天線近場測量技術探討

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，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是以近場測量和緊縮場測量為代表的。近場測量技術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。

近場測量技術主要是指頻譜近場測量技術，通過研究被測信號的頻譜結構進行頻譜分析，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。國內在此領域研究比較少，北京理工大學搭建了國內第一個時域近場測試系統(tǒng)[1]。

天線的測量經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，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。

天線近場測量經歷的階段：

時間 研究內容

1950~1961年 無探頭修正探索階段

1961~1965年 探頭修正理論研究階段

1965~1975年 實驗驗證探頭修正理論階段

1975~至今 推廣應用階段

早在20世紀50年代，國外已經開始了天線近場測量的研究。國內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)[3]。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動相結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，校準技術和相當簡單的數(shù)理分析。該技術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，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臺之上，掃描探頭沿平行于轉臺轉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。

圖2 CNF近場掃描

柱面測量系統(tǒng)中，待測天線位于方位轉臺之上，其口徑面邊緣垂直于地面，探頭沿垂線方向上進行掃描，位于方位轉臺之上的待測天線沿圓周運動。轉動待測天線，垂直方向上掃描一次，一周之后，可完成整個柱面的掃描，該系統(tǒng)的示意圖如圖2所示[4]。二者的組合運動在柱面上形成了Z，相互關聯(lián)的采樣格點。

測試中，需調整掃描軸是其彼此對準并保證鉛垂到位。探頭運動的直線掃描需調整到平行于方位轉臺的轉軸，并垂直于大地。方位轉臺必需保證在指定的掃描范圍內能穩(wěn)定地圓周運動，并且轉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)奈圭斯特準則，相鄰數(shù)據(jù)的采樣間隔不應大于最高頻率所對應波長的一半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)變化對遠場的變化的影響程度做適當調整，也可通過計算機對天線輻射特性的數(shù)值計算仿真優(yōu)化測量范圍。

3.3 SNF近場掃描

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

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行測量。

球面近場掃描中，導軌轉動的精度及控制對測量結果的影響相對于其他兩種方法，其要求較高，實現(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，)的任意點上，探頭必需指向球心并對兩個正交極化進行采樣。理論上，兩個天線誰相對誰運動并不緊要。或許待測天線固定、所有旋轉由探頭實現(xiàn)，或許待測天線兩軸旋轉、x探頭繞軸旋轉，或許測天線一軸旋轉、探頭繞兩軸旋轉。

球面裝置的一個例子是由一個弧形臂和轉臺的共同組成，該拱形臂使得探頭可在一個圓弧上運動，轉臺可使天線繞方位角軸旋轉。圓弧平面可能垂直，方位角軸位于平面內且垂直此平面。

4 結論

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，測量面的截斷是非必要的，因而，其用于精確的確定任何類型的天線遠處的旁瓣。因為可覆蓋寬泛的角度范圍，其專門用于測量近各向同性天線，如移動電話、手機的天線，以及測量天線的定向性。

總的來說，平面近場技術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。面近場測量所產生的誤差進行分析，提出相應的補償措施。因此，平面近場測量誤差分析與補償技術是平面近場技術測量超低副瓣天線能否實現(xiàn)的關鍵技術，其研究具有十分重要的實用價值[5]。對平面近場測量而言，其主要誤差源有18項，這些誤差源大致分為四類，即探頭誤差、測試儀表誤差、環(huán)境誤差以及計算誤差。這些誤差源所產生的誤差對大多數(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，這些誤差源所產生的誤差幾乎每項都必須予以補償或修正。這些補償與修正也不斷促進著近場掃描法的推廣及應用。

由于近場掃描法中近場——遠場變換理論中，需要近場的幅度和相位信息，而場的相位信息是難以測量，最近國內外提出近場無相測量技術，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，進而完成天線的遠場特性的測量。

隨著科技不斷進步，天線近場測量將逐步成為天線測量最實效、便捷、精準的測量技術。