CN112730996A - 一种天线和无源器件的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线和无源器件的测量方法，涉及通信测量技术领域，适用场景多，频率范围从100M到40GHz，操作便捷、成本低；该方法步骤包括：S1、将待测器件置于所述测试计量装置内，并将待测器件与接收功率测量仪器连接，用于测量接收功率；S2、将所述测试计量装置的馈入端与连续波馈入仪器连接，用于向所述测试计量装置内馈入所需的连续波；S3、启动接收功率测量仪器和连续波馈入仪器，开始测量；S4、根据馈入连续波的功率计算待测器件所处位置的电场强度；该变同轴结构包括同轴设置的内导体和外导体，以及设于两者之间的空气腔；待测器件设于空气腔内。本发明提供的技术方案适用于多种通信测量试验的过程中。

Description

一种天线和无源器件的测量方法

【技术领域】

本发明涉及通信测量技术领域，尤其涉及一种天线和无源器件的测量方法。

【背景技术】

随着通信技术的发展，通信系统使用的频率范围越来越宽，为天线和无源器件的测试提出了新的挑战，在与电磁场相关的各类测试方面，存在测试装置和测试方法通用性不强、针对不同的器件或者材料需要研制不同的测试装置等问题。对于天线的测试，传统上主要依赖于电波暗室，但是电波暗室占地面积大、价格昂贵并且操作复杂、测试效率不高。对于连接器和线缆组件等无源器件，屏蔽效能是其重要的性能指标，传统上采用同轴测试法、GTEM小室法、电波暗室照射法等，其中同轴测试法、GTEM小室法测试频率范围有限，而电波暗室照射法操作复杂、价格昂贵。

此外，火工品是一种装有火药或炸药，受外界刺激后产生燃烧或爆炸，以引燃火药、引爆炸药或做机械功的一次性使用的元器件和装置的总称。灼热桥丝式电火工品通过电阻丝的电热效应，引燃或引爆含能材料，广泛应用于武器弹药和爆破工程中，其发火可靠性要求高。火工品的发火可靠性是由产品的感度特性决定的。特别是在复杂电磁环境下测试其受扰失效的参数非常重要，但一直以来缺乏有效的测量方法。

因此，有必要研究一种同时适用于天线和无源器件的测量方法和装置来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种天线和无源器件的测量方法和装置，该装置适用场景多，频率覆盖范围能够从100MHz一直覆盖到40GHz，测试过程中不用更换天线，操作便捷、成本较低。

一方面，本发明提供一种天线和无源器件的测量方法，其特征在于，所述测量方法采用渐变同轴结构的测试计量装置来实现；

所述测量方法的步骤包括：

S1、将待测器件置于所述测试计量装置内，并将待测器件与接收功率测量仪器连接，用于测量接收功率；

S2、将所述测试计量装置的馈入端与连续波馈入仪器连接，用于向所述测试计量装置内馈入所需的连续波；

S3、启动接收功率测量仪器和连续波馈入仪器，开始测量；

S4、根据馈入连续波的功率计算待测器件所处位置的电场强度，或者采用电场探头直接测量该位置的电场强度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当待测器件为天线时，所述测量方法的步骤还包括：S5、根据S4中得到的电场强度和接收功率，计算出待测天线的增益。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S6、根据S4中得到的电场强度和接收功率，计算出待测天线的天线因子。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当待测器件为需测电磁屏蔽效能的无源器件时，所述测量方法的步骤还包括：根据S4中得到的电场强度和测量出的接收功率，计算出无源器件的电磁屏蔽效能。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述无源器件为同轴线缆时，同轴线缆的竖直段与所述测试计量装置的中心轴线平行。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当待测器件为火工品桥丝时，所述测量方法的内容包括：准备若干相同规格的待测桥丝，逐一进行S1-S4的步骤，直至得到待测桥丝致瞎临界时其所处位置的电场强度；

测量时，保证电磁波照射在当前待测桥丝上的时间达到预设长度。照射时间的具体长度根据待测桥丝的规格以及经验、历史数据来确定。

火工品桥丝为无源器件中的一种。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，测量过程中，第一根待测桥丝的连续波馈入参数根据经验数据确定；从第二根待测桥丝开始，均根据前面待测桥丝的致瞎情况以及连续波馈入参数，调整该待测桥丝的连续波馈入参数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述渐变同轴结构包括同轴设置的内导体和外导体，以及设于两者之间的空气腔；所述待测器件置于所述空气腔内；所述渐变同轴结构的一端作为馈入端，另一端设有用于吸波的装置；

所述内导体和所述外导体的横截面均具有渐变性质。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述渐变同轴结构为单尖端渐变同轴结构或双尖端渐变同轴结构；

所述单尖端渐变同轴结构的非尖一端设有吸波材料；所述吸波材料覆盖端部的整个底面；

所述双尖端渐变同轴结构包括两个所述单尖端渐变同轴结构，两个单尖端渐变同轴结构的内导体与内导体底面相连，外导体与外导体底面相连，两个空气腔相通；所述双尖端渐变同轴结构的一个尖端用作馈入端，另一个尖端设有用于吸波的负载。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双尖端渐变同轴结构中两个内导体和两个外导体的衔接方式相同，且为直接衔接或直线衔接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述渐变同轴结构的频率覆盖范围为100MHz-40GHz。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中电场强度的计算公式为：

式中，E为待测器件所处位置的电场强度，单位为V/m；η₀为真空波阻抗；P为端口馈入连续波的功率，单位为W；Z₀为输入阻抗；R为待测器件中心位置距离所述测试计量装置中心轴线的距离。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，待测天线增益的计算公式为：

式中，P_r为接收功率，G为待测天线的增益，λ是波长。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，无源器件电磁屏蔽效能的计算公式为：

式中，P_c为接收功率；P_a为参考功率；

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，天线因子的计算公式为：

式中，E为待测器件所处位置的电场强度；P_r为接收功率；Z_L为负载阻抗；AF为天线因子。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，判断桥丝是否被致瞎；若是，则更换下一个待测桥丝，且减少电磁场场强，重复试验；若未致瞎，则更换下一个待测桥丝，且增大电磁场强度，重复试验，直至求出满足精度要求的桥丝致瞎临界场强。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述渐变性质具体为横截面半径线性或非线性地变大或变小。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述外导体和所述内导体均为圆锥体，且两者锥度不同。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述直线衔接具体为：两个圆锥体底面通过圆柱体连接件进行连接。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明的装置通用于天线增益测量、无源器件电磁屏蔽能力测量、火工品桥丝性能测量(主要指致瞎临界场强的确定和测量)以及通信综合测试仪校准等试验，适用场景多，频率覆盖范围能够从100MHz一直覆盖到40GHz，测试过程中不用更换天线，操作便捷、成本较低。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的测量方法流程图；

图2是本发明一个实施例提供的单尖渐变同轴结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的单尖渐变同轴结构截面图；

图4是本发明一个实施例提供的双尖渐变同轴结构示意图；其中，图4(a)是直连双尖结构示意图，图4(b)是直线衔接双尖结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的天线测试配置示意图；

图6是本发明一个实施例提供的同轴线缆屏蔽效能测试配置示意图；

图7是本发明一个实施例提供的桥丝在电磁环境模拟装置中的示意图；

图8是本发明一个实施例提供的桥丝在直流等效测量装置中的示意图。

其中，图中：

1、内导体；2、外导体；3、空气腔；4、端口；5、吸波材料；6、负载。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本申请旨在提出一种新的天线和无源器件的测试方法和装置，能够通过一个通用的装置实现宽带天线增益测试、连接器及线缆的电磁屏蔽性能测试以及火工品桥丝的测试等，与传统方法相比，该装置频率覆盖范围能够从100MHz一直覆盖到40GHz，测试过程中不用更换天线，操作便捷、成本较低，是一种应用范围极其广泛的测试方法和装置。

天线和无源器件的测试装置是一种超宽带渐变同轴腔体，该腔体的结构可以是单尖渐变同轴结构或者双尖渐变同轴结构。如图2所示，该结构包含一个金属内导体1、一个金属外导体2以及空气腔3，空气腔3中盛满空气，起到绝缘层的效果；在该结构的非尖端设有吸波材料5，用来吸收多余的无用的电磁波，不使之反射。对于单尖渐变同轴结构，尖锐的一端是一个小的同轴结构(即图2中的端口4)，可以与通用的射频同轴连接器相连。从尖锐的一端向另一端延伸的过程中，内、外导体的横截面积逐渐变大，且该变化的比例可以是线性的也可以是非线性的，线性变化时，内导体1和外导体2均大体呈圆锥状。基于电磁波传输原理，内导体1和外导体2之间会产生并且传播横电磁波，电场方向为从内导体指向外导体的方向，如图3所示。当内外导体间存在横电磁波的空气腔足够大时，可以将待测天线、无源器件或者手机等终端置于空气腔中进行测试。

双锥结构示例如图4所示。对于双尖渐变同轴结构，其整体为两个圆锥体底面连接的结构，连接时可以是直接两底面连接，如图4(a)所示；也可以借助连接件进行连接(即两底面之间设置内空圆柱体，圆柱体的两个端面分别与两个圆锥体的底面连接)，如图4(b)所示的衔接结构，这种设计可以增大放置被测物的空间。两端锥尖的结构均可以与通用射频连接器相连，其中电磁波从一个锥尖处馈入，另一个锥尖处可以接同轴的负载6以吸收电磁波的能量不使之反射。中间为截面逐渐扩大的结构，扩大比例可以是线性的也可以是非线性的。

本申请的装置可以应用于多种场景进行天线、无源器件的测试计量，如图1所示，该测量方法具体内容包括：1.天线增益的测试方法，将待测天线置于渐变同轴结构的空气腔内，并将待测天线与接收功率测量仪器连接，用于测量接收功率；渐变同轴结构的端口与信号源或者功率放大器连接，用于馈入连续波；根据馈入连续波的功率计算待测天线所处位置的电场强度，然后基于该电场强度和测量出的接收功率，计算出待测天线的增益。2.无源器件电磁屏蔽效能的测试方法，将待测器件置于渐变同轴结构的空气腔内，保证空气腔内除待测器件外的部分用屏蔽材料包裹以防额外的泄漏影响，并将待测器件与接收功率测量仪器连接，用于测量接收功率；渐变同轴结构的端口与信号源或者功率放大器连接，用于馈入连续波；根据馈入连续波的功率计算待测器件所处位置的电场强度，然后基于该电场强度和测量出的接收功率，计算出待测器件的屏蔽效能。3.火工品桥丝致瞎临界场强的测量方法，向渐变同轴结构内发射特定频率、脉冲和场强的电磁波，并使用电磁场传感器监测被测桥丝所在处的电磁场强度；保持电磁波照射在桥丝上的时间达到预设长度；判断桥丝是否被致瞎；若是，则更换下一个待测桥丝，且减少电磁场场强，重复试验；若未致瞎，则更换下一个待测桥丝，且增大电磁场强度，重复试验，直至求出满足精度要求的桥丝致瞎临界场强。

各种测量方法的详细描述如下：

1、上述装置可以用于测量天线增益。如图5所示，为单锥结构进行天线增益测量图。测量天线增益的步骤包括：

步骤一)将待测天线放置在空气腔中的置物台上，天线极化方向需与装置的电场方向一致，将天线与频谱分析仪或测量接收机等接收仪器相连。在超宽带渐变同轴腔体的尖端端口4处连接信号源或者功率放大器，用于馈入连续波功率，端口4也为同轴结构。待测天线所处位置的电场强度可以通过公式(1)计算或者通过场强探头的测试获得。

式(1)中E为待测天线所处位置的电场强度，单位为V/m。η₀为真空波阻抗，值为120πOhm。P为端口馈入连续波的功率，单位为W；Z₀＝50Ohm，为输入阻抗；R为待测天线中心位置距离超宽带渐变同轴腔体的轴心的距离，即测量半径。

步骤二)频谱分析仪所测得的功率记为P_r，因此待测天线的增益可以由式(2)计算得到。

其中G为待测天线的增益，λ是波长。

此外，通过测量电场强度和接收功率，基于式(3)还可以得到天线因子。

式中电线端的输出电压为

负载阻抗为Z_L＝50Ohm。

2、前述装置可以用于测量无源器件的屏蔽效能，如连接器、同轴线缆等期间的屏蔽效能。如图6所示，为单锥结构测量无源器件屏蔽效能图。测量过程包括：

将被测线缆放置于超宽带渐变同轴腔中，竖直段需平行于装置的中轴线，则竖直段线缆位置沿线的电场强度可以认为是基本稳定的。使用信号源或者功率放大器向渐变同轴结构馈入连续波信号。基于(1)式计算被测线缆处的电场强度E，或者也可以使用电场探头测量待测线缆处的电场强度E，则场强E激励下的一个理想全向接收天线的接收功率是：

其中λ是该频率下电磁波的波长，显然P_a可以作为参考功率；然后将图6中接收机或者频谱仪在该频率测得的功率记为P_c，则相对参考功率同轴电缆的屏蔽效能可以用(5)式来计算：

通过改变超宽带渐变同轴腔内待测线缆的长度，可以测量得到不同长度待测线缆的屏蔽效能。需要注意的是：若待测物为同轴连接器，则需要将超宽带渐变同轴腔体内部的待测连接器两端线缆用金属管包裹起来，以防线缆的泄漏影响连接器的屏蔽效能测试结果。

3、前述装置还可以用于测量火工品桥丝：

测量桥丝在不同电磁场照射情况下的致瞎临界场强，使用渐变同轴结构或者双锥腔体模拟电磁环境，即在腔体中发射一定频率、脉冲、场强等参数的电磁波，使用电磁场传感器监测被测桥丝样品所处空间的场强。准备多个被测桥丝样品，逐个放入，每次只放入一个被测桥丝样品，使电磁波照射桥丝一段时间，如桥丝未被致瞎，则适当增大电磁场强度，否则就适当减少电磁场场强，减少和增加的比例可以参考之前历次测量的结果做内插预测，直至求出桥丝致瞎临界场强。

测量桥丝在不同电磁场环境下的等效感应电流，将桥丝放电磁环境模拟装置中，检测桥丝上产生的感应电流。电磁环境模拟装置可以是天线辐射，也可以是波导、横电磁波小室、渐变同轴结构等，该环境发射一定频率、脉冲、场强等预定参数的电磁波，桥丝的两根引脚会类似天线一样吸收能量，使桥丝上产生微波电流，该等效电流的测量方法是：第一步：如图7所示，在电磁波开启时，使用红外热像仪监测桥丝中心负载处的温度，温度稳定后将该温度记为TB1；第二步：保持外界环境相对第一步不变，关闭电磁环境模拟装置的电磁波，如图8为桥丝安装直流电路，包括直流电压源和电流计，在电压恒定情况下使用红外热像仪监测桥丝中心负载处的温度，温度稳定后将该温度记为TBt,如TBt小于TB1则增加电压再测量桥丝中心负载处的稳定后的温度，如TBt大于TB1则减小电压再测量桥丝中心负载处的稳定后的温度，直至TBt趋近于TB1，测量此时电流计的直流电流IE，即是第一步所述电磁环境的等效感应直流电流，使用该直流电流IE，可以和桥丝的直流感度试验结果对照，判断该电磁环境是否会造成该桥丝致瞎。

实施例1：

按照前述天线增益的测量方法对宽带小天线的增益进行了测试。将待测天线放置在空气腔中的置物台上，天线极化方向与装置的电场方向一致，将天线与频谱分析仪相连。在超宽带渐变同轴腔体的尖端端口处连接信号源，馈入连续波功率。待测天线所处位置的电场强度E通过场强探头的测试获得。

通过频谱分析仪测得天线的接收功率，然后可以通过公式(2)、(3)求出天线的增益和天线因子。其测试结果如表1所示。

表1天线增益和天线因子测试结果

实施例2：

按照前述无源器件屏蔽效能的测试方法对同轴线缆的屏蔽效能进行了测试。将被测线缆放置于超宽带渐变同轴腔中，竖直段平行于装置的中轴线。使用信号源向渐变同轴结构馈入连续波信号，使用电场探头测量待测线缆处的电场强度E，则基于公式可以得到场强E激励下的一个理想全向接收天线的接收功率P_a。然后将频谱仪在该频率测得的功率记为P_c，则可以得到相对参考功率同轴电缆的屏蔽效能。测量结果如表2所示。

表2同轴线缆屏蔽效能测试结果

以上对本申请实施例所提供的一种天线和无源器件的测量方法和装置，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种天线和无源器件的测量方法，其特征在于，所述测量方法采用渐变同轴结构的测试计量装置来实现；

所述测量方法的步骤包括：

S1、将待测器件置于所述测试计量装置内，并将待测器件与接收功率测量仪器连接，用于测量接收功率；

S2、将所述测试计量装置的馈入端与连续波馈入仪器连接，用于向所述测试计量装置内馈入所需的连续波；

S3、启动接收功率测量仪器和连续波馈入仪器，开始测量；

S4、根据馈入连续波的功率计算待测器件所处位置的电场强度，或者采用电场探头直接测量该位置的电场强度。

2.据权利要求1述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，当待测器件为天线时，所述测量方法的步骤还包括：

S5、根据S4中得到的电场强度和接收功率，计算出待测天线的增益。

3.根据权利要求1所述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，S6、根据S4中得到的电场强度和接收功率，计算出待测天线的天线因子。

4.据权利要求1述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，当待测器件为需测电磁屏蔽效能的无源器件时，所述测量方法的步骤还包括：

根据S4中得到的电场强度和测量出的接收功率，计算出无源器件的电磁屏蔽效能。

5.根据权利要求4所述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，所述无源器件为同轴线缆时，同轴线缆的竖直段与所述测试计量装置的中心轴线平行。

6.根据权利要求1所述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，当待测器件为火工品桥丝时，所述测量方法的内容包括：准备若干相同规格的待测桥丝，逐一进行S1-S4的步骤，直至得到待测桥丝致瞎临界时其所处位置的电场强度；

测量时，保证电磁波照射在当前待测桥丝上的时间达到预设长度。

7.根据权利要求6所述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，测量过程中，第一根待测桥丝的连续波馈入参数根据经验数据确定；从第二根待测桥丝开始，均根据前面待测桥丝的致瞎情况以及连续波馈入参数，调整该待测桥丝的连续波馈入参数。

8.根据权利要求1所述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，所述渐变同轴结构包括同轴设置的内导体和外导体，以及设于两者之间的空气腔；所述待测器件置于所述空气腔内；所述渐变同轴结构的一端作为馈入端，另一端设有用于吸波的装置；

所述内导体和所述外导体的横截面均具有渐变性质。

9.根据权利要求8所述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，

所述渐变同轴结构为单尖端渐变同轴结构或双尖端渐变同轴结构；

所述单尖端渐变同轴结构的非尖一端设有吸波材料；所述吸波材料覆盖端部的整个底面；

所述双尖端渐变同轴结构包括两个所述单尖端渐变同轴结构，两个单尖端渐变同轴结构的内导体与内导体底面相连，外导体与外导体底面相连，两个空气腔相通；所述双尖端渐变同轴结构的一个尖端用作馈入端，另一个尖端设有用于吸波的负载。

10.根据权利要求8所述的天线和无源器件的测量方法，其特征在于，所述渐变同轴结构的频率覆盖范围为100MHz-40GHz。

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