天線近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)探討

1 引言

天線特性參數(shù)的測(cè)量有多種方法，目前，主要的方法包括三大類：天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量、天線的緊縮場(chǎng)測(cè)量、天線的近場(chǎng)測(cè)量。其中，因天線特性主要是定義在天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)故遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量更為直接準(zhǔn)確，而緊縮場(chǎng)測(cè)量天線主要是拉近遠(yuǎn)場(chǎng)所需遠(yuǎn)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(yuǎn)距離處形成一個(gè)良好的靜區(qū)。將天線安置在靜區(qū)內(nèi)，測(cè)量天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性，其類似于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，只是縮短測(cè)量距離，便于在理想遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境(暗室)下進(jìn)行測(cè)量。

比較而言，天線近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，其對(duì)設(shè)備要求低，不需要造價(jià)昂貴的暗室環(huán)境，也不需要遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量下，對(duì)射頻系統(tǒng)的較高的要求。

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量由于受地面反射波的影響，難以達(dá)到這么高的測(cè)量精度。另外，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量還受周圍電磁干擾、氣候條件、有限測(cè)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(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星天線的測(cè)量要求。新一代的天線測(cè)量技術(shù)是以近場(chǎng)測(cè)量和緊縮場(chǎng)測(cè)量為代表的。近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)利用探頭在天線口面上做掃描運(yùn)動(dòng)，測(cè)量口面上的幅度和相位，然后把近場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)。由于近場(chǎng)測(cè)量只需測(cè)量天線口面上的場(chǎng)，就可避免遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的諸多缺點(diǎn)，而成為獨(dú)立的一門測(cè)量技術(shù)。

近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)主要是指頻譜近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，通過研究被測(cè)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻譜分析，從而得到近場(chǎng)天線的各項(xiàng)參數(shù)。與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量不同的是，其通過采集天線近場(chǎng)區(qū)域輻射場(chǎng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)近場(chǎng)——遠(yuǎn)場(chǎng)變換，由計(jì)算機(jī)得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。只要保證一定的幅度和相位測(cè)量精度，即可較為準(zhǔn)確的得到遠(yuǎn)場(chǎng)特性。

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

1994來(lái)，美國(guó)的Rome實(shí)驗(yàn)室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Yanghjian提出了時(shí)域平面近場(chǎng)測(cè)試方法，并推導(dǎo)出時(shí)域內(nèi)的格林函數(shù)表達(dá)式和平面波普表達(dá)式，同時(shí)分析了探頭誤差分析與修正公式。國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域研究比較少，北京理工大學(xué)搭建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)時(shí)域近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)[1]。

天線的測(cè)量經(jīng)歷了一個(gè)從遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量到近場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展過程。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量是直接在天線的近場(chǎng)區(qū)對(duì)天線的電磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，所以測(cè)量場(chǎng)地和周圍范圍電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量精度影響比較大，對(duì)某些天線來(lái)說，要求測(cè)量距離要遠(yuǎn)大于2D2，其中D為被測(cè)天線的口徑尺寸，λ為工作波長(zhǎng)，而且對(duì)測(cè)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(yuǎn)場(chǎng)條件下往往很難滿足。隨著測(cè)量設(shè)備和計(jì)算手段的不斷進(jìn)步，天線的電氣特性可以在微波暗室內(nèi)通過近場(chǎng)測(cè)量更方便、更精確的測(cè)得。

近場(chǎng)測(cè)量是在天線近區(qū)范圍內(nèi)，求得天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。由于其不受遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中的距離效應(yīng)和外界環(huán)境的影響，故具有測(cè)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，并通過合適的軟件有效的補(bǔ)償各種測(cè)量誤差，其測(cè)量精度甚至優(yōu)于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，從而得到越來(lái)越多的應(yīng)用，一直是人們研究的重點(diǎn)課題，也是當(dāng)前高性能天線測(cè)量的主要方法之一。

天線近場(chǎng)測(cè)量經(jīng)歷的階段：

時(shí)間 研究?jī)?nèi)容

1950~1961年 無(wú)探頭修正探索階段

1961~1965年 探頭修正理論研究階段

1965~1975年 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探頭修正理論階段

1975~至今 推廣應(yīng)用階段

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外已經(jīng)開始了天線近場(chǎng)測(cè)量的研究。國(guó)內(nèi)的近場(chǎng)測(cè)量的理論研究及實(shí)驗(yàn)探索開始于20世紀(jì)80年代，西安電子科技大學(xué)在1987年成功研制了我國(guó)第一套天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)[3]。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的核心設(shè)備以及射頻和微波產(chǎn)品性能的主要測(cè)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(duì)天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的性能優(yōu)化起了很大的推動(dòng)作用。

1 天線近場(chǎng)掃描法測(cè)量系統(tǒng)

近場(chǎng)測(cè)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(yīng)范圍。本文主要討論近場(chǎng)掃描法來(lái)測(cè)量天線各項(xiàng)特性。

近場(chǎng)掃描法是用一個(gè)特性已知的探頭，在離開待測(cè)天線幾個(gè)波長(zhǎng)的某一表面進(jìn)行掃描，測(cè)量天線在該表面離散點(diǎn)上的幅度和相位分布，然后應(yīng)用嚴(yán)格的模式展開理論，確定天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。測(cè)量面可以是平面、柱面或球面，相應(yīng)的近場(chǎng)掃描法稱為平面、柱面或球面近場(chǎng)測(cè)量。從上世紀(jì)80 年代初，我們開始了對(duì)近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的研究，于1987年研制出了我國(guó)第一套近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。此后一直從事天線近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)方面的研究及推廣。

任何近場(chǎng)測(cè)量方法，都需在指定的曲面上規(guī)則地采集幅度和相位數(shù)據(jù)。給定曲面幾何形狀，數(shù)據(jù)和參考天線(探頭)的特性，通過測(cè)量天線的近場(chǎng)特性，經(jīng)近場(chǎng)-遠(yuǎn)場(chǎng)變換，由計(jì)算機(jī)處理、確定待測(cè)天線的遠(yuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)在理想曲面上的掃描。

近場(chǎng)掃描法測(cè)量系統(tǒng)主要由射頻子系統(tǒng)，掃描子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。最簡(jiǎn)單的射頻子系統(tǒng)包含能夠向AUT提供射頻功率的某種類型的信號(hào)源以及能夠檢測(cè)探頭接收信號(hào)的接收機(jī)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，幅度和相位數(shù)據(jù)在測(cè)量表面的已知位置(如文中的網(wǎng)格點(diǎn)處)采集，通過掃描探頭對(duì)特定位置處場(chǎng)值的記錄，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)生成所測(cè)得的數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)通過傅里葉變換實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性，再可由matlab軟件繪出相應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)的幅值和相位隨位置的變化的波形圖。整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)及定位均有數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(DCCS)監(jiān)視并控制，因而，需由電腦全自動(dòng)控制，這樣既保證轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)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(cè)量準(zhǔn)確度。此外，由于對(duì)天線近場(chǎng)的測(cè)量點(diǎn)非常多以及每次參量的變化對(duì)背景的重新測(cè)量，得到的數(shù)據(jù)量極大，計(jì)算機(jī)發(fā)送接收這些數(shù)據(jù)

2 天線近場(chǎng)測(cè)量機(jī)械掃描子系統(tǒng)

任何近場(chǎng)測(cè)量理論中，幅度和相位數(shù)據(jù)是在某些特殊面上按規(guī)律的方式獲取。給定面的幾何形狀，數(shù)據(jù)和參考天線(探頭)的特性，優(yōu)先選用一種高效的變換來(lái)確定待測(cè)天線的遠(yuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)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(zhǔn)技術(shù)和相當(dāng)簡(jiǎn)單的數(shù)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，這類天線幾乎所有的接收和發(fā)射的能量都會(huì)通過平面掃描區(qū)域。

矩形掃描是一種常用的PNF技術(shù)，如圖1所示，掃描的數(shù)據(jù)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(duì)正交安裝的導(dǎo)軌組成，其中豎直安裝的導(dǎo)軌在水平安裝導(dǎo)軌上面，探頭安裝于豎直導(dǎo)軌上掃描整個(gè)平面。掃描平面一般與待測(cè)天線的口面平行。掃描架需調(diào)整至x軸和y軸垂直。

采樣是測(cè)量數(shù)據(jù)中兩相鄰數(shù)據(jù)所需的最短周期。在x和y方向小于λ/2的步進(jìn)間隔一般都能滿足采樣準(zhǔn)則。

當(dāng)然，理論上假定無(wú)限大的掃描平面在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中很顯然極不現(xiàn)實(shí)。為了確定掃描區(qū)域是否足夠大，通常是將某掃描區(qū)域邊緣之外的數(shù)據(jù)設(shè)置為零，并觀察計(jì)算出的遠(yuǎn)場(chǎng)變化多大。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)變化比較明顯時(shí)，說明掃描區(qū)域內(nèi)測(cè)得的數(shù)據(jù)量過少，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾訏呙椟c(diǎn)數(shù)，從而保證經(jīng)變化得到的遠(yuǎn)場(chǎng)近似于待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)。減小由邊界截?cái)鄮?lái)的測(cè)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(zhǔn)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(cè)量精度，促進(jìn)了近場(chǎng)掃描在實(shí)際中的應(yīng)用。

3.2 CNF近場(chǎng)掃描

典型的柱面近場(chǎng)掃描設(shè)備是將待測(cè)天線安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)之上，掃描探頭沿平行于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的直線方向上移動(dòng)。通過合理地配置這些運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確的定位需要測(cè)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(shù)據(jù)。同樣通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)變換處理，來(lái)得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。同平面掃描相比，柱面掃描對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制更為復(fù)雜，即對(duì)機(jī)械系統(tǒng)提出了更高的要求。由于其是對(duì)待測(cè)天線周圍柱面空間的場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，那么，對(duì)于波束俯仰角較小而方位角范圍較廣的天線，這種測(cè)量的結(jié)果相對(duì)于平面掃描信息量更大，誤差更小，對(duì)天線特性的反映更為準(zhǔn)確。

圖2 CNF近場(chǎng)掃描

柱面測(cè)量系統(tǒng)中，待測(cè)天線位于方位轉(zhuǎn)臺(tái)之上，其口徑面邊緣垂直于地面，探頭沿垂線方向上進(jìn)行掃描，位于方位轉(zhuǎn)臺(tái)之上的待測(cè)天線沿圓周運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)天線，垂直方向上掃描一次，一周之后，可完成整個(gè)柱面的掃描，該系統(tǒng)的示意圖如圖2所示[4]。二者的組合運(yùn)動(dòng)在柱面上形成了Z，相互關(guān)聯(lián)的采樣格點(diǎn)。

測(cè)試中，需調(diào)整掃描軸是其彼此對(duì)準(zhǔn)并保證鉛垂到位。探頭運(yùn)動(dòng)的直線掃描需調(diào)整到平行于方位轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸，并垂直于大地。方位轉(zhuǎn)臺(tái)必需保證在指定的掃描范圍內(nèi)能穩(wěn)定地圓周運(yùn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)軸平行于探頭掃描線跡。

同樣，柱面掃描的采樣也做如下規(guī)定：根據(jù)奈圭斯特準(zhǔn)則，相鄰數(shù)據(jù)的采樣間隔不應(yīng)大于最高頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半λ/2，以保證重要的頻譜分量都被囊括其中。每行的間隔可參照平面掃描，掃描的行數(shù)也可通過觀察行數(shù)變化對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的變化的影響程度做適當(dāng)調(diào)整，也可通過計(jì)算機(jī)對(duì)天線輻射特性的數(shù)值計(jì)算仿真優(yōu)化測(cè)量范圍。

3.3 SNF近場(chǎng)掃描

天線測(cè)量技術(shù)的理論基礎(chǔ)是傳輸方程，其是表征一個(gè)天線在另一個(gè)天線發(fā)射狀態(tài)下的接收信號(hào)。第一個(gè)天線的接收特性和第二個(gè)天線的發(fā)射特性都表達(dá)于傳輸方程之中。

在SNF掃描中，數(shù)據(jù)從圍繞待測(cè)天線的球面上采集得到。這種方法可用于測(cè)量任何天線，特別是對(duì)于全向或近似全向的天線特別有用，這類天線不適合采用平面和圓柱面理論進(jìn)行測(cè)量。

球面近場(chǎng)掃描中，導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)的精度及控制對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響相對(duì)于其他兩種方法，其要求較高，實(shí)現(xiàn)的難度更大，但球面測(cè)量是對(duì)天線周圍空間的完整測(cè)量，其最能完整的體現(xiàn)天線的輻射特性，理論上的誤差最小，測(cè)量的精度最高，也是未來(lái)近場(chǎng)測(cè)量發(fā)展主要的趨勢(shì)。

在測(cè)量球面(A，θ，)的任意點(diǎn)上，探頭必需指向球心并對(duì)兩個(gè)正交極化進(jìn)行采樣。理論上，兩個(gè)天線誰(shuí)相對(duì)誰(shuí)運(yùn)動(dòng)并不緊要。或許待測(cè)天線固定、所有旋轉(zhuǎn)由探頭實(shí)現(xiàn)，或許待測(cè)天線兩軸旋轉(zhuǎn)、x探頭繞軸旋轉(zhuǎn)，或許測(cè)天線一軸旋轉(zhuǎn)、探頭繞兩軸旋轉(zhuǎn)。

球面裝置的一個(gè)例子是由一個(gè)弧形臂和轉(zhuǎn)臺(tái)的共同組成，該拱形臂使得探頭可在一個(gè)圓弧上運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)可使天線繞方位角軸旋轉(zhuǎn)。圓弧平面可能垂直，方位角軸位于平面內(nèi)且垂直此平面。

4 結(jié)論

PNF方法對(duì)高度定向天線效果最好。其可用于定向天線的增益測(cè)量，但其對(duì)覆蓋的方向圖區(qū)域的限制對(duì)直接測(cè)量會(huì)帶來(lái)困難。

CNF方法對(duì)測(cè)量扇形束型天線最有用，如手機(jī)的基站天線，其輻射方向圖大部分限制在小范圍的高度上。

在SNF方法中，測(cè)量面的截?cái)嗍欠潜匾模蚨溆糜诰_的確定任何類型的天線遠(yuǎn)處的旁瓣。因?yàn)榭筛采w寬泛的角度范圍，其專門用于測(cè)量近各向同性天線，如移動(dòng)電話、手機(jī)的天線，以及測(cè)量天線的定向性。

總的來(lái)說，平面近場(chǎng)技術(shù)是測(cè)量超低副瓣天線等一系列高性能天線最為理想的測(cè)試手段。面近場(chǎng)測(cè)量所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的補(bǔ)償措施。因此，平面近場(chǎng)測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償技術(shù)是平面近場(chǎng)技術(shù)測(cè)量超低副瓣天線能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，其研究具有十分重要的實(shí)用價(jià)值[5]。對(duì)平面近場(chǎng)測(cè)量而言，其主要誤差源有18項(xiàng)，這些誤差源大致分為四類，即探頭誤差、測(cè)試儀表誤差、環(huán)境誤差以及計(jì)算誤差。這些誤差源所產(chǎn)生的誤差對(duì)大多數(shù)常規(guī)天線測(cè)量的影響幾乎可以忽略不記，但對(duì)超低副瓣天線等一系列高性能天線的測(cè)量，這些誤差源所產(chǎn)生的誤差幾乎每項(xiàng)都必須予以補(bǔ)償或修正。這些補(bǔ)償與修正也不斷促進(jìn)著近場(chǎng)掃描法的推廣及應(yīng)用。

由于近場(chǎng)掃描法中近場(chǎng)——遠(yuǎn)場(chǎng)變換理論中，需要近場(chǎng)的幅度和相位信息，而場(chǎng)的相位信息是難以測(cè)量，最近國(guó)內(nèi)外提出近場(chǎng)無(wú)相測(cè)量技術(shù)，通過只測(cè)量近場(chǎng)掃描面的幅度分布，可直接獲取場(chǎng)的相位信息，進(jìn)而完成天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性的測(cè)量。

隨著科技不斷進(jìn)步，天線近場(chǎng)測(cè)量將逐步成為天線測(cè)量最實(shí)效、便捷、精準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)。