微波暗室反射率電平自動(dòng)校準(zhǔn)方法及測(cè)量不確定度

張恒萍，朱傳煥，唐君

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一研究所，湖北武漢430064)

微波暗室反射率電平自動(dòng)校準(zhǔn)方法及測(cè)量不確定度

張恒萍，朱傳煥，唐君

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一研究所，湖北武漢430064)

通過(guò)開(kāi)展1～40 GHz微波暗室性能自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)研究，研制了低反射8維度空間測(cè)試支架，降低了測(cè)試裝置微波干擾;開(kāi)發(fā)了基于Labview 8.6環(huán)境的測(cè)試系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)整和收發(fā)天線的相對(duì)運(yùn)動(dòng);本文就微波暗室自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)靜區(qū)反射率電平測(cè)量不確定度進(jìn)行了分析和評(píng)定。

微波暗室;自動(dòng)校準(zhǔn);反射率電平;不確定度

0 引言

微波暗室是進(jìn)行系統(tǒng)電磁兼容性性能測(cè)試、評(píng)估、驗(yàn)證的最基本設(shè)施，其性能直接決定了微波暗室測(cè)試的頻率范圍、所能完成的項(xiàng)目和精度。隨著國(guó)家高新工程和專項(xiàng)工程的開(kāi)展，國(guó)內(nèi)建造了越來(lái)越多的高性能微波暗室，所以對(duì)微波暗室開(kāi)展性能校準(zhǔn)已成為一項(xiàng)重要的工作。目前，國(guó)內(nèi)只有屏蔽效能一項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試方法，不能評(píng)價(jià)微波暗室的靜區(qū)反射電平、靜區(qū)內(nèi)場(chǎng)均勻性、交叉極化特性、多路徑損耗等指標(biāo)，而且人工測(cè)試對(duì)暗室內(nèi)場(chǎng)環(huán)境干擾，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)微波暗室性能。

近幾年，我們開(kāi)展了對(duì)1～40 GHz頻段的微波暗室性能自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)研究，由于參數(shù)較多，本文僅重點(diǎn)闡述微波暗室靜區(qū)反射率電平自動(dòng)校準(zhǔn)方法及實(shí)現(xiàn)，并分析了反射率電平測(cè)量不確定度。

1 反射率電平測(cè)試方法

在微波暗室的靜區(qū)反射率電平的測(cè)量方法中，目前國(guó)內(nèi)外主要有空間駐波比法［1－2］、探針探測(cè)法［3］、天線波瓣圖比較(APC)法［3］、時(shí)域反射測(cè)量法［4］等。空間駐波比法是一種分析測(cè)量空間電磁場(chǎng)駐波特性常用的方法，理論成熟，較易實(shí)現(xiàn)，而其他幾種方法均有實(shí)際操作上的限制，效果不太穩(wěn)定，還處于試驗(yàn)階段。

本文采用駐波比法校準(zhǔn)反射率電平。根據(jù)空間電磁波傳播理論，在微波暗室內(nèi)，激勵(lì)的直射波信號(hào)遇到吸波材料，大部分信號(hào)被吸收，部分反射波(含散射)信號(hào)與直射波信號(hào)在空間進(jìn)行矢量合成形成駐波，通過(guò)測(cè)量駐波的波峰和波谷、分析計(jì)算可以確定直射波和反射波的幅度比值，從而得到靜區(qū)反射率電平。

根據(jù)駐波曲線計(jì)算的反射率電平為

式中:Γ為靜區(qū)反射電平，dB;Emax為駐波的波峰，V/m;Emin為駐波的波谷，V/m。

由于實(shí)際的天線具有方向性，為此必須對(duì)式(1)進(jìn)行修正，天線位于φ角接收到的入射場(chǎng)比φ=0°時(shí)的入射場(chǎng)低A(dB)，所以在φ方向，駐波曲線極大值與極小值dB數(shù)之差為

若直射信號(hào)Ed大于反射信號(hào)Er，A就是接收天線的方向圖電平AdB，所以Ed＞Er的情況下，由公式(1)和(2)推導(dǎo)出公式(3)，求出不同方向上的反射率電平。

在φ方向上的反射率電平為

如果Ed＜Er，則需按公式(4)計(jì)算反射率電平。

2 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)反射率電平校準(zhǔn)原理，建立微波暗室自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由40 GHz信號(hào)源、功放、標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線、支架控制器、低反射支架、40 GHz頻譜儀及計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件組成。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)大小的調(diào)整，收發(fā)天線正對(duì)位置φ=0°，控制頻譜儀讀取接收信號(hào)完成一次測(cè)試，并且控制接收天線在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度φ再次讀取一組數(shù)據(jù)，重復(fù)以上步驟采集所有待測(cè)角度場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)并分析處理。研制的暗室內(nèi)部低反射測(cè)試支架照片如圖2所示。

圖1 微波暗室自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

圖2 測(cè)試支架實(shí)物照片

2.2 自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)控開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abview 8.6，并使用Motion工具包完成電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，SCOPE工具包完成對(duì)PCI－5124數(shù)字化儀進(jìn)行操作，Serial工具包實(shí)現(xiàn)RS232，RS485和局域網(wǎng)通信。軟件通過(guò)對(duì)支架和收發(fā)天線的位置控制，進(jìn)行收發(fā)信號(hào)的讀取和數(shù)據(jù)處理，直觀顯示出反射率電平的值?？刂栖浖鹘缑嫒鐖D3所示。

圖3 控制軟件主界面

2.3 研制中問(wèn)題及解決

由于性能較好的微波暗室的反射率電平一般都低于－40～－60 dB，產(chǎn)生的空間駐波的幅值約為0.1～0.01dB，因此采用方向性比較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線作為接收天線。測(cè)量直射信號(hào)時(shí)，將接收天線的主瓣對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線，由副瓣接收的反射信號(hào)對(duì)直射信號(hào)的影響可忽略不計(jì);測(cè)量反射信號(hào)時(shí)，將接收天線的主瓣對(duì)準(zhǔn)反射信號(hào)，將副瓣對(duì)準(zhǔn)直射信號(hào)，這樣可以降低直射信號(hào)接收的幅度，增加反射信號(hào)接收的幅度，綜合效果可改善20～30 dB的分辨力，測(cè)量的駐波曲線將比較明顯，便于計(jì)算。

由于校準(zhǔn)頻率范圍覆蓋1～40 GHz，傳輸電纜的衰減對(duì)接收信號(hào)準(zhǔn)確度的影響較大，本課題中選用低損耗電纜并盡量減小電纜長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)電纜衰減進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，減小誤差影響。

由于測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡量減少對(duì)微波暗室內(nèi)電磁場(chǎng)的擾動(dòng)，所以采用低反射高強(qiáng)度的MC尼龍材料作為支架材料，對(duì)控制天線動(dòng)作的電機(jī)適當(dāng)使用吸波材料，對(duì)支架底部鋪設(shè)吸波材料，通過(guò)ANSYS軟件分析保證支架能夠高穩(wěn)定移動(dòng)。

3 反射率電平不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型與不確定度來(lái)源

反射率電平的數(shù)學(xué)模型為公式(3)和公式(4)。在使用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)微波暗室性能的過(guò)程中，影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素很多，其不確定度的主要來(lái)源有:①收、發(fā)天線的副瓣特性引入的不確定度;②測(cè)試支架、測(cè)試電纜和天線對(duì)場(chǎng)的擾動(dòng)、散射引入的不確定度;③頻譜分析儀幅值線性引入的不確定度;④轉(zhuǎn)臺(tái)控制器定位精度引入的不確定度;⑤收發(fā)天線的位置和極化失配引入的不確定度;⑥靜區(qū)場(chǎng)均勻性引入的不確定度;⑦電纜損耗平坦度引入的不確定度;⑧信號(hào)源、功率放大器穩(wěn)定度及系統(tǒng)噪聲引入的不確定度。

3.2 不確定度分析

3.2.1 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1)收、發(fā)天線的副瓣特性引入的不確定度

副瓣主要接收反射和散射信號(hào)，對(duì)駐波極大值和極小值的測(cè)量產(chǎn)生影響，駐波幅值范圍為0.01～0.1 dB，考慮最差的情況，天線副瓣對(duì) Δab的影響小于±0.1 dB，假設(shè)服從均勻分布，則由收發(fā)天線的副瓣特性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2)測(cè)試支架、測(cè)試電纜和天線對(duì)場(chǎng)的擾動(dòng)、散射引入的不確定度

試驗(yàn)時(shí)將測(cè)試支架、測(cè)試電纜和天線布置盡量合理，盡可能減少對(duì)靜區(qū)場(chǎng)分布的影響，但是影響是真實(shí)存在的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出該影響應(yīng)小于±0.5 dB，服從正弦分布，則由測(cè)試支架、測(cè)試電纜和天線對(duì)場(chǎng)的擾動(dòng)和散射引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3)頻譜分析儀幅值線性引入的不確定度

由于反射率電平的測(cè)量值是某一頻率下、接收天線在相同角度不同位置測(cè)得的相對(duì)數(shù)據(jù)，所以頻譜分析儀的對(duì)數(shù)刻度性能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，頻譜分析儀測(cè)量值的變化范圍不超過(guò)5 dB，因此其最大允許誤差為±0.1 dB，假設(shè)駐波的波峰與波谷測(cè)量值服從均勻分布，則由頻譜分析儀幅值線性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

4)轉(zhuǎn)臺(tái)控制器定位精度引入的不確定度

在測(cè)量反射率電平的過(guò)程中，接收標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線高度和角度控制的準(zhǔn)確度對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，測(cè)試支架在垂直方向的位置由激光測(cè)距傳感器確定，系統(tǒng)配置的INSIGHT－200激光測(cè)距儀誤差為±1 mm，則最大定位誤差為1 mm/6m=0.016%=0.001 dB，影響可忽略不計(jì)。

5)收發(fā)天線的位置和極化失配引入的不確定度

測(cè)量時(shí)將收發(fā)支架安裝在同一水平面上，程序控制收發(fā)天線的水平移動(dòng)，所以收發(fā)天線的位置和極化失配引起的測(cè)量誤差可以控制在±0.2 dB，假設(shè)服從反正弦分布，則由收發(fā)天線的極化失配引入的不確定度為

6)靜區(qū)場(chǎng)均勻性引入的不確定度

在一個(gè)駐波周期內(nèi)，靜區(qū)內(nèi)場(chǎng)的變化優(yōu)于±0.5 dB，假設(shè)服從均勻分布，則靜區(qū)場(chǎng)均勻性引入的測(cè)量不確定度為

7)電纜損耗平坦度引入的不確定度

電纜損耗的平坦度為±0.1 dB，假設(shè)服從均勻分布，所以引入的不確定度為

8)信號(hào)源、功率放大器穩(wěn)定度及系統(tǒng)噪聲引入的不確定度

天線支架安裝喇叭天線移動(dòng)過(guò)程，信號(hào)源、功率放大器發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生極小漂移，系統(tǒng)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果有較小影響，所以假設(shè)此影響量為±0.2 dB，服從均勻分布，所以引入的不確定度為

3.2.2 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

選取測(cè)量頻率為18 GHz，收發(fā)喇叭天線水平高度位于233 cm，測(cè)試行程線位于靜區(qū)縱向中心位置，接收天線偏離中心線45°角，對(duì)靜區(qū)反射率電平值重復(fù)測(cè)量6次，測(cè)量結(jié)果分別為－57.9，－58.2，－58.3，－58.5，－58.7，－58.9，－58.4 dB。

樣本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差即為測(cè)量結(jié)果的A類評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

3.3 擴(kuò)展不確定度

由于各輸入量獨(dú)立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

將各不確定度分量值代入公式(5)，有 uc= 0.58 dB。

由此可得，擴(kuò)展不確定度為

4 結(jié)論

本自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)儀器設(shè)備全部置于暗室外部，采用低損耗電纜收發(fā)控制信號(hào)，信號(hào)接收使用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線增強(qiáng)方向性和信號(hào)接收強(qiáng)度，接收天線掃描支架材料選擇反射性弱、強(qiáng)度高的MC尼龍，使微波暗室校準(zhǔn)過(guò)程中校準(zhǔn)系統(tǒng)和人員對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的影響最小，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高。

本校準(zhǔn)系統(tǒng)解決了目前國(guó)內(nèi)微波暗室沒(méi)有校準(zhǔn)規(guī)范、校準(zhǔn)工作實(shí)現(xiàn)難度大的問(wèn)題。

［1］郝曉軍，陳永光，何建國(guó)，等.FDTD計(jì)算暗室靜區(qū)指標(biāo)［J］.微波學(xué)報(bào)，2007，23(4):194－197.

［2］王志宇，喬閃，袁宇，等.微波暗室靜區(qū)性能的測(cè)量方法［J］.微波學(xué)報(bào)，2007，23(4):69－72.

［3］約翰.克勞斯.天線［M］.3版.章文勛譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］Clouston E N，Langsford P A，Evans S.Measurement of anechoic chanber reflections by time－domain techniques［J］.IEEE PROCEEDINGS，1988，135(2): 93－97.

Auto Calibration and M easurement Uncertainty of Quiet Zone Reflectivity Level of M icrowave Anechoic Chambers

ZHANG Hengping，ZHU Chuanhuan，TANG Jun
(No.701 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430064，China)

A 1～40 GHz auto－calibration technique was developed formicrowave anechoic chambers，and an octuple spacemotion frame with low reflection was developed to reduce disturbingmicrowave signals.The control software of the test system is based on Labview 8.6 and it can realize signalmodulation and antennas relativemovement.Analysis and evaluation wasmade on themeasurement uncertainty of the quiet zone reflectivity level in themicrowave anechoic chamber.

microwave anechoic chamber;auto calibration;reflectivity level;uncertainty

TB97;TM937

A

1674－5795(2015)01－0038－04

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.09

2014－06－06;

2014－07－03

國(guó)家“十一五”技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(J082008B001)

張恒萍(1981－)，女，工程師，工學(xué)碩士，長(zhǎng)期從事電磁兼容計(jì)量工作。