從準遠場(chǎng)距離獲得計算遠場(chǎng)方向圖的設計方法詳解

　　一、研究背景

　　在微波暗室內對基站天線(xiàn)進(jìn)行測試是一種常用的方法。由于暗室尺寸的限制，對增益較高的天線(xiàn)，往往不能滿(mǎn)足遠場(chǎng)測試條件。在這種情況下測試結果與遠場(chǎng)情況下的測試結果有較大差異。本報告給出了一種由準遠場(chǎng)距離上測得的方向圖計算遠場(chǎng)方向圖的方法。

　　二、修正算法的基本原理

　　如圖1所示的AUT為基站天線(xiàn)，天線(xiàn)沿著(zhù)y軸方向的尺寸較小，容易滿(mǎn)足遠場(chǎng)條件，而x方向的尺寸較大，不滿(mǎn)足遠場(chǎng)條件。針對這類(lèi)天線(xiàn)的方向圖，可以采用該方法進(jìn)行修正。

　　圖1 天線(xiàn)坐標系

　　以oy為軸作一個(gè)能完全包圍待測天線(xiàn)的最小柱面，設該柱面的半徑為rmin。在該柱面之外，天線(xiàn)產(chǎn)生的電場(chǎng)可表示成矢量波函數的加權和，即

　　（1）

　　令場(chǎng)點(diǎn)位于xoz平面（即y=0），且ρ較大時(shí)，式（1）可以表示為

　　（2）

　　其中：Nm=krmin+10

　　由于場(chǎng)點(diǎn)（ρ，φ，0）已經(jīng)處于天線(xiàn)的準遠區，且ρ相對于天線(xiàn)的垂直尺寸（y軸方向）已經(jīng)很大了，對上式中的積分可以采用一維駐相法進(jìn)行計算，并考慮到，從而有

　　（3）

　　對于任意的線(xiàn)極化電場(chǎng)分量均可以表示為

　　 （4）

　　如果在ρ=ρo處測得電場(chǎng)為Em，則有

　　 （5）

　　可以求出

　　 （6）

　　將Cn代入公式（5），命ρ→∞，則得到天線(xiàn)遠場(chǎng)為

　　（7）

　　其中，C為與角度無(wú)關(guān)的常數，可以略去。天線(xiàn)的遠場(chǎng)方向圖為

　　 （8）

　　基于以上關(guān)系式，容易得到遠場(chǎng)條件下天線(xiàn)增益與準遠場(chǎng)條件下增益的差值為

　　三、數值仿真驗證

　　為了驗證該算法的正確性，進(jìn)行數值仿真驗證。選取一個(gè)工作頻率為900MHz，口徑為2.6m的陣列天線(xiàn)進(jìn)行數值仿真分析，準遠場(chǎng)測試距離為29m（該測試距離不滿(mǎn)足遠場(chǎng)條件）。數值仿真流程和數值仿真結果圖3所示。

　　圖3 數值仿真結果

　　由圖3可知，測試結果（Measured Pattern）與理論結果（Theoretic Pattern）差別較大，修正后的結果（Corected Pattern）與理論結果（Theoretic Pattern）吻合很好。

　　四、實(shí)驗驗證

　　為了驗證以上算法的正確性，對給定的天線(xiàn)分別按如下兩種方法測試：準遠場(chǎng)測試和球面近場(chǎng)測試。通過(guò)修正算法對準遠場(chǎng)測試結果進(jìn)行修正，并將修正得到的遠場(chǎng)方向圖與球面近場(chǎng)得到的方向圖進(jìn)行對比，結果如圖4所示。

　　圖4 實(shí)驗結果與修正結果

　　圖4可知，準遠場(chǎng)測試結果（Comba Finite Field）與球面近場(chǎng)測試結果（Comba SG128）有較大差距，修正結果（Corrected Far Field）與球面近場(chǎng)測試結果（Comba SG128）吻合良好。

　　五、結論

　　經(jīng)過(guò)數值仿真分析和實(shí)驗測試證明了上述算法的可行性與準確性。