基于平面波展開的毫米波輻射器口徑場測量技術(shù)研究

1、代 號分 類 學(xué) 號 密 級 10701 TN99 公開1045121155 題 (中、英文 目 基于平面波展開的毫米波輻射器 口徑場測量技術(shù)研究 Research on the aperture field measurement based on plane wave expansion 作 者 姓 師大偉 趙建勛 教授 工學(xué) 提 交 論 文 日 二一三年六月 環(huán)境工程 指導(dǎo)教師姓名、職稱 學(xué) 科 門西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德,本人聲明所呈交的論文是我個人在 導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知,除了文中特別加以標(biāo) 注和致謝中所羅列的

2、內(nèi)容以外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果;也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說 明并表示了謝意。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處,本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。本人簽名:日期:西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定,即:研究 生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保 留送交論文的復(fù)印件,允許查閱和借閱論文;學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi) 容,可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時本人保證,

3、畢業(yè)后 結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。 (保密的論文在解密后遵守此規(guī)定本人簽名:日期:導(dǎo)師簽名:日期:摘要摘要本文將平面近場測量技術(shù)應(yīng)用于毫米波輻射器口徑場的測量, 重點對平面波展 開的基本理論、近場測量的方法和原理、近場到口徑場的變換,以及探頭補(bǔ)償技 術(shù)與誤差等進(jìn)行了研究。首先,本文對平面近場測量的概念、應(yīng)用、以及具體的原理做了大體的概 括,接著就平面波展開法進(jìn)行系統(tǒng)的公式推導(dǎo)與論證,并給出了電場與平面波譜 的關(guān)系。為了建立正確有效的測量系統(tǒng),本文簡要地論述了采樣參數(shù)的選取準(zhǔn) 則,即掃描平面與輻射器口徑面的距離的選擇,掃描面尺寸的選擇,以及探頭采 樣間隔的確

4、定等。其次, 為了求解輻射器口徑面的電場的幅相分布, 必須將平面波展開算法進(jìn)行 離散化處理,即將無限連續(xù)的二維傅里葉變換轉(zhuǎn)換為有限離散的二維傅里葉變換, 進(jìn)而分解為兩步一維的傅里葉變換,應(yīng)用一般的快速傅里葉變換的子程序求解輻射 器口徑面的電場的幅相分布。然后本文簡單介紹了輻射器、探頭和整個測量系統(tǒng) 以及它們的幾何模型。進(jìn)而對探頭的補(bǔ)償與校正展開介紹,以此來對直接測量值 進(jìn)行修正,獲取較為精確的輻射器口徑場的幅度和相位的測量值。接下來對通過 XFDTD 電磁仿真軟件建立平面近場測量系統(tǒng)模型做了詳細(xì)地介紹, 以及對平面近 場測量中的模型參數(shù)和吸收邊界進(jìn)行了設(shè)置。最后,通過 XFDTD 軟件獲得毫米

5、波輻射器的平面近場和口徑場的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù), 以及將平面近場的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為近場到口徑場變換的測量數(shù)據(jù)代入近場到口徑場 變換算法中計算出輻射器口徑場的幅度和相位。 又通過 XFDTD 軟件建立平面近場 測量系統(tǒng),直接測量輻射器口徑場的幅度和相位。然后以毫米波輻射器的口徑場 的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為參考,將采用近場到口徑場變換算法計算的口徑場值和直接測量 的口徑場值進(jìn)行比較,驗證近場到口徑場的變換算法的有效性和正確性,進(jìn)而對 測量結(jié)果產(chǎn)生的原因和系統(tǒng)中可能存在的誤差進(jìn)行分析。關(guān)鍵字:平面波展開;近場測量;傅里葉變換;近場到口徑場變換;平面波譜ABSTRACTABSTRACTThe planar near-fiel

6、d measurement techniques used in the measurement of aperture field of millimeter-wave radiator, with emphasis on the basic theory of the plane wave expansion, the near-field measurement methods and principles, near-field to aperture-field transformation, as well as the probe compensation techniques

7、and error analysis.Firstly, the concept, application and the principle of planar near-field measurement are described. Then the methods of plane wave expansion are studied, and come to the relationship between the electric field and plane wave spectrum function. In order to establish a valid measure

8、ment system, the paper briefly discusses the choice principles for the sampling parameters, i.e. the selection of the distance between the scanning plane and the radiator aperture plane, the choice of width of the scanning plane, and the determination of sampling interval.Secondly, in order to calcu

9、late the amplitude and phase distribution of the electric field of the radiator aperture plane. Plane wave expansion method must be discretized. That is it converts the infinite continuous two-dimensional Fourier transform to a limited discrete two-dimensional Fourier transform. Then we decompose th

10、e two-dimensional Fourier transform to two-step one-dimensional Fourier transform. The general fast Fourier Transform subroutine is applied for solving the amplitude and phase distribution of the electric field of the radiator aperture plane. Then the article introduces briefly the millimeter-wave r

11、adiator and probe, and their geometric models.The principle of probe compensation and correction are studied to correct direct measurement values and obtain a more precise measured value of the amplitude and phase of the radiator aperture field. Then we discuss to establish planar near-field measure

12、ment system model by XFDTD electromagnetic simulation software and set the parameters of the model and absorbing boundary in the planar near-field measurement. Finally, we obtain the standard data of the planar near-field and the aperture field of the millimeter-wave radiator by XFDTD software, as w

13、ell as substitute the standard data of the planar near-field data into the near-field to aperture-field transformation algorithm to calculate the amplitude and phase of the radiator aperture field. Then we establish planar near-field measurement system by XFDTD software and measure directly the ampl

14、itude and phase of radiator aperture field. We use the standard data of millimeter-wave radiator aperture field as reference data and compare the aperture field by near-field to aperture-field transformation algorithm and direct measurement. We prove the validity and accuracy of the direct measureme

15、nt and near-field to aperture field transformation algorithm. Then we analyze the cause of the measurement results and the error in the system. Then we analyze the cause of the measurement results and the error in the system.Keyword: Plane wave expansion, near-field measurement, FFT, near-field to a

16、perture-field transformation, plane-wave spectrum目錄 I 目錄第一章 緒論 . . 1 1.1研究背景 . 1 1.1.1毫米波輻射器在醫(yī)學(xué)方面中應(yīng)用 . 1 1.1.2輻射器口徑場的重要性 . . 2 1.1.3近場測量的概述 . 3 1.2 近場測量國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 4 1.2.1國內(nèi)外近場輻射測量的理論研究情況 . . 4 1.2.2近場輻射測量需要解決的問題 . 5 1.3本論文的研究內(nèi)容 . 6第二章 平面近場測量基本理論 . . 7 2.1引言 . 7 2.2平面波譜展開理論 . 8 2.3平面近場掃描方式 . 12 2.4掃描面

17、參數(shù)的選擇 . 13 2.4.1掃描面尺寸的選擇 . 13 2.4.2掃描平面與毫米波輻射器口徑面的距離的選擇 . 13 2.4.3探頭采樣間隔的確定 . . 14 2.5基于二維傅里葉變換的離散算法 . . 15 2.6本章小結(jié) . 20第三章 毫米波輻射器口徑場測量的仿真 . . 23 3.1引言 . 23 3.2測量系統(tǒng)的幾何模型 . 23 3.2.1輻射器的幾何模型 . 23 3.2.2矩形波導(dǎo)探頭的幾何模型 . 24 3.3探頭補(bǔ)償 . 25 3.3.1獲取探頭接收信號強(qiáng)度的校正參數(shù) . 25 3.3.2獲取探頭輻射方向圖的校正參數(shù) . 25 3.3.3校正探頭開口處的入射電場的振幅

18、 . 26 3.4 FDTD模型 . 27 3.5本章小結(jié) . 30第四章 計算機(jī)仿真結(jié)果與誤差分析 . . 31 4.1引言 . 31 4.2毫米波輻射器的平面近場和口徑場的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù) . . 31 4.3利用近場到口徑場變換測量輻射器的口徑場 . . 35 4.4輻射器口徑場的直接測量 . 39 4.5誤差分析 . 40 4.6本章小結(jié) . 45第五章 總結(jié)與展望 . . 47 5.1工作總結(jié) . 47 5.2下一步研究建議 . . 47II 基于平面波展開的毫米波輻射器口面場測量技術(shù)研究致謝 . 49參考文獻(xiàn) . 51作者在讀研期間研究成果 . 55第一章 緒論 1第一章 緒論1.1研究背

19、景1.1.1毫米波輻射器在醫(yī)學(xué)方面中應(yīng)用隨著科技的迅速發(fā)展,各種電子設(shè)備特別是各種功率的毫米波設(shè)備在醫(yī)學(xué)以 及日常生活中獲得了日益廣泛的應(yīng)用,從而使我們的生活質(zhì)量有了明顯的提高。 但是,與此同時,也產(chǎn)生另一個嚴(yán)重的問題,那就是更多的人們生活或者工作在 暴露的電磁環(huán)境中。 因此產(chǎn)生了生物電磁學(xué) 1, 它研究的是電磁場與生物系統(tǒng)之間 的相互作用和相互關(guān)系。其主要研究內(nèi)容之一是外界電磁場對生物活體的作用, 即研究電磁場透入生物系統(tǒng)并與生物組織相互作用,導(dǎo)致不同生物層次的結(jié)構(gòu)、 形態(tài)、功能等方面的改變,發(fā)現(xiàn)各種電磁場對生物系統(tǒng)的各種生物學(xué)效應(yīng) 2,并進(jìn) 行機(jī)理性研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 。這里的毫米波是波長

20、為 110mm ,頻率為 30300GHz 的電磁波,它位于微波和遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍內(nèi)。從毫米波的 物理特性 6來看,毫米波的量子能量比較大,但是不會使分子電離,因此它屬于非 電離輻射。由于波長較短,對生物組織尤其是含水量高的組織穿透深度較小,電 磁能量在進(jìn)入生物體內(nèi)很短的距離就被吸收 3。醫(yī)療應(yīng)用的毫米波能量一般低于 10/mW cm , 它對醫(yī)療產(chǎn)生作用的最基本原因 在于能提高機(jī)體的非特異性抵抗力,調(diào)動體內(nèi)的內(nèi)部潛力。它是用毫米波能量輻 照人體的不同部位,例如一種毫米波循經(jīng)傳導(dǎo)穴位輻射治療癌癥的方法,它是采 用高功率密度輻射頭,將毫米波導(dǎo)入穴位,然后通過經(jīng)絡(luò)的循經(jīng)傳導(dǎo)效應(yīng),將毫 米波

21、能量施加到腫瘤上,再配合其它療法,取得了較為顯著地效果。毫米波在生 物體內(nèi)有抗應(yīng)激因子的作用,能提高機(jī)體的免疫力,此外還有鎮(zhèn)定止痛的作用 3。 目前毫米波醫(yī)療主要被用于十二指腸潰瘍、胃潰瘍、骨骼組織外傷、貧血、腦外 傷、心絞痛、高血壓以及各種腫瘤、神經(jīng)科等 2。毫米波不但應(yīng)用于醫(yī)療方面,而 且還能應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷方面,主要對淺層組織異常的診斷、深層組織部位癌變的 診斷、其他皮下軟組織腫物的檢查 2。除了已有的醫(yī)療檢測技術(shù),毫米波還有相當(dāng) 多的優(yōu)點:對生物病變或損害組織的介電特性變化敏感,可以反映一定深度下組 織介電常數(shù)的變化;對被檢對象無任何的損傷,操作快速簡單,并且可以實時處 理;有一定的穿透

22、能力,而不僅僅反映表層溫度的變化 2。由于毫米波在醫(yī)學(xué)上廣泛的應(yīng)用,所以出現(xiàn)了各種應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面的毫米波 設(shè)備。例如毫米波保健儀,主要由毫米波輻射器與顯示器等設(shè)備組成。毫米波針2 基于平面波展開的毫米波輻射器口面場測量技術(shù)研究灸輻射器,主要由毫米波輻射器與定時器等設(shè)備組成。以及各種毫米波治療儀, 主要由電源、控制檢測部分、毫米波輻射器等組成。圖 1.1給出了毫米波治療設(shè)備 的主體部分示意圖。 圖 1.1 毫米波治療設(shè)備示意圖1.1.2輻射器口徑場的重要性了解天線口徑場的分布,對性能優(yōu)良的天線的研制,尤其是反射面天線和大 型陣列天線 38具有非常重要的作用。但是由于口徑場分布的復(fù)雜性,雖然已經(jīng)有

23、 了各種各樣的算法來計算場值,但大多數(shù)存在各種各樣的缺陷,引入了很多假設(shè) 或者近似。在實際工程中常由近場測量數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換求得輻射器的口徑場 的波數(shù)譜,再通過傅里葉逆變換來確定口徑場的分布 8,以此來改善天線的性能。 當(dāng)探頭非?？拷粶y天線的口徑面時,可以粗略測出陣中失效的單元或奇異變化 的區(qū)域,然而不能精確測出口徑場的幅相分布。其主要原因為探頭與被測天線之 間存在較強(qiáng)的反射效應(yīng),這種反射效應(yīng)會隨著探頭在掃描面上的采樣運動而發(fā)生 變化,從而引入了較大的誤差。如果探頭在距離待測天線口徑面幾個波長的位置 進(jìn)行采樣,可以減小探頭與被測天線的相互耦合,但是此時的測量數(shù)據(jù)并不能直 接反映口徑場的幅相

24、分布。在生物醫(yī)學(xué)方面,經(jīng)常利用毫米波輻射器對生物樣品進(jìn)行輻照實驗 37,而生 物樣品一般放置在毫米波輻射器的口徑場附近,所以為了更好測量電磁場對生物 樣品的影響,必須要知道輻射器口徑場的分布。如圖 1.2所示,毫米波輻射器照射 生物樣品的示意圖。 圖 1.2 用毫米波輻射器輻照生物樣品第一章 緒論 3 1.1.3近場測量的概述隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、儀器儀表、通信設(shè)備的不斷更新發(fā)展,天線測 量技術(shù)也取得了飛速的進(jìn)展。電磁場與微波測量技術(shù)已經(jīng)成為一門專業(yè)技術(shù),電 磁場與微波技術(shù)驗證了微波理論的正確性,并且推動了微波理論、微波技術(shù)和應(yīng) 用的高速發(fā)展。目前天線的測量方法主要有遠(yuǎn)場、近場、緊縮場、聚

25、焦場等 10。 對于遠(yuǎn)場和緊縮場是利用產(chǎn)生平面波照射的一種直接測量方法,聚焦場則用于焦 距可變天線的測量。對于近場測量,一般在微波暗室里測量,它是一種間接測量 方法,用一個已知特性的探頭在靠近并包圍被測天線的幾個波長的表面上掃描, 采樣出探頭對被測天線的幅相特性,再通過測量的數(shù)據(jù)、掃描面的形狀和探頭的 特性,通過某種算法或軟件計算出被測天線的相關(guān)信息和參數(shù)。根據(jù)天線掃描面 的不同,近場掃描可分為平面掃描、柱面掃描和球面掃描 10,不同的掃描方式有 不同的算法和模型,它們各有其優(yōu)缺點和擅長的應(yīng)用范圍。其中平面掃描測量的 數(shù)據(jù)處理最為簡單,球面掃描測量數(shù)據(jù)處理最為復(fù)雜,然而對于掃描技術(shù)的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)

26、,球面掃描最簡單,平面掃描最復(fù)雜。平面掃描按采樣點的分布方式可分為 平面矩形柵格、平面單極和平面雙極三種。近場測量是一門由多學(xué)科技術(shù)集成的系統(tǒng)學(xué)科,它和天線與電磁場理論、微 波技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等學(xué)科相互交叉,并成為現(xiàn)代通信領(lǐng)域中必不可少的組成 部分,近場測量具有以下優(yōu)點:(1 可通過對天線一次掃描測量,存儲下數(shù)據(jù),就可以借助計算機(jī)和各種算法 算出天線各種性能參數(shù)和信息;(2 測量時需要的場地小,一般在微波暗室就可以測得比較精確的數(shù)據(jù);(3 探頭和待測天線比較靠近, 因而信噪比高, 環(huán)境噪聲和隨機(jī)誤差相對較低;(4 利用了近場到口徑場變換,減少了探頭與待測天線多次反射引起的誤差;(5 不易受氣

27、候條件,地面濕度等的影響,可以全天候工作;(6 近場測量也可以作為一種診斷手段, 能揭示用常規(guī)測量方法難以發(fā)現(xiàn)的本 來存在的某些問題,來改進(jìn)設(shè)計;(7 在近場測量中的許多誤差源可以通過相應(yīng)的算法加以補(bǔ)償, 因而近場測量 的精度較高;近場掃描測量技術(shù)也存在一些缺點。驅(qū)動探頭掃描的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,測量設(shè) 備比較昂貴,對探頭的校準(zhǔn)嚴(yán)格得多,必須精確地知道探頭的特性,才有可能對 探頭的影響進(jìn)行誤差補(bǔ)償;由于近場測量是利用近場測量的數(shù)據(jù)計算待測天線口 徑場或遠(yuǎn)場特性,因此可以借助計算機(jī)利用數(shù)學(xué)變換來計算輻射器口徑場或遠(yuǎn)場 特性。該方法也受到頻段的限制,頻率太低時,吸收材料成本高,測量結(jié)構(gòu)的尺 寸比較大;

28、頻率太高時, 測量相位的精度受限。 近場測量一般適用于 1GHz100 GHz4 基于平面波展開的毫米波輻射器口面場測量技術(shù)研究的頻段范圍,為克服頻率的限制這一問題,時域近場測量可在更低頻率段進(jìn)行測 量,無相位測量則可用于較高頻率的測量 10。由于近場測量復(fù)雜,所以對操作員 的技術(shù)水平、專業(yè)知識等方面要求較高,必須要對近場測量理論和測量系統(tǒng)有較 充分的了解,才能獲得較為精確的測量結(jié)果。目前,近場天線測量技術(shù)已趨于成熟,各種測量參數(shù)精度也大幅提高,在某 種程度上已經(jīng)成為測量天線性能指標(biāo)的首選方案。1.2近場測量國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上世紀(jì)五十年代就有人提出了無探頭修正的近場測量理論 12, 1963年

29、, Kerns 研究了近場測量中探頭修正的理論 13, 提出了近場測量的平面波散射矩陣?yán)?論,精確的補(bǔ)償了探頭效應(yīng),從此平面近場測量才朝著實用的方向發(fā)展 19。對于 近場輻射測量,其基礎(chǔ)理論已經(jīng)比較成熟。近場輻射測量的研究通常經(jīng)歷了四個階段,如表 1.1所示。表 1.1 近場輻射測量的研究階段時間 (年 研究方向19501961 無探頭補(bǔ)償?shù)脑囼炿A段19611975 考慮探頭補(bǔ)償?shù)睦碚撾A段19651975 考慮探頭補(bǔ)償理論的實驗驗證階段1975至今 理論與實踐技術(shù)推廣階段1.2.1國內(nèi)外近場輻射測量的理論研究情況半個世紀(jì)來,國內(nèi)外學(xué)者對近場輻射測量的研究概括如下幾個方面:(1近場測量理論基礎(chǔ)的

30、研究近場輻射理論基礎(chǔ)是基于電磁場唯一性定理和模式展開理論的基礎(chǔ)上建立起 來的 14。根據(jù)電磁場唯一性定理,如果知道一個閉合面上的切向電場和切向磁場, 就可以唯一確定次閉合面以外的輻射場。根據(jù)模式展開理論,可以將待測天線在 空間的場展開成平面波譜函數(shù) (或柱面波譜函數(shù),或球面波譜函數(shù) 之和,展開式中 的加權(quán)函數(shù)包含著場的完整信息 14。在天線測量中,可以根據(jù)測量的數(shù)據(jù)計算出 加權(quán)函數(shù),進(jìn)而可以確定空間電場的幅相分布等參數(shù),對平面、柱面、球面掃描 近場天線測量提供了理論基礎(chǔ)。(2測量誤差與補(bǔ)償技術(shù)的研究近場輻射測量的研究與誤差分析是同時進(jìn)行的,它是近場輻射測量的一個非 常重要的部分。在近場掃描的三

31、種掃描方式中,平面近場掃描技術(shù)是所有的近場第一章 緒論 5掃描技術(shù)中研究最早、應(yīng)用最廣,也是最成熟的一種技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者對平面近 場測量的誤差分析與探頭補(bǔ)償技術(shù)的研究也相對比較成熟。平面近場輻射測量的 主要誤差源可歸結(jié)為 18項,分為四個方面,測量系統(tǒng)誤差、探頭誤差、測量環(huán)境 誤差、和隨機(jī)誤差。在這 18項誤差源中,五項主要誤差源為探頭位置誤差、掃描 面截斷誤差、系統(tǒng)相位誤差、探頭非線性和多次耦合等,他們都屬于系統(tǒng)誤差范 疇 18。到目前為止,國外學(xué)者已經(jīng)對各主要誤差源引起的誤差進(jìn)行了理論的分析 和計算機(jī)模擬,并且得到了各誤差源所引起的誤差的上界。國內(nèi)學(xué)者對近場輻射 測量誤差分析和補(bǔ)償技術(shù)也作

32、了相當(dāng)多的研究,不過主要局限于平面近場測量的 誤差分析和補(bǔ)償技術(shù)的研究,和國外這方面相比還有一定的差距 20。(3天線口徑場的研究近場輻射測量不僅可以計算天線的遠(yuǎn)場方向圖,還可以計算天線的口徑場分 布。其基本的原理為通過測量天線的近場區(qū)某一平面的電磁場的幅相分布,再利 用相應(yīng)的變換算法求出天線的方向圖或者逆推出天線口徑場的幅相分布。一般把 通過近場到遠(yuǎn)場變換,利用近場測量數(shù)據(jù)獲得天線的遠(yuǎn)場方向圖,進(jìn)而達(dá)到測量 天線遠(yuǎn)場性能參數(shù)的目的的這種變換稱之為天線近場的“前向”變換;而對于通 過近場到口徑場變換算法獲得天線口徑場的幅相分布,進(jìn)而達(dá)到確定天線口徑場 的目的的這種變換稱之為天線近場的“后向”變

33、換 25。近場到口徑場變換算法的 基本思想為先通過對天線進(jìn)行近場掃描,獲得天線的近場測量數(shù)據(jù),再對其進(jìn)行 二維快速傅里葉變換得到天線近場的波數(shù)譜,最后通過二維快速傅里葉逆變換恢 復(fù)出天線的口徑場的幅相分布 26。由于采用了快速傅里葉變換 (FFT,所以變換速 度很快,因此具有很強(qiáng)的工程實用性,獲得了較為廣泛的應(yīng)用。1.2.2近場輻射測量需要解決的問題目前,雖然國內(nèi)外學(xué)者對近場輻射測量基本理論的研究已基本成熟,而且在 實際應(yīng)用中也取得了較多的研究成果,但對以下問題還需進(jìn)一步的研究:(1近場測量對天線口徑場測量的精度對常規(guī)陣列天線的口徑場的診斷,近場測量已經(jīng)有了相當(dāng)高的精度,而對于 超低副瓣天線的

34、幅相進(jìn)行實時檢測的大型陣列,近場測量的診斷精度還有待進(jìn)一 步的提高 21。(2待測天線與探頭之間多次反射耦合理論的研究現(xiàn)有的理論都是在忽略探頭與待測天線之間多次散射耦合條件下得出的,對 于常規(guī)天線的測量已經(jīng)能夠滿足要求的精度,但是對于低副瓣或者超低副瓣天線 來說,探頭與待測天線之間的多次散射耦合將嚴(yán)重影響近場測量的精度 21。 (3 目前近場測量的數(shù)據(jù)采集耗時較長,測量系統(tǒng)復(fù)雜,如何在保證精度的前6 基于平面波展開的毫米波輻射器口面場測量技術(shù)研究提下,提高近場數(shù)據(jù)的采樣速度,是一個值得研究的問題。1.3本論文的研究內(nèi)容本文對平面近場測量技術(shù)中一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,對平面波展開 的基本理

35、論、近場測量的方法和原理、掃描平面的參數(shù)選取、近場到口徑場變換 以及誤差分析與探頭補(bǔ)償技術(shù)等進(jìn)行了深入的研究。通過計算機(jī)仿真,對比直接 測量結(jié)果和采用近場到口徑場變換算法計算的結(jié)果,驗證近場到口徑場變換算法 的可行性和正確性。具體研究內(nèi)容安排如下:第一章為緒論部分,本文對毫米波輻射器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用、輻射器口徑場 的重要性以及近場測量的概念和優(yōu)點進(jìn)行了論述,接著對平面近場測量的國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀展開描述,闡述了平面近場測量技術(shù)的發(fā)展以及進(jìn)一步解決的問題,并 介紹了本文的研究內(nèi)容和主要工作。第二章詳細(xì)論述了平面近場輻射測量的基本理論,并對平面波展開法進(jìn)行系 統(tǒng)的公式推導(dǎo)與論證,進(jìn)而得到電場和平面波

36、譜函數(shù)之間的關(guān)系。接著本章簡要 地論述了采樣參數(shù)的選取準(zhǔn)則,即掃描平面與待測天線口徑面的距離的選擇,掃 描面尺寸的選擇,以及探頭采樣間隔的確定等。為了求解輻射器口徑場的分布, 必須將平面波展開算法進(jìn)行離散化處理,即將無限連續(xù)的二維傅里葉換轉(zhuǎn)換為有 限離散的二維傅里葉變換,進(jìn)而分解為兩步一維的傅里葉變換,從而可以應(yīng)用一 般的快速傅里葉變換的子程序求解輻射器口徑面的電場的幅相分布。第三章簡單介紹了輻射器、探頭和整個測量系統(tǒng)以及它們的幾何模型。由于 探頭實際上是一個小天線,具有尺寸大小和一定的方向性,對待測場有一定的程 度擾動。因此本章對探頭進(jìn)行補(bǔ)償與校正做了簡要的介紹,以此來對直接測量值 進(jìn)行修正

37、,獲取較為精確的輻射器口徑場的幅度和相位的測量值。接下來對通過 XFDTD 電磁仿真軟件建立平面近場測量系統(tǒng)模型做了詳細(xì)地介紹, 以及對平面近 場測量中的模型參數(shù)和吸收邊界進(jìn)行了設(shè)置。第四章通過 XFDTD 軟件獲得毫米波輻射器的平面近場和口徑場的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 以及將平面近場的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為近場到口徑場變換的測量數(shù)據(jù)代入近場到口徑場 變換算法中計算出輻射器口徑場的幅度和相位。 接著通過 XFDTD 軟件建立平面近 場測量系統(tǒng),直接測量輻射器口徑場的幅度和相位。然后以毫米波輻射器的口徑 場的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為參考,將采用近場到口徑場變換算法計算的口徑場值和直接測 量的口徑場值進(jìn)行比較,進(jìn)而對測量結(jié)果產(chǎn)生的

38、原因和系統(tǒng)中可能存在的誤差進(jìn) 行分析。最后為論文的結(jié)束部分,對本論文的內(nèi)容作了簡要的總結(jié),并對有待解決的 一些問題和研究方向提出簡單的設(shè)想。第二章 平面近場測量基本理論 7第二章 平面近場測量基本理論2.1引言輻射器空間的場分為三個區(qū)域,電抗近區(qū),輻射近區(qū)和輻射遠(yuǎn)區(qū) 10。如圖 2.1所示。近場測量是指在輻射器空間場大于電抗近場區(qū),小于輻射遠(yuǎn)場區(qū)的輻射近 場區(qū)域里測量出輻射器場的幅度和相位的分布,進(jìn)而計算出輻射器的相關(guān)信息和 參數(shù)。 2 2 10圖 2.1 輻射器輻射區(qū)域圖對于平面近場測量來說,是指通過用一個已知特性的探頭在靠近并包圍輻射 器的幾個波長的表面上掃描,采樣出探頭對輻射器的幅相數(shù)據(jù)

39、,再通過測量的數(shù) 據(jù)、掃描面的形狀和探頭的特性,采用某種算法或軟件計算出輻射器的相關(guān)信息 和參數(shù)。平面近場測量技術(shù)作為近場測量技術(shù)中研究最早、應(yīng)用最多的測量方法 已經(jīng)被廣泛用來測量輻射器的口徑場分布和遠(yuǎn)場輻射特性。在近場掃描的三種掃 描方式中,平面近場掃描技術(shù)是所有的近場掃描技術(shù)中最成熟的一種技術(shù) 29,它 特別適用于對筆狀天線的測量與調(diào)整。對于平面近場掃描方式,平面矩形柵格、 平面單極和平面雙極這三種來說,平面矩形柵格的應(yīng)用最為廣泛,本文采用的是 這種平面矩形柵格的方式來對輻射器的口徑平面進(jìn)行采樣。矩形柵格掃描是指探 頭在離開輻射器口徑幾個波長的平面上進(jìn)行垂直步進(jìn)、水平掃描或者水平步進(jìn)、 垂

40、直掃描。平面近場測量的基本思想是把輻射器在空間的場展開成平面波譜函數(shù) (或柱面波譜函數(shù),或球面波譜函數(shù) 之和,展開式中的平面波譜函數(shù)包含著電場的 完整信息,根據(jù)近場測量的數(shù)據(jù)計算出平面波譜函數(shù)。由于近場掃描面上的場所 對應(yīng)的電磁波是從輻射器口徑場傳播而來的,因此可以通過近場到口徑場變換得 到輻射器口徑場的幅相分布情況。由于運用了平面波展開技術(shù),所以此方法稱為 平面波展開法。8 基于平面波展開的毫米波輻射器口面場測量技術(shù)研究2.2平面波譜展開理論在電磁場的封閉傳輸波導(dǎo)系統(tǒng)中,任何電磁波都是可以由波導(dǎo)尺寸和結(jié)構(gòu)所 決定的各種模式按照一定的幅度和相位疊加而成。在開放系統(tǒng) (即自由空間 中,電 磁波也

41、應(yīng)該可以展開成各種模式按照一定的幅度和相位的疊加。然而,封閉系統(tǒng) 中的場的模式是離散的,需要求和得到總場,開放系統(tǒng)的模式則是連續(xù)的,利用 積分可以求得總場 30。因而只要知道輻射器的波譜分布,即各種模式的加權(quán)函數(shù) (即波譜函數(shù) ,利用近遠(yuǎn)場變換就可以確定天線的輻射方向圖,或者利用近場到口 徑場變換求得天線的口徑場的幅相分布。在開放系統(tǒng) (即自由空間 中,由于模式?jīng)] 有固定的形式,所以可以人為地規(guī)定,從而就有了平面波展開,柱面波展開和球 面波展開。在無源區(qū)域中,任何單頻電磁波都可以由沿不同方向傳播的一系列平面電磁 波疊加而成。只要知道了參與疊加的各個方向平面波的復(fù)振幅與傳播方向的關(guān)系, 就可以完

42、全確定場的特性。假設(shè)毫米波位于 0z 的區(qū)域,則 0z 為無源區(qū),如圖 2.2所示: 圖 2.2 毫米波輻射器位于 0z 區(qū)域 設(shè)無源區(qū)的電場為 (, , E x y z ,將 (, , E x y z 相對 x 和 y 取 Fourier 變換,記變換 的結(jié)果為 (, ; x y A k k z ,即( 21(, ; (, , 4x y j k x k y x y A k k z E x y z e dxdy(2-1 其逆變換為(, , (, ; x y jk x j k y x y x y E x y z A k k z e e dk dk(2-2 在線性、均勻、各向同性的無源媒質(zhì)中,對于

43、簡單變化的電磁場,滿足亥姆 霍茲 (Helmholtz方程220E k E (2-3 式中:第二章 平面近場測量基本理論 922k j (2-4這里 、 和 分別為媒質(zhì)的介電常數(shù),電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。將 (2-2代入 (2-3中可得22222( 0x y A k k k A z (2-5 可以解出 A 和 z 的關(guān)系為(, ; (, z jk z x y x y A k k z A k k e (2-6由于 2222( x y z k k k k k ,因此 k 的三個分量中只有兩個是獨立的。如果取 x k 、 y k 這兩個獨立變量,則有 222222x y z x y k k k k k k

44、k (2-7 將式 (2-6代入式 (2-2中有(, , (, jk r x y x y E x y z A k k e dk dk(2-8 這個公式就是平面波展開式, 式中 (, x y A k k 是平面波的平面波譜, 沿 k 方向傳 播的平面波的復(fù)振幅。 式 (2-8中, r 為觀察點 (, , x y z 的位置矢量, k 為傳播矢量,對于直角坐標(biāo)系 x y z k k x k y k z (2-9 如圖 2.3所示:k 的大小由 (2-4式確定,方向是 (2-8式所描述的傳播方向。 圖 2.3 用于計算的空間坐標(biāo)系由于 0z 為無源區(qū),所以在 0z 區(qū)域中電場 E 應(yīng)滿足:10 基于

45、平面波展開的毫米波輻射器口面場測量技術(shù)研究0E (2-10將 (2-8代入 (2-10中可得(, 0jk r x y A k k e (2-11即:(, 0x y A k k k (2-12由于 k 僅有兩個獨立分量 , x y k k ,當(dāng) , x y k k 給定以后, z k 可由 (2-7式得到,從而 就確定了 k 的值。由 (2-12式可以知道 (, x y A k k 與 k 正交,因此 A 也僅只有兩個獨立的分量,假設(shè) x A , y A 為獨立分量, z A 可由 x A , y A 確定:x x y yz z k A k A A k (2-13對于平面波,電場與磁場的關(guān)系為:

46、E j H (2-14將 (2-8代入 (2-14,可求出 z > 0區(qū)域天線產(chǎn)生的磁場(, , (, jk r x y x y k H x y z A k k e dk dk(2-15 式 (2-8和式 (2-15分別為天線產(chǎn)生的電場和磁場的平面波展開式。當(dāng) 222x y k k k 時, k 為實矢量, (, jk r x y A k k e 表示沿 k 方向傳播的均勻平面波。 當(dāng) 222x y k k k 時,此時 k 為復(fù)矢量,(, (, jk r jK R x y x y A k k e A k k e e (2-16 式中, x y K k x k y , R xx yy 。

47、 它表示沿 K 方向傳播、幅度沿 z 指數(shù)衰減的非均勻平面波。當(dāng) z 比較大時,該波衰減得基本上已經(jīng)消失了, 對計算貢獻(xiàn)很小, 因此本文只討論 222x y k k k 空間的波。 由上述可知,均勻無源區(qū)域中,空間任意一個點的電磁場 (, , E x y z , (, , H x y z 可以看作是沿不同方向傳播的均勻平面波和沿 z 方向指數(shù)衰減的非均勻平面波的 加權(quán)和。然而,在距離輻射器較遠(yuǎn)時,衰減模的貢獻(xiàn)基本上已經(jīng)不存在了。在平面近場測量中,輻射器一般放在 0z 的區(qū)域。如圖 (2.4所示,探頭是在 z d 的平面進(jìn)行掃描。下面模擬中,假設(shè)探頭是理想的,即探頭是無方向性的。第二章 平面近場

48、測量基本理論 11 圖 2.4 平面近場測量 (輻射器與探頭間的位置關(guān)系 假設(shè)在 z d (d 為常數(shù) 的平面上電場的橫向分量為(, , (, , t x y E xE x y d yE x y d(2-17 是能夠測量得到或者是已知的,則由 (2-8式有(, , (, x y z j k x k y jk d t t x y x y E x y d A k k e e dk dk(2-18式 (2-17中的 (, , x E x y d 和 (, , y E x y d 可表示為:(, , (, x y z j k x k y jk d x x x y x y E x y d A k k e

49、 e dk dk(2-19 (, , (, x y z j k x k y jk d y y x y x y E x y d A k k e e dk dk(2-20(, t x y A k k是 Z d 平面上橫向場 (, , t E x y d 的二維傅里葉變換,因此有(21(, (, , 4x y z j k x k y jk d t x y t A k k e E x y d e dxdy(2-21其中:(, (, (, t x y x x y y x y A k k xAk k yA k k(2-22 式中(21(, (, , 4x y z j k x k y jk d x x y x A k k e E x y d e dxdy(2-23 (21(,