天線近場測量技術(shù)探討

　　1 引言

　　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(yuǎn)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(yuǎn)場區(qū)故遠(yuǎn)場測量更為直接準(zhǔn)確，而緊縮場測量天線主要是拉近遠(yuǎn)場所需遠(yuǎn)場條件：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)，測量天線的遠(yuǎn)場特性，其類似于遠(yuǎn)場測量，只是縮短測量距離，便于在理想遠(yuǎn)場環(huán)境（暗室）下進(jìn)行測量。

　　比較而言，天線近場測量技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，其對設(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)場測量下，對射頻系統(tǒng)的較高的要求。

　　傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場測量由于受地面反射波的影響，難以達(dá)到這么高的測量精度。另外，遠(yuǎn)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(yīng)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(yùn)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(yuǎn)場。由于近場測量只需測量天線口面上的場，就可避免遠(yuǎn)場測量的諸多缺點(diǎn)，而成為獨(dú)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(jìn)行頻譜分析，從而得到近場天線的各項(xiàng)參數(shù)。與遠(yuǎn)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(yuǎn)場變換，由計(jì)算機(jī)得到天線的遠(yuǎn)場特性。只要保證一定的幅度和相位測量精度，即可較為準(zhǔn)確的得到遠(yuǎn)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(shí)域近場測量技術(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，美國的Rome實(shí)驗(yàn)室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Yanghjian提出了時(shí)域平面近場測試方法，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。國內(nèi)在此領(lǐng)域 研究比較少，北京理工大學(xué)搭建了國內(nèi)第一個(gè)時(shí)域近場測試系統(tǒng)。

　　天線的測量經(jīng)歷了一個(gè)從遠(yuǎn)場測量到近場測量的發(fā)展過程。遠(yuǎn)場測量是直接在天線的近場區(qū)對天線的電磁場進(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)場條件下往往很難滿足。隨著測量設(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(yuǎn)場特性。由于其不受遠(yuǎn)場測試中的距離效應(yīng)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，并通過合適的軟件有效的補(bǔ)償各種測量誤差，其測量精度甚至優(yōu)于遠(yuǎn)場測量，從而得到越來越多的應(yīng)用，一直是人們 研究的重點(diǎn)課題，也是當(dāng)前高性能天線測量的主要方法之一。

　　早在20世紀(jì)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(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 研制了我國第一套天線近場測量系統(tǒng)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為天線近場測量系統(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(jìn)，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。

　　2 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(diǎn)及適應(yīng)范圍。本文主要討論近場掃描法來測量天線各項(xiàng)特性。

　　近場掃描法是用一個(gè)特性已知的探頭，在離開待測天線幾個(gè)波長的某一表面進(jìn)行掃描，測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)場特性。測量面可以是平面、柱面或球面，相應(yīng)的近場掃描法稱為平面、柱面或球面近場測量。從上世紀(jì)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(yuǎn)場變換，由計(jì)算機(jī)處理、確定待測天線的遠(yuǎn)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(shí)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(jī)。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(diǎn)處）采集，通過掃描探頭對特定位置處場值的記錄，計(jì)算機(jī) 存儲生成所測得的數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)通過傅里葉變換實(shí)現(xiàn)近場遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而得到天線的遠(yuǎn)場特性，再可由matlab軟件繪出相應(yīng)遠(yuǎn)場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(zhǔn)確度。此外，由于對天線近場的測量點(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(shù)據(jù)量極大，計(jì)算 機(jī)發(fā)送接收這些數(shù)據(jù)

　　3? 天線近場測量機(jī)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(yuǎn)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(zhǔn)技術(shù)和相當(dāng)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(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近場掃描

　　平面近場掃描儀由一對正交安裝的導(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(jìn)間隔一般都能滿足采樣準(zhǔn)則。

　　當(dāng)然，理論上假定無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)場變化多大。當(dāng)遠(yuǎn)場變化比較明顯時(shí)，說明掃描區(qū)域內(nèi)測得的數(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)場近似于待測天線的遠(yuǎn)場。減小由邊 界截?cái)鄮淼臏y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(zhǔn)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(jìn)了近場掃描在實(shí)際中的應(yīng)用。

　　3.2 CNF近場掃描

　　典 型的柱面近場掃描設(shè)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(yùn)動，準(zhǔn)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)處獲取近場振幅和相位數(shù)據(jù)。同樣通過計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)經(jīng)近場遠(yuǎn)場變換處理，來得到天線的遠(yuǎn)場特性。同平面掃描相比，柱面掃 描對轉(zhuǎn)臺控制更為復(fù)雜，即對機(jī)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(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，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(zhǔn)確。

　　圖2 CNF近場掃描

　　柱面測量系統(tǒng)中，待測天線位于方位轉(zhuǎn)臺之上，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)臺之上的待測天線沿圓周運(yùn)動。轉(zhuǎn)動待測天線，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。二者的組合運(yùn)動在柱面上形成了Z，φ相互關(guān)聯(lián)的采樣格點(diǎn)。

　　測試中，需調(diào)整掃描軸是其彼此對準(zhǔn)并保證鉛垂到位。探頭運(yùn)動的直線掃描需調(diào)整到平行于方位轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸，并垂直于大地。方位轉(zhuǎn)臺必需保證在指定的掃描范圍內(nèi)能穩(wěn)定地圓周運(yùn)動，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)大于最高頻率所對應(yīng)波長的一半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)變化對遠(yuǎn)場的變化的影響程度做適當(dāng)調(diào)整，也可通過計(jì)算機(jī)對天線輻射特性的數(shù)值計(jì)算仿真優(yōu)化測量范圍。

　　3.3 SNF近場掃描

　　天線測量技術(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。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)從圍繞待測天線的球面上采集得到。這種方法可用于測量任何天線，特別是對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)行測量。

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

　　在測量球面（A，θ，φ）的任意點(diǎn)上，探頭必需指向球心并對兩個(gè)正交極化進(jìn)行采樣。理論上，兩個(gè)天線誰相對誰運(yùn)動并不緊要?；蛟S待測天線固定、所有旋轉(zhuǎn)由探頭實(shí)現(xiàn)，或許待測天線兩軸旋轉(zhuǎn)、x探頭繞軸旋轉(zhuǎn)，或許測天線一軸旋轉(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)臺的共同組成，該拱形臂使得探頭可在一個(gè)圓弧上運(yùn)動，轉(zhuǎn)臺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。例如圖3所示。

　　圖3 方位角/圓弧SNF掃描裝置

　　4 結(jié)論

　　PNF方法對高度定向天線效果最好。其可用于定向天線的增益測量，但其對覆蓋的方向圖區(qū)域的限制對直接測量會帶來困難。

　　CNF方法對測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，測量面的截?cái)嗍欠潜匾?，因而，其用于精確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，其專門用于測量近各向同性天線，如移動電話、手機(jī)的天線，以及測量天線的定向性。

　　總的來說，平面近場技術(shù)是測量超低副瓣天線等一系列高性能天線最為理想的測試手段。面近場測量所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的補(bǔ)償措施。因此，平面近場測量誤差分析與補(bǔ)償技術(shù)是平面近場技術(shù)測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。對平面近場測量而言，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)生的誤差對大多數(shù)常規(guī)天線測量的影響幾乎可以忽略不記，但 對超低副瓣天線等一系列高性能天線的測量，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)著近場掃描法的推廣及應(yīng)用。

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

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