

  静区性能的核心指标是反射电平,其它指标本质上均于反射电平有关。静区反射电平可以采用自由空间电压驻波比法来测量。

微波暗室是一个模拟的自由空间,由于暗室内壁吸波材料吸收电磁波不完全,对于入射到它上面的电磁波始终存在着大小不同的反射,这些反射随空间位置的不同而不同,它们与直射波矢量迭加后就形成了自由空间电压驻波,其数量大小就反映了暗室空间反射电平的大小。

Ed为来自源天线的直射波场强,Er为等效反射波场强,它与轴线夹角为θ。令接收天线方向图在θ方向的电平为AdB),则接收天线方向图最大值旋转到θ方向时,它在直射波方向收到的场强Ed’将为

Ed’=Ed×10A/20

设直射波Ed’和反射波Er同相和反相时检测到的场强最大值和最小值分别用BdB)和CdB)来表示,则可分下列三种情况讨论:

1)Er

B=20lg(Ed’+Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20+Er)/Ed10A/20

C=20lg(Ed’-Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20-Er)/Ed10A/20

则暗室反射电平Γ

Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20-1)/(10(B-C)/20+1)]

2)Er=Ed’

Γ=A

3)Er>Ed’

同理可得

Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20+1)/(10(B-C)/20-1)]

因此,只要测出空间驻波曲线和接收天线的方向图,就可以按上述三类情况计算出反射电平。ErEd’的大小判别方法是:由于Ed’随天线的移动有规律变化,Er无规律变化,在某一取向角上,如果实测空间驻波曲线的平均值出现无规律的变化,就能判别Er>Ed’,或在这个取向角上,实测空间驻波曲线的平均电平比在这个取向角上方向图电平高,也能判别Er>Ed’

天线的近场区和远场区

着微波暗室搭建成功,就可以用于我们的天线测量,围绕着天线的场可以划分为两个主要的区域:接近天线的区域称为近场或者菲斯涅耳(Fresnel)区,离天线较远的称为远场或弗朗霍法(Fraunhofer)区。参考下图,两区的分界线可取为半径      R=2L2/λ  (m)

其中,L是天线的最大尺寸(米),λ是波长(米)。

在远场或弗朗霍法(Fraunhofer)区,测量到的场分量处于以天线为中心的径向的横截面上,并且所有的功率流(更确切地说是能量流)都是沿径向向外的。在远场,场波瓣图的形状与到天线的距离无关。在近场或者菲斯涅耳(Fresnel)区,电场有明显的纵向(或者径向)分量,而功率流则不是完全径向的。在近场,一般来说场波瓣图的形状取决于到天线的距离。        

如果如下图所示用想象的球面边界包裹住天线,则在接近球面极点的区域可以视为反射器。另一方面,以垂直于偶极子方向扩散的波在赤道区域产生了穿透球面的功率泄漏,就好像这个区域是部分透明一样。

这导致了天线附近的能量往返振荡伴随赤道区域的向外能量流的情况。外流的功率决定了天线辐射出去的功率,而往返振荡的功率代表了无效功率——被限制在天线附近,就像一个谐振器。

天线周围场划分:

通常,天线周围场,划分为三个区域无功所场区,辐射近场区和辐射远场区。

射频信号加载到天线后,紧邻天线除了辐射场之外,还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比,随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域,由于电抗场占优势,因而将此区域称为电抗近场区,它的外界约为一个波长。超过电抗近场区就到了辐射场区,按照与天线距离的远近,又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。

无功近场区    

  又称为电抗近场区,是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中,电抗性储能场占支配地位,该区域的界限通常取为距天线口径表面λ/2π处。从物理概念上讲,无功近场区是一个储能场,其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换,是一种感应场

辐射近场区

   超过电抗近场区就到了辐射场区,辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚,并作为电磁波进入空间。按照与天线距离的远近,又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中,辐射场占优势,并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线,此区域也称为菲涅尔区

辐射远场区

   通常所说的远场区,又称为夫朗荷费区。在该区域中,辐射场的角分布与距离无关。严格地讲,只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区。

   公认为,辐射近场区与远场区的分界距离R为:2D*D/λ。见下图

  其中,图是的D为天线直径;为天线波长,D>>λ

   要进一步说明的是:辐射场中,能量是以电磁波形式向外传播,无功近场中射频能量以磁场、电场形式相互转换,并不向外传播。

 

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