天線(xiàn)測試方法介紹

關(guān)于近場(chǎng)和遠場(chǎng)

無(wú)線(xiàn)電波應該稱(chēng)作電磁波或者簡(jiǎn)稱(chēng)為EM波，因為無(wú)線(xiàn)電波包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)。來(lái)自發(fā)射器、經(jīng)由天線(xiàn)發(fā)出的信號會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)，天線(xiàn)是信號到自由空間的轉換器和接口。

因此，電磁場(chǎng)的特性變化取決于與天線(xiàn)的距離?？勺兊碾姶艌?chǎng)經(jīng)常劃分為兩部分——近場(chǎng)和遠場(chǎng)。要清楚了解二者的區別，就必須了解無(wú)線(xiàn)電波的傳播。

電磁波

圖 1

圖1展示了典型的半波偶極子天線(xiàn)是如何產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的。轉發(fā)后的信號被調制為正弦波，電壓呈極性變化，因此在天線(xiàn)的各元件間生成了電場(chǎng)，極性每半個(gè)周期變換一次。天線(xiàn)元件的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，方向每半個(gè)周期變換一次。電磁場(chǎng)互為直角正交。

（1）圍繞著(zhù)半波偶極子的電磁場(chǎng)包括一個(gè)電場(chǎng)(a)和一個(gè)磁場(chǎng)(b)。電磁場(chǎng)均為球形且互成直角。

天線(xiàn)旁邊的磁場(chǎng)呈球形或弧形，特別是距離天線(xiàn)近的磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)從天線(xiàn)向外發(fā)出，越向外越不明顯，特性也逐漸趨向平面。接收天線(xiàn)通常接收平面波。

雖然電磁場(chǎng)存在于天線(xiàn)周?chē)?，但他們?huì )向外擴張(圖2)，超出天線(xiàn)以外后，電磁場(chǎng)就會(huì )自動(dòng)脫離為能量包獨立傳播出去。實(shí)際上電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相產(chǎn)生，這樣的“獨立”波就是無(wú)線(xiàn)電波。

圖 2

（2）距離天線(xiàn)一定范圍內，電場(chǎng)和磁場(chǎng)基本為平面并以直角相交。注意傳播方向和電磁場(chǎng)均成直角。在(a)圖中，傳播方向和電磁場(chǎng)線(xiàn)方向成正交，即垂直紙面向內或向外。在(b)圖中，磁場(chǎng)線(xiàn)垂直紙面向外，如圖中圓圈所示。

近場(chǎng)

對近場(chǎng)似乎還沒(méi)有正式的定義，它取決于應用本身和天線(xiàn)。通常，近場(chǎng)是指從天線(xiàn)開(kāi)始到1個(gè)波長(cháng)(λ)的距離。波長(cháng)單位為米，公式如下：

λ= 300/fMHz

因此，從天線(xiàn)到近場(chǎng)的距離計算方法如下：

λ/2π = 0.159λ

圖3標出了輻射出的正弦波和近場(chǎng)、遠場(chǎng)。近場(chǎng)通常分為兩個(gè)區域，反應區和輻射區。在反應區里，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是最強的，并且可以單獨測量。根據天線(xiàn)的種類(lèi)，某一種場(chǎng)會(huì )成為主導。例如環(huán)形天線(xiàn)主要是磁場(chǎng)，環(huán)形天線(xiàn)就如同變壓器的初級，因為它產(chǎn)生的磁場(chǎng)很大。

圖 3

（3）近場(chǎng)和遠場(chǎng)的邊界、運行頻段的波長(cháng)如圖所示。天線(xiàn)應位于正弦波左側起始的位置。

輻射區內，電磁場(chǎng)開(kāi)始輻射，標志著(zhù)遠場(chǎng)的開(kāi)始。場(chǎng)的強度和天線(xiàn)的距離成反比(1/ r3)。

圖3所示的過(guò)渡區是指近場(chǎng)和遠場(chǎng)之間的部分(有些模型沒(méi)有定義過(guò)渡區)。圖中，遠場(chǎng)開(kāi)始于距離為2λ的地方。

遠場(chǎng)

和近場(chǎng)類(lèi)似，遠場(chǎng)的起始也沒(méi)有統一的定義。有認為是2 λ，有堅持說(shuō)是距離天線(xiàn)3 λ或10 λ以外。還有一種說(shuō)法是5λ/2π，另有人認為應該根據天線(xiàn)的最大尺寸D，距離為50D2/λ。

還有人認為近場(chǎng)遠場(chǎng)的交界始于2D2/λ。也有人說(shuō)遠場(chǎng)起始于近場(chǎng)消失的地方，就是前文提到的λ/2π。

遠場(chǎng)是真正的無(wú)線(xiàn)電波。它在大氣中以3億米/秒的速度，即接近18.64萬(wàn)英里/秒的速度傳播，相當于光速。電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相支持并互相產(chǎn)生，信號強度和距離平方成反比(1/r2)。麥克斯韋在其著(zhù)名的公式中描述了這一現象。

麥克斯韋方程組

19世紀70年代末，在無(wú)線(xiàn)電波發(fā)明之前，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋預測出了電磁波的存在。他綜合了安培、法拉第和歐姆等人的定律，制定了一套方程表達電磁場(chǎng)是如何相互產(chǎn)生和傳播的，并斷定電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相依存、互相支持。19世紀80年代末，德國物理學(xué)家海因里希?赫茲證明了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。

麥克斯韋創(chuàng )造了四個(gè)基本方程，表達電場(chǎng)、磁場(chǎng)和時(shí)間之間的關(guān)系。電場(chǎng)隨時(shí)間推移產(chǎn)生移動(dòng)電荷，也就是電流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。另一組方式是說(shuō)，變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。天線(xiàn)發(fā)出的電磁波在空間中自行傳播。本文沒(méi)有列出這些方程組，但你應該記得包含一些不同的方程。

應用

遠場(chǎng)在空間中傳播的強度變化由Friis公式?jīng)Q定：

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

公式中，Pr =接收功率；Pt =發(fā)射功率；Gr = 接收天線(xiàn)增益(功率比)；Gt =發(fā)射天線(xiàn)增益(功率比)；r=到天線(xiàn)的距離。公式在視線(xiàn)所及的無(wú)障礙開(kāi)闊空間中適用。

這里有兩個(gè)問(wèn)題需要討論。接收功率和距離r的平方成反比，和波長(cháng)的平方成正比，也就是說(shuō)，波長(cháng)較長(cháng)、頻率較低的電磁波傳的更遠。例如，同等的功率和天線(xiàn)增益下，900MHz的信號會(huì )比2.4GHz的信號傳播得更遠。這一公式也常常用它來(lái)分析現代無(wú)線(xiàn)應用的信號強度。

為了準確測量信號的傳播，還必須了解天線(xiàn)在遠場(chǎng)的輻射模式。在近場(chǎng)的反應區里，接收天線(xiàn)可能會(huì )和發(fā)射天線(xiàn)會(huì )由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯誤的結果。另一方面，如果有特定的測量?jì)x器，近場(chǎng)的輻射模式就可以準確測量。

近場(chǎng)在通信領(lǐng)域也很有用。近場(chǎng)模式可以用于射頻識別(RFID)和近場(chǎng)通信(NFC)。

RFID是條形碼的電子版，它是一個(gè)內部有芯片的很薄的標簽，其中芯片集成了存儲和特定的電子代碼，可以用作識別、最總或其他用途。標簽還包含一個(gè)被動(dòng)收發(fā)器，在接近“閱讀器”的時(shí)候，由閱讀器發(fā)出的很強的RF信號就會(huì )被標簽識別。閱讀器和標簽的天線(xiàn)都是環(huán)形天線(xiàn)，相當于變壓器的初級和次級。

由標簽識別的信號經(jīng)過(guò)整流濾波轉換成直流，為標簽存儲和轉發(fā)供能。發(fā)射器將代碼發(fā)送到閱讀器上，用于識別和處理。主動(dòng)標簽有時(shí)會(huì )用到電池，將感應距離延長(cháng)到近場(chǎng)以外的地方。RIFD標簽的頻率范圍各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。

在900MHz，波長(cháng)為：

λ= 300/fMHz

λ= 300/fMHz

λ= 300/900 = 0.333 meter or 33.33 cm

λ= 300/900 = 0.333 米或33.33 cm

因此根據近場(chǎng)距離計算公式：

λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 meter (about 2 inches)

λ/2π= 0.159λ= 0.159(0.333) = 0.053 米(約2英寸)

感應距離通常超過(guò)這一數字，所以這一頻率下距離實(shí)際上也延伸到了遠場(chǎng)。

NFC也采用了存儲和類(lèi)似于信用卡的特定代碼。電池驅動(dòng)的內部轉發(fā)器可以把代碼發(fā)射到閱讀器上。NFC也使用近場(chǎng)，范圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz，因此波長(cháng)為：

λ= 300/fMHz

300/13.56 = 22.1 meters or 72.6 feet

近場(chǎng)距離為不超過(guò)：

λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet

因為電量消耗低，實(shí)際的感應距離很少超過(guò)1英尺。

近場(chǎng)工作區反射電平測試原理及方法

近場(chǎng)工作區反射電平測試原理

采用自由空間電壓駐波比法測量近場(chǎng)工作區反射電平，測量原理是基于微波暗室中存在有直射信號和反射信號，微波暗室中空間任意一點(diǎn)的場(chǎng)強是直射信號和反射信號的矢量合，在空間形成駐波，駐波數值的大小就反映了微波暗室內反射電平的大小。

VSWR法測量原理圖

當接收天線(xiàn)主瓣對準發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，所接收到的信號為ED。移動(dòng)接收天線(xiàn)，則接收天線(xiàn)的直射信號ED與反射信號ER的相對相位將會(huì )改變，此時(shí)接收天線(xiàn)收到的信號幅度將產(chǎn)生波動(dòng)，如圖所示，這一波動(dòng)反映空間固有駐波，由此即可得到反射電平。

暗室空間駐波圖

將接收天線(xiàn)轉到比最大電平低a（dB）的方位角q時(shí)，則所接收的直射信號Eq=ED10a/20。當反射信號與直射信號同相時(shí)合成場(chǎng)最大，這時(shí)以b表示：

當反射信號與直射信號反相時(shí)合成場(chǎng)最小，這時(shí)以c表示：

則反射電平：

因此測出空間駐波曲線(xiàn)和接收天線(xiàn)方向圖，就可以計算出微波暗室反射電平。

測試方法

在近場(chǎng)工作區內針對主反射墻的吸波材料進(jìn)行特定頻段吸收特性的測試。

測試位置的選取

測試近場(chǎng)工作區反射電平時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)先置于暗室中心軸線(xiàn)上，接收天線(xiàn)置于正對被測墻壁的一個(gè)合理位置，并沿兩天線(xiàn)軸線(xiàn)移動(dòng)一段距離進(jìn)行反射電平的測試。測試位置如圖所示。

近場(chǎng)靜區測試位置示意圖(俯視圖)

近場(chǎng)靜區測試位置示意圖(側視圖)

測試設備連接示意圖

測試步驟

a）連接好測試系統，按圖2-5置發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)于測試位置Ⅰ；

b）設置信號源頻率為1GHz，輸出功率調至合適大小使發(fā)射天線(xiàn)輻射信號，接收天線(xiàn)在正對發(fā)射天線(xiàn)方向，沿待測行程線(xiàn)移動(dòng)，并記錄接收信號曲線(xiàn)，測試曲線(xiàn)作為這條行程線(xiàn)的參考電平線(xiàn)；

c）將接收天線(xiàn)方向朝向被測墻壁吸波材料方向，接收天線(xiàn)沿這條測量行程線(xiàn)移動(dòng)，并記錄空間駐波曲線(xiàn)；

d）改變天線(xiàn)極化方式，重復以上步驟a）～c）的測量；

e）分別在2GHz、5GHz、10GHz、18GHz、40GHz頻率點(diǎn)，重復步驟b）~d），直至完成所有頻率點(diǎn)測量；

f）改變發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)位置，如圖2-3所示，分別至位置Ⅱ、位置Ⅲ，重復上述步驟b）~e）的測量;

g）改變發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)高度，如圖2-4所示，分別至H2、H3，重復上述步驟b）~f）的測量。

數據處理

遠場(chǎng)靜區幅度均勻性測試方法

遠場(chǎng)靜區幅度均勻性是指發(fā)射天線(xiàn)保持不動(dòng)，接收天線(xiàn)在靜區內沿指定行程線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，接收信號幅度變化情況。

在進(jìn)行幅度均勻性測試時(shí)，接收天線(xiàn)沿圖所示的區域不同高度的行程線(xiàn)進(jìn)行橫向運動(dòng)，采集區域內各個(gè)位置的幅度數據，經(jīng)過(guò)數據篩選及處理后得到靜區內一個(gè)圓形平面的幅度均勻性測量結果。通過(guò)對靜區內多個(gè)平面進(jìn)行測量，得到整個(gè)靜區的幅度均勻性測試結果。

測試步驟

a）連接好測試系統，按圖3-2置發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)于測試位置Ⅰ；

b）設置信號源頻率為1GHz，輸出功率調至合適大小使發(fā)射天線(xiàn)輻射信號，接收天線(xiàn)在正對發(fā)射天線(xiàn)方向，沿待測行程線(xiàn)移動(dòng)，并記錄接收信號曲線(xiàn)；

c）改變測試行程線(xiàn)在一個(gè)測試面內的不同高度進(jìn)行測量；

d）改變天線(xiàn)極化方式，重復以上步驟a）～c）的測量；

e）分別在3GHz、5GHz、10GHz、18GHz頻率點(diǎn)，重復步驟b）~d），直至完成所有頻率點(diǎn)測量；

f）改變測試面，重復上述步驟b）~e）的測量;