天线近场测量的综述.docx

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天线近场测量的综述

内部☆

天线近场测量的综述

AnOutIineofNearFieldAntennaMeasurement

一引言

天线工程一问世．天线测量确实是人们一直关注的重要课题之一，方式的精准与否直接关系到与之配套系统的有效与否。

随着通信设备不断更新，对天线的要求愈来愈高，常规远场测量天线的方式由于实施中存在着许多困难，有时乃至无能为力，于是人们就期望通过测量天线的源场而计算出其辐射场的方式。

但是由于探头不够理想和计算公式的过量近似，致使这种方式未能赋于有效。

为了减小探头与被测天线间的彼此阻碍，Barrett等人在50年代采纳了离开天线口面几个波长来测量其波前的幅相特性，实验结果令人大为振奋，由此掀开了近场测量研究的序幕，这一技术的显现，解决了天线工程急待解决而未能解决的许多问题，从而使天线测量手腕以新的面目出此刻世人的眼前。

四十连年过去了，近场测量技术已由理论研究进入了应用研究时期，并由频域延拓到了时域，它不仅能够测量天线的辐射特性，而且能够诊断天线口径散布，为设计提供靠得住、准确设计依据；与此同时，人们利用它进行了目标散射特性的研究，即隐身技术和反隐身技术的研究，从而使该技术的研究有了新的研究手腕，进而使此项研究进入了用近场测量的方式对目标成像技术的探讨时期。

二、近场测量技术进展的进程

近场测量的技术研究从五十年代进展至今，其研究方向大致经历四个时期，如表1所示。

表1近场测量技术所经历的时刻

时间

研究方向

1950-1961

无探头修正的实验探索阶段

1961-1965

探头修正理论的研究阶段

1965-1975

实验验证探头修正理论阶段

1975-至今

技术推广阶段

各个时期的研究内容可概述为以下几个方面

1．理论研究

在Barrett等人的实验以后，Richnlond等人用空气和介质填充的开口波导别离测量了微波天线的近场，并把由近场测量所计算得

到的方向图与直接远场法测得的结果相较较，其方向图在主瓣和第一副瓣吻合较好，远副瓣和远场法相差较大。

于是人们就分析其缘故，最终归结为探头是非理想起点源所致，因此，显现了各类方式的探头修正理论。

直到1963年Karns等人提出了平面波分析理论才从理论上严格地解决了非点源探头修正的问题。

与此同时，Paris和Leach等人用罗仑兹互易定理也推出了含有探头修正的平面波与柱面波展开表达式[1，2]。

Joy等人也给出了含有探头修正下的球面波展开式及其应用[3]。

至此，频域近场测量模式展开理论已完全成熟，因此研究者的目光投向了应用领域。

在随后的十年里，美国标准局（NBS）等研究机构进行大量的实验证明此方式的准确性[4]，其中取样距离、探头型式的选择以及误差分析是研究者们关切的热点问题。

2．取样距离及取样间距

由于模式展开理论是成立在付里叶变换的基础上，依照付里叶变换中抽样定理[5]，对带宽有限的函数。

用求和代替积分，用增量代替积分元不引人计算误差，而平面、柱面、球面的模式展开式对辐射场而言都是带宽有限的函数，忽略探头与被测天线间的电抗耦合（取样间距选取的准那么），取样距离与取样间距按表2所示的准那么进行选取（参看图1坐标系）。

表2取样距离与取样问距的准那么

扫描方式

取样时间

平面

柱面

球面

极平面

表中：

—工作波长；d—探头距被测天线口径面的距离；

—完全包围教测天线最小柱面或球面的半径；

—极平面取样的最大圆半径．

若是d变小，那么取样距离可按下式计算[6]

（1）

若

，那么取样间距应取为小于

，这时可用有限频谱法[7]修正感应场对测量数据的阻碍．

取样面尺寸与被测天线的口径面大小有关。

关于一维平面扫描的情形，取样面的尺寸

与口径面尺寸

有如下关系，参看图2。

（2）

只要

选定，

可由测量精度求得[5]，那么

是确信的。

通常工程上要求和幅度方向图副瓣电平测量误差≤0.5dB，在此条件下，取样面的尺寸可按下式选取（

）

图1表2所用的坐标系

图2一维平面扫描取样面与被测天线口面尺寸的几何关系

（3）

式中，

为低于取样面中心场强40dB处的位置坐标，其它情形依次类推。

3．探头型式的选择

不管是采纳何种扫描形式，测量常规非扫描天线方向图，都希望探头的极化纯度高、弱方向性且前向无零点。

知足这几个条件的理想探头为偶极子和开口波导[9]。

由于测试系统动态范围限制，因此用这种探头测量低副瓣天线会引入较大的测量误差。

因此Grimm等人[10]提出了用“零探头”的方式进行测量，Hannssen等人[11]用此方式对副瓣为-49dB的天线进行了测量，并与直接远场法测量结果进行了比较，其结论是“零探头”的测量结果更接近于理论值。

4．误差分析

近场测量系统是个复杂的系统，对天线测量有阻碍的误差源有18项之多，按其产生的缘故可分为四个方面：

·理论计算式及数值计算所产生的误差；

·测试仪表及设备产生的误差；

·环境产生的误差；

·探头天线所产生的误差，

关于平面扫描的情形，这些误差对天线参数阻碍的上界已由Newell等人给出了解析表达式[7,12-14]，并由Jensen等人进行运算机模拟[10,15]；

关于柱面和球面扫描，过些误差源对天线电参数的阻碍的误差上界尚未完成。

表3给出了平面近场测量系统的典型的误差值及阻碍的电参数。

其中理论公式和计算引入的误差只要按表2准那么进行选取取样距离和间距，那么这些误差能够忽略不计。

表3平面近场测量的误差（平均值）

误差的类型

典型值

最优值

影响的电参数

探头

定位

0.50mm

0.13mm

副瓣

位置

0.25mm

0.05mm

副瓣

振动

0.13mm

0.01mm

副瓣

被测天线瞄准

0.1度

0.01度

瞄准

增益

0.5dB

0.1dB

副瓣

瞄准

1度

0.25度

副瓣

方向图

1.0dB

0.25dB

副瓣

散射

-35dB

-50dB

副瓣

仪器

相位

渐变

5度

0.5度

瞄准

随机

5度

0.5度

副瓣

幅

度

非线性

1.0dB

0.2dB

副瓣

随机

0.3dB

0.1dB

副瓣

动态范围

40dB

60dB

增益

截断

±60度

±75度

副瓣

环

境

室内散射

-45dB

-60dB

副瓣

泄漏

-40dB

-65dB

副瓣

混叠

0.5dB

0.1dB

副瓣

表4近场测量系统的散布

平面

球面

柱面

乔治亚理工学院

马丁公司

赖特--帕特森空军研究所

休斯飞机公司

德克萨斯仪表公司

联邦政府通用电气公司

得力芬肯通用电气公司

乔冶亚理工学院

NIST

亚太兰大科学公司

马可尼电气公司

马可尼空间防御研究所

休斯飞机公司

欧洲空间技术研究所

英国飞机公司

康奈尔大学

哈里斯有限公司

奈唯斯NASA

奈唯斯航天工程中心

桑得斯协会

通用动力研究所

马可吉尔大学

埃克里森无线电研究所

MIT林肯实验室

NTO物理实验室

BDM有限公司

汤姆逊协会

ChunShao科技大学

NASA约翰逊空间中心

国家军事航空站

西屋电气公司

全国通讯研究中心

波音飞机公司

波尼斯顿无线电中心

埃利托勒飞机公司

通用动力公司

通用电气公司空间部

联邦航空局

奈托肯尼航空站

科学咨询中心

路易斯研究发展中心

丹麦技术大学

平面/柱面

乔治亚理工学院

NIST

兵器发展研究所

平面/柱面/球面

德克萨斯仪表公司

墨西哥州物理实验室

西安电子科技大学

南京14所

航天部504所

电子部39所

兵器部206所

柱面/球面

埃里克森无线电中心

极平面

喷气动力公司

表5近场测量系统的部份技术指标和功能

电

指

标

频

率

单频

0.045～140GHz

扫频

0.045～140GHz

幅

度

动态范围

≥95dBm

灵敏度

≤-110dBm

精度

0.05dB/10dB±0.2dB

相

位

范围

±180°

精度

0.4°/10dB±1个字

计算精度

相当于-90dBm的反射电平

测量的最大电尺寸

扫描面尺寸

1m×1m～25m×25m

速度

运动

≤20cm/s

转动

≤10圈/分

精度

运动

≤0.01mm

转动

≤

运动的轴数

≤8

功能

辐射测量和散射测量

表6近场测量的分类

分法

研究域

测量功能

取样面形式

类

别

频域

辐射

平面/极平面

柱面

时域

散射

球面

表7频域四种取样方式特点

特点

扫描方式

平面/极平面

柱面

球面

理论公式计算

简单

复杂

复杂

探头校准

简单

稍难

较难

取样方式的控制算法

简单

稍复杂

复杂

采样时间

短

较长

长

计算时间

短

较长

长

测试环境要求

一般

中

高

各种误差分析

已完成

未完成

未完成

计算远场局限性

0＜计算角域＜180°

0＜

＜180°

除球心外的任意角域

适用测量对象

笔形波束天线

扇形波束天线

各种形式的天线

三、近场测量技术的现状

1．散布及性能指标

从70年代后期，近场测量技术已走向适用化，据不完全统计世界已有五十多家研究机构接踵成立了近场测量系统，如表4所示，它们的功能和部份技术指标如表5所示。

四、近场测量的局限性

频域近场测量四种取样方式的特点如表7所示，从那个表格能够看出，部份应用研究方向仍是未来研究继续探讨的方向。

2．近场测量的分类

依照近场测量的研究方向和应用方向，近场测量可大致归为下面三类，如表6所示。

五、展望

回忆过去的前人所做的工作，能够看出以后研究工作应集中以下几个方向：

1．柱面、球面各项误差的分析．这方面虽有进展，但截止目前尚未见公布报导。

2．低或超低副瓣天线的实时检测口径诊断尽管有了可喜的进展[21-24]，但距有效还相差较远。

3．目标散射特性的研究目前仅限于简单目标的特性实验研究[17.20]，复杂目标的实验研究尚处于探讨时期，近场散射测量的探头型式还须进一步的探讨。

4．目标成像的研究虽方才起步[25,26]，但应用前景超级广漠。

5．测试环境引入的误差研究，尽管有了时域理论[17]，但尚未推行利用，其缘故是工程实施较困难，简单已行的工程有效研究仍是研究的要紧课题之一。

参考文献

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（1）.Jan．1986

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ErroranalysisfornoscanningbeampatternsAD14397，July1976

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23李俊沛．低副瓣天线平面近场测量系统，第四届天线测量年会论文集，1990年，哈尔滨

24付德民等．近场诊断的研究．第六届天线测量年会论文集，1994年，成都

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