陳 軍， 宋振飛， 萬發(fā)雨， 謝 鳴

(1.南京信息工程大學(xué)， 江蘇 南京 210044； 2.中國計量科學(xué)研究院， 北京 100029)

1 引 言

常規(guī)的天線增益測量可以采用遠(yuǎn)場三天線法或標(biāo)準(zhǔn)天線傳遞法，受測量場地的限制，一方面遠(yuǎn)場條件不能很好被滿足，另一方面收發(fā)天線間的互耦以及暗室多徑反射效應(yīng)客觀存在，導(dǎo)致常規(guī)增益測量方法的不確定度很難優(yōu)于0.3 dB。早在1973年，Newell A C等基于平面波散射矩陣?yán)碚撎岢隽送馔品ㄔ鲆鏈y量方法[1]，即測量由近及遠(yuǎn)一系列距離下收發(fā)天線之間的功率傳輸特性，基于平面波散射矩陣?yán)碚?、以及由此衍生的天線互耦方程、功率級數(shù)展開等重要關(guān)系式，通過數(shù)值濾波等一系列核心技術(shù)濾除天線之間的多次耦合，再通過特定的數(shù)值擬合方法，獲得理想無限遠(yuǎn)距離下的天線絕對增益。該方法是目前國際上公認(rèn)的增益測量最準(zhǔn)確的方法。

美國NBS(現(xiàn)美國NIST)、英國NPL、俄羅斯VNIIFTRI、韓國KRISS等各國家計量院先后研制了外推法天線測量標(biāo)準(zhǔn)裝置，中國計量科學(xué)研究院(NIM)也于2014年底建成了國內(nèi)第一套高精度外推法天線測量標(biāo)準(zhǔn)裝置。近年來，國際上外推法相關(guān)論文主要集中在測量理論完善[2,3]和測量應(yīng)用研究[4]；國內(nèi)近幾年也出現(xiàn)了關(guān)于外推法天線測量方面的文獻(xiàn)[5,6]。但是，關(guān)于外推法增益測量誤差模型和測量不確定度評定的文獻(xiàn)論文則不多見。

天線增益的精密測量受諸多不確定因素的影響，天線饋電端口和測量系統(tǒng)內(nèi)各連接端口處的阻抗失配會導(dǎo)致天線增益測量誤差，因此需要對增益值進(jìn)行阻抗失配修正。本文首先簡要介紹了外推法天線增益測量的基本原理和測量過程，然后基于信號流圖法[7]建立了阻抗失配模型，推導(dǎo)出阻抗失配修正公式，結(jié)合各端口散射參數(shù)實測值可計算出阻抗失配修正值；最后，結(jié)合實際測試案例，基于蒙特卡羅法[8]對阻抗失配修正引入的不確定度及其概率分布進(jìn)行了評定。

2 外推法天線增益測量

外推法天線測量的基礎(chǔ)理論包括平面波散射矩陣，以及由此推導(dǎo)出的天線耦合方程和功率級數(shù)展開方程。實際測量時可依賴高精度導(dǎo)軌，測量由近及遠(yuǎn)一系列距離下收發(fā)天線之間的插入損耗，記為：

(1)

式中：PR和PT分別是天線接收功率和天線饋入功率；K是收發(fā)天線饋電端口相連時的傳輸損耗；d是收發(fā)天線之間的距離。

根據(jù)功率級數(shù)展開理論，P(d)d2可表示為：

多次反射項

(2)

式中：A1,A2,A3，……，An是功率級數(shù)展開系數(shù)。通過天線互耦抑制濾波算法濾除天線之間的多次反射影響，基于有限階多項式擬合算法忽略其中的高階耦合項，從而得出有限個功率級數(shù)展開系數(shù)。

當(dāng)測量距離被外推至無限遠(yuǎn)處時，結(jié)合Friis傳輸公式，利用式(2)中的擬合系數(shù)A1，可得收發(fā)天線在無限遠(yuǎn)處(d→∞)的增益乘積GTGR:

(3)

式中：GT和GR分別是發(fā)射天線和接收天線的增益；c是光速；f是頻率。 由式(3)可知：

(4)

以同樣的方法重復(fù)測量圖1所示的3種收發(fā)天線組合的增益乘積，進(jìn)而得到每個天線在無限遠(yuǎn)處的絕對增益。

圖1 收發(fā)天線的3種組合方式

3 阻抗失配修正

圖2 阻抗失配模型

使用定向耦合器監(jiān)測發(fā)射天線的凈饋入功率，圖2中給出了其三端口的散射參數(shù)模型。把從定向耦合器端口②向饋源方向看去的反射系數(shù)稱為“有效源反射系數(shù)”，用ΓG″表示。

(5)

式中：S22,S21,S31,S32是定向耦合器端口相關(guān)散射參數(shù)。

在直通校準(zhǔn)測量中，當(dāng)需要使用適配器連接收發(fā)天線饋電端口時，適配器輸入輸出端口的阻抗失配會對直通測量值造成影響，圖2(a)中給出了適配器散射參數(shù)模型。基于信號流圖法可知，適配器的失配損耗M1可表示為：

(6)

一般情況下，饋源與負(fù)載直接相連時，阻抗失配損耗Mc可表示為：

(7)

式中：ΓGen和ΓLoad分別是饋源和負(fù)載的反射系數(shù)。

在傳輸測量中，發(fā)射天線和定向耦合器端口②、接收天線和接收功率測量端口的阻抗失配將影響到傳輸測量結(jié)果。根據(jù)式(7)，圖2(b)中發(fā)射天線和定向耦合器端口②的阻抗失配損耗M2可表示為:

(8)

簡稱發(fā)射端阻抗失配修正項，式中：ΓT是發(fā)射天線的反射系數(shù)。接收天線和接收功率測量端口的阻抗失配損耗M3可表示為：

(9)

簡稱接收端阻抗失配修正項，式中：ΓR和ΓL分別是接收天線和接收功率測量端口的反射系數(shù)。

需要說明的是，由于式(1)定義的插入損耗是傳輸測量和直通校準(zhǔn)測量結(jié)果之比，而定向耦合器端口①和端口③在這兩次測量中均未進(jìn)行重復(fù)連接，這兩處的阻抗失配損耗雖然客觀存在，但不會對最終的插入損耗測量值造成影響。因此，收發(fā)天線增益乘積的阻抗失配修正式為:

(10)

式中：GTMGRM是收發(fā)天線增益乘積的實測值；GTGR是經(jīng)過阻抗失配修正后收發(fā)天線的增益乘積；M1是直通校準(zhǔn)測量時適配器的失配損耗；M2T和M3R分別是發(fā)射端和接收端的阻抗失配修正項。

完成圖1所示3組收發(fā)天線組合下的增益乘積測量，結(jié)合式(10)，可得天線A、天線B、天線C增益的阻抗失配修正系數(shù)分別為：

(11)

以天線A為例，阻抗失配修正后的絕對增益為GA=CAGAM。

4 阻抗失配修正的不確定度評定

阻抗失配修正值與輸入量散射參數(shù)測量值之間的關(guān)系可簡化表述為式(12):

(12)

式中：fA、fB和fC分別為式(11)中天線A,B,C增益的阻抗失配修正系數(shù)計算函數(shù);所涉輸入量為12個散射參數(shù)的實部與虛部依次記為x1,x2,x3，…，x24。

散射參數(shù)的測量通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，其不確定度一方面來源于端口連接隨機(jī)效應(yīng)引入的不確定度，另一方面來源于網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)系統(tǒng)效應(yīng)引入的不確定度。基于蒙特卡洛法對阻抗失配修正不確定度評定的基本流程是：(1)依據(jù)相關(guān)規(guī)范[9]評定網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)不確定度;(2) 假設(shè)端口連接隨機(jī)效應(yīng)引入誤差的概率密度函數(shù)服從正態(tài)分布，對應(yīng)式(12)右側(cè)每一個變量都生成N個服從正態(tài)分布的偽隨機(jī)數(shù)δi(i=1,2,…, 24)，其數(shù)學(xué)期望分別為對應(yīng)散射參數(shù)實測值，標(biāo)準(zhǔn)差分別為對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;(3)根據(jù)式(13)對每一只天線進(jìn)行阻抗失配修正的不確定度進(jìn)行評定。

(13)

式中：yA0、yB0和yC0是由實測散射參數(shù)計算獲得的3只天線阻抗失配修正值；yAr、yBr和yCr分別是將對應(yīng)的偽隨機(jī)數(shù)代入式(12)計算獲得的3只天線阻抗失配修正值；u(yA)、u(yB)和u(yC)分別表示天線A、天線B和天線C阻抗失配修正的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

以上各量均為絕對值表述形式，需要通過式(14)將天線A、天線B和天線C阻抗失配修正的標(biāo)準(zhǔn)不確定度轉(zhuǎn)化為dB形式。

(14)

5 阻抗失配修正及不確定度評定示例

以某同軸饋電Ku波段標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的外推法增益測量為例。表1給出了3只天線反射系數(shù)的實測數(shù)據(jù)，表2是根據(jù)式(11)求得的天線A、B、C增益的阻抗失配修正值(dB形式)。

表1 天線反射系數(shù)的實測值 dB

以天線A在12 GHz處的反射系數(shù)實部x1為例，實測值為0.022 5 dB，相應(yīng)的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.007 0，故基于蒙特卡洛法生成服從正態(tài)分布的N個偽隨機(jī)數(shù)(N=10 000)，其數(shù)學(xué)期望為0.022 5，方差為0.007 0，概率分布如圖3(a)所示。將該偽隨機(jī)數(shù)作為輸入量重新計算天線A的阻抗失配修正值，并與實測散射參數(shù)值計算獲得的阻抗失配修正值相比較，得到隨機(jī)效應(yīng)引入的阻抗失配修正誤差分布如圖3(b)所示。分析其分布特性可知，阻抗失配修正誤差近似服從正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(yA)=0.010 5 dB。類似地，可求出3只天線在測量頻段內(nèi)的阻抗失配修正的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，結(jié)果如表3所示。

6 結(jié) 論

本文介紹了外推法天線增益測量的基本原理和方法，基于信號流圖法建立了外推法天線增益測量阻抗失配模型，推導(dǎo)出全端口阻抗失配修正的表達(dá)式，并提出了一種基于蒙特卡羅法的阻抗失配修正不確定度評定方法。最后，以Ku波段標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線增益測量為例，給出了阻抗失配修正不確定度的詳細(xì)評定過程。為科學(xué)、系統(tǒng)地評定外推法增益測量不確定度提供了一種有效方法。

表2 天線增益的阻抗失配修正值 dB

圖3 天線A阻抗失配修正輸入輸出量的概率分布

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