天線(xiàn)近場(chǎng)測量技術(shù)探討補腦

天線(xiàn)特性參數的測量有多種方法，目前，主要的方法包括三大類(lèi)：天線(xiàn)的遠場(chǎng)測量、天線(xiàn)的緊縮場(chǎng)測量、天線(xiàn)的近場(chǎng)測量。其中，因天線(xiàn)特性主要是定義在天線(xiàn)的遠場(chǎng)區故遠場(chǎng)測量更為直接準確，而緊縮場(chǎng)測量天線(xiàn)主要是拉近遠場(chǎng)所需遠場(chǎng)條件：d≥2D2/λ，其通常采用一個(gè)拋物面金屬反射板，將饋源發(fā)送的球面波經(jīng)反射面反射形成平面波，在一定遠距離處形成一個(gè)良好的靜區。將天線(xiàn)安置在靜區內，測量天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性，其類(lèi)似于遠場(chǎng)測量，只是縮短測量距離，便于在理想遠場(chǎng)環(huán)境（暗室）下進(jìn)行測量。

比較而言，天線(xiàn)近場(chǎng)測量技術(shù)應用更為廣泛，其對設備要求低，不需要造價(jià)昂貴的暗室環(huán)境，也不需要遠場(chǎng)測量下，對射頻系統的較高的要求。

傳 統的遠場(chǎng)測量由于受地面反射波的影響，難以達到這么高的測量精度。另外，遠場(chǎng)測量還受周?chē)姶鸥蓴_、氣候條件、有限測試距離、環(huán)境污染和物體的雜亂反射等 因素的影響，已經(jīng)越來(lái)越難以適應現代衛星天線(xiàn)的測量要求。新一代的天線(xiàn)測量技術(shù)是以近場(chǎng)測量和緊縮場(chǎng)測量為代表的。近場(chǎng)測量技術(shù)利用探頭在天線(xiàn)口面上做掃 描運動(dòng)，測量口面上的幅度和相位，然后把近場(chǎng)數據轉換成遠場(chǎng)。由于近場(chǎng)測量只需測量天線(xiàn)口面上的場(chǎng)，就可避免遠場(chǎng)測量的諸多缺點(diǎn)，而成為獨立的一門(mén)測量技 術(shù)。

近場(chǎng)測量技術(shù)主要是指頻譜近場(chǎng)測量技術(shù)，通過(guò)研究被測信號的頻譜結構進(jìn)行頻譜分析，從而得到近場(chǎng)天線(xiàn)的各項參數。與遠場(chǎng)測量不同的是，其通過(guò)采集天線(xiàn)近場(chǎng)區域輻射場(chǎng)的數據，經(jīng)近場(chǎng)——遠場(chǎng)變換，由計算機得到天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性。只要保證一定的幅度和相位測量精度，即可較為準確的得到遠場(chǎng)特性。

頻域近場(chǎng)測量中，信號源發(fā)射連續信號，適用于頻域平面波譜分析，在時(shí)域近場(chǎng)測量技術(shù)中，信號源發(fā)射的是脈沖信號，用時(shí)域平面波譜分析比較合適。

1994 來(lái)，美國的Rome實(shí)驗室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Yanghjian提出了時(shí)域平面近場(chǎng)測試方法，并推導出時(shí)域內的格林函數表達式和平面波普表達式，同時(shí)分析了探頭誤差分析與修正公式。國內在此領(lǐng)域 研究比較少，北京理工大學(xué)搭建了國內第一個(gè)時(shí)域近場(chǎng)測試系統。

天線(xiàn)的測量經(jīng)歷了一個(gè)從遠場(chǎng)測量到近場(chǎng)測量的發(fā)展過(guò)程。遠場(chǎng)測量是直接在天線(xiàn)的近場(chǎng)區對天線(xiàn)的電磁場(chǎng)進(jìn)行測量，所以測量場(chǎng)地和周?chē)秶姶怒h(huán)境對測量精度影響比較大，對某些天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，要求測量距離要遠大于2D2，其中D為被測天線(xiàn)的口徑尺寸，λ為工作波長(cháng)，而且對測量場(chǎng)地的反射電平、多路徑和電磁環(huán)境干擾的抑制都提出了很高的要求，這些要求在遠場(chǎng)條件下往往很難滿(mǎn)足。隨著(zhù)測量設備和計算手段的不斷進(jìn)步，天線(xiàn)的電氣特性可以在微波暗室內通過(guò)近場(chǎng)測量更方便、更精確的測得。

近 場(chǎng)測量是在天線(xiàn)近區范圍內，求得天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性。由于其不受遠場(chǎng)測試中的距離效應和外界環(huán)境的影響，故具有測試精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列 優(yōu)點(diǎn)，并且能很好的模擬和控制各種電磁環(huán)境，并通過(guò)合適的軟件有效的補償各種測量誤差，其測量精度甚至優(yōu)于遠場(chǎng)測量，從而得到越來(lái)越多的應用，一直是人們 研究的重點(diǎn)課題，也是當前高性能天線(xiàn)測量的主要方法之一。

早在20世紀50年代，國外已經(jīng)開(kāi)始了天線(xiàn)近場(chǎng)測 量的研究。國內的近場(chǎng)測量的理論研究及實(shí)驗探索開(kāi)始于20世紀80年代，西安電子科技大學(xué)在1987年成功 研制了我國第一套天線(xiàn)近場(chǎng)測量系統。矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀作為天線(xiàn)近場(chǎng)測量系統的核心設備以及射頻和微波產(chǎn)品性能的主要測試儀器，多年來(lái)在精度、速度、動(dòng) 態(tài)范圍和操作界面等方面都有較大的改進(jìn)，對天線(xiàn)近場(chǎng)測量系統的性能優(yōu)化起了很大的推動(dòng)作用。

1 天線(xiàn)近場(chǎng)掃描法測量系統

近場(chǎng)測量方法包括：場(chǎng)源分布法、近場(chǎng)掃描法、縮距法、聚焦法和外推法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適應范圍。本文主要討論近場(chǎng)掃描法來(lái)測量天線(xiàn)各項特性。

近 場(chǎng)掃描法是用一個(gè)特性已知的探頭，在離開(kāi)待測天線(xiàn)幾個(gè)波長(cháng)的某一表面進(jìn)行掃描，測量天線(xiàn)在該表面離散點(diǎn)上的幅度和相位分布，然后應用嚴格的模式展開(kāi)理論， 確定天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性。測量面可以是平面、柱面或球面，相應的近場(chǎng)掃描法稱(chēng)為平面、柱面或球面近場(chǎng)測量。從上世紀80 年代初，我們開(kāi)始了對近場(chǎng)測量技術(shù)的研究，于1987年研制出了我國第一套近場(chǎng)測量系統。此后一直從事天線(xiàn)近場(chǎng)測量技術(shù)方面的研究及推廣。

任何近場(chǎng)測量方法，都需在指定的曲面上規則地采集幅度和相位數據。給定曲面幾何形狀，數據和參考天線(xiàn)（探頭）的特性，通過(guò)測量天線(xiàn)的近場(chǎng)特性，經(jīng)近場(chǎng)-遠場(chǎng)變換，由計算機處理、確定待測天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性。

最常用的掃描技術(shù)包括：平面近場(chǎng)（PNF），柱面近場(chǎng)（CNF）和球面近場(chǎng)（SNF）。每一種都需將平動(dòng)與轉動(dòng)組合實(shí)現在理想曲面上的掃描。

近 場(chǎng)掃描法測量系統主要由射頻子系統，掃描子系統，數據采集處理系統等組成。最簡(jiǎn)單的射頻子系統包含能夠向AUT提供射頻功率的某種類(lèi)型的信號源以及能夠檢 測探頭接收信號的接收機。在數據采集系統中，幅度和相位數據在測量表面的已知位置（如文中的網(wǎng)格點(diǎn)處）采集，通過(guò)掃描探頭對特定位置處場(chǎng)值的記錄，計算機 存儲生成所測得的數據，再由計算機通過(guò)傅里葉變換實(shí)現近場(chǎng)遠場(chǎng)數據轉換，從而得到天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性，再可由matlab軟件繪出相應遠場(chǎng)的幅值和相位隨位置 的變化的波形圖。整個(gè)系統的轉臺及定位均有數據采集與控制系統（DCCS）監視并控制，因而，需由電腦全自動(dòng)控制，這樣既保證轉臺轉角的精度，各背景的恒 定，以盡可能減小外界額外環(huán)境的干擾，提高測量準確度。此外，由于對天線(xiàn)近場(chǎng)的測量點(diǎn)非常多以及每次參量的變化對背景的重新測量，得到的數據量極大，計算 機發(fā)送接收這些數據

2 天線(xiàn)近場(chǎng)測量機械掃描子系統

任何近場(chǎng)測量理論中，幅度和相位數據是在某些特殊面上按規律的方式獲 取。給定面的幾何形狀，數據和參考天線(xiàn)（探頭）的特性，優(yōu)先選用一種高效的變換來(lái)確定待測天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性。最常用的掃描技術(shù)有平面近場(chǎng)（PNF），圓柱面 近場(chǎng)（CNF）和球面近場(chǎng)（SNF）。每一種都需要將平移與轉動(dòng)相結合完成理想面上的掃描。

3.1 PNF近場(chǎng)掃描

PNF掃描要求較小的暗室環(huán)境，校準技術(shù)和相當簡(jiǎn)單的數理分析。該技術(shù)最適合于像碟狀或相位陣列這樣的高度定向天線(xiàn)，這類(lèi)天線(xiàn)幾乎所有的接收和發(fā)射的能量都會(huì )通過(guò)平面掃描區域。

矩形掃描是一種常用的PNF技術(shù)，如圖1所示，掃描的數據是在網(wǎng)格上特定的x，y點(diǎn)處收集得到。探頭放置在沿y軸的直線(xiàn)滑軌上。y軸滑軌安放在沿x軸向的第二個(gè)滑軌上。

圖1 PNF近場(chǎng)掃描

平面近場(chǎng)掃描儀由一對正交安裝的導軌組成，其中豎直安裝的導軌在水平安裝導軌上面，探頭安裝于豎直導軌上掃描整個(gè)平面。掃描平面一般與待測天線(xiàn)的口面平行。掃描架需調整至x軸和y軸垂直。

采樣是測量數據中兩相鄰數據所需的最短周期。在x和y方向小于λ/2的步進(jìn)間隔一般都能滿(mǎn)足采樣準則。

當 然，理論上假定無(wú)限大的掃描平面在實(shí)際應用當中很顯然極不現實(shí)。為了確定掃描區域是否足夠大，通常是將某掃描區域邊緣之外的數據設置為零，并觀(guān)察計算出的 遠場(chǎng)變化多大。當遠場(chǎng)變化比較明顯時(shí)，說(shuō)明掃描區域內測得的數據量過(guò)少，應適當的增加掃描點(diǎn)數，從而保證經(jīng)變化得到的遠場(chǎng)近似于待測天線(xiàn)的遠場(chǎng)。減小由邊 界截斷帶來(lái)的測量誤差。

PNF還需考慮各種校正處理，如：電纜抖動(dòng)、探頭位置、阻抗失配、熱漂移校準等。這些校正理論的發(fā)展很大程度上提高了近場(chǎng)掃描的測量精度，促進(jìn)了近場(chǎng)掃描在實(shí)際中的應用。

3.2 CNF近場(chǎng)掃描

典 型的柱面近場(chǎng)掃描設備是將待測天線(xiàn)安裝于轉臺之上，掃描探頭沿平行于轉臺轉軸的直線(xiàn)方向上移動(dòng)。通過(guò)合理地配置這些運動(dòng)，準確的定位需要測量的網(wǎng)格點(diǎn)位 置，保證探頭能夠在柱面特定的網(wǎng)格點(diǎn)處獲取近場(chǎng)振幅和相位數據。同樣通過(guò)計算機對數據經(jīng)近場(chǎng)遠場(chǎng)變換處理，來(lái)得到天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性。同平面掃描相比，柱面掃 描對轉臺控制更為復雜，即對機械系統提出了更高的要求。由于其是對待測天線(xiàn)周?chē)婵臻g的場(chǎng)進(jìn)行測量，那么，對于波束俯仰角較小而方位角范圍較廣的天線(xiàn)， 這種測量的結果相對于平面掃描信息量更大，誤差更小，對天線(xiàn)特性的反映更為準確。

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