天線近場測量技術(shù)探討補腦

天線特性參數(shù)的測量有多種方法，目前，主要的方法包括三大類：天線的遠場測量、天線的緊縮場測量、天線的近場測量。其中，因天線特性主要是定義在天線的遠場區(qū)故遠場測量更為直接準確，而緊縮場測量天線主要是拉近遠場所需遠場條件：d≥2D2/λ，其通常采用一個拋物面金屬反射板，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良好的靜區(qū)。將天線安置在靜區(qū)內(nèi)，測量天線的遠場特性，其類似于遠場測量，只是縮短測量距離，便于在理想遠場環(huán)境（暗室）下進行測量。

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

傳 統(tǒng)的遠場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，遠場測量還受周圍電磁干擾、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)越來越難以適應現(xiàn)代衛(wèi)星天線的測量要求。新一代的天線測量技術(shù)是以近場測量和緊縮場測量為代表的。近場測量技術(shù)利用探頭在天線口面上做掃 描運動，測量口面上的幅度和相位，然后把近場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成遠場。由于近場測量只需測量天線口面上的場，就可避免遠場測量的諸多缺點，而成為獨立的一門測量技 術(shù)。

近場測量技術(shù)主要是指頻譜近場測量技術(shù)，通過研究被測信號的頻譜結(jié)構(gòu)進行頻譜分析，從而得到近場天線的各項參數(shù)。與遠場測量不同的是，其通過采集天線近場區(qū)域輻射場的數(shù)據(jù)，經(jīng)近場——遠場變換，由計算機得到天線的遠場特性。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特性。

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

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

天線的測量經(jīng)歷了一個從遠場測量到近場測量的發(fā)展過程。遠場測量是直接在天線的近場區(qū)對天線的電磁場進行測量，所以測量場地和周圍范圍電磁環(huán)境對測量精度影響比較大，對某些天線來說，要求測量距離要遠大于2D2，其中D為被測天線的口徑尺寸，λ為工作波長，而且對測量場地的反射電平、多路徑和電磁環(huán)境干擾的抑制都提出了很高的要求，這些要求在遠場條件下往往很難滿足。隨著測量設備和計算手段的不斷進步，天線的電氣特性可以在微波暗室內(nèi)通過近場測量更方便、更精確的測得。

近 場測量是在天線近區(qū)范圍內(nèi)，求得天線的遠場特性。由于其不受遠場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，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償各種測量誤差，其測量精度甚至優(yōu)于遠場測量，從而得到越來越多的應用，一直是人們 研究的重點課題，也是當前高性能天線測量的主要方法之一。

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

1 天線近場掃描法測量系統(tǒng)

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

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

任何近場測量方法，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，通過測量天線的近場特性，經(jīng)近場-遠場變換，由計算機處理、確定待測天線的遠場特性。

最常用的掃描技術(shù)包括：平面近場（PNF），柱面近場（CNF）和球面近場（SNF）。每一種都需將平動與轉(zhuǎn)動組合實現(xiàn)在理想曲面上的掃描。

近 場掃描法測量系統(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源以及能夠檢 測探頭接收信號的接收機。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，幅度和相位數(shù)據(jù)在測量表面的已知位置（如文中的網(wǎng)格點處）采集，通過掃描探頭對特定位置處場值的記錄，計算機 存儲生成所測得的數(shù)據(jù)，再由計算機通過傅里葉變換實現(xiàn)近場遠場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而得到天線的遠場特性，再可由matlab軟件繪出相應遠場的幅值和相位隨位置 的變化的波形圖。整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺及定位均有數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)（DCCS）監(jiān)視并控制，因而，需由電腦全自動控制，這樣既保證轉(zhuǎn)臺轉(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，提高測量準確度。此外，由于對天線近場的測量點非常多以及每次參量的變化對背景的重新測量，得到的數(shù)據(jù)量極大，計算 機發(fā)送接收這些數(shù)據(jù)

2 天線近場測量機械掃描子系統(tǒng)

任何近場測量理論中，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確定待測天線的遠場特性。最常用的掃描技術(shù)有平面近場（PNF），圓柱面 近場（CNF）和球面近場（SNF）。每一種都需要將平移與轉(zhuǎn)動相結(jié)合完成理想面上的掃描。

3.1 PNF近場掃描

PNF掃描要求較小的暗室環(huán)境，校準技術(shù)和相當簡單的數(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軸向的第二個滑軌上。

圖1 PNF近場掃描

平面近場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平面。掃描平面一般與待測天線的口面平行。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的步進間隔一般都能滿足采樣準則。

當 然，理論上假定無限大的掃描平面在實際應用當中很顯然極不現(xiàn)實。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)設置為零，并觀察計算出的 遠場變化多大。當遠場變化比較明顯時，說明掃描區(qū)域內(nèi)測得的數(shù)據(jù)量過少，應適當?shù)脑黾訏呙椟c數(shù)，從而保證經(jīng)變化得到的遠場近似于待測天線的遠場。減小由邊 界截斷帶來的測量誤差。

PNF還需考慮各種校正處理，如：電纜抖動、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掃描的測量精度，促進了近場掃描在實際中的應用。

3.2 CNF近場掃描

典 型的柱面近場掃描設備是將待測天線安裝于轉(zhuǎn)臺之上，掃描探頭沿平行于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的直線方向上移動。通過合理地配置這些運動，準確的定位需要測量的網(wǎng)格點位 置，保證探頭能夠在柱面特定的網(wǎng)格點處獲取近場振幅和相位數(shù)據(jù)。同樣通過計算機對數(shù)據(jù)經(jīng)近場遠場變換處理，來得到天線的遠場特性。同平面掃描相比，柱面掃 描對轉(zhuǎn)臺控制更為復雜，即對機械系統(tǒng)提出了更高的要求。由于其是對待測天線周圍柱面空間的場進行測量，那么，對于波束俯仰角較小而方位角范圍較廣的天線， 這種測量的結(jié)果相對于平面掃描信息量更大，誤差更小，對天線特性的反映更為準確。

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