（通信与信息系统专业论文）超低旁瓣天线几种重要误差研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 天线测量是天线研究、制造过程中一项重要而又繁杂的工作。 在对高精度、高性能天线的研制过程中，对天线测量的依赖性就 更大。本文主要研究了利用平面近场测量方法对超低旁瓣天线进 行测量的情况下，几种影响测量精度的主要误差的分析与补偿。 并进行了计算机仿真。 首先本文就平面近场测量方法进行了概述，提出了在平面近 场测量中影响精度的几种重要的误差源，探头系统的误差源；测 量仪器的误差源；测试环境的误差源；随机误差及计算误差源。 本文主要对幅相测量误差进行了分析，得出了幅相测量误差和天 线参数之间的关系。并且本文对扫描面位置误差所产生的测量误 差进行了分析，得出了扫描面位置误差引入的测量误差上界，并 且进行了计算机仿真，得出了扫描面位景误差对天线远场方向图 旁瓣测量影咿的程度。探讨了扫描面位景误差的补偿方法。本文 还探讨了由测量仪器所引入的误差上界，并进行了计算机仿真， 探讨了测量仪器误差的补偿方法，并进行了计算机仿真。 关键词；超低旁瓣天线：扫描面位景误差；测量仪器误差；平面 近场测量； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o i o g yo fa n t e n n am e a s u r e m e n tisv e r yi m p o r t a n t a n dc o m p l e xi nr e s e a r c h i n ga n dm a k in ga n t e n n a i nt h ep e r i o d o fm a n u f a c t u r i n g s u p e r a c c u r a t ea n d c a p a b l ea n t e n n a ，i t d e p e n d so nt h et e c h n o l o g yo fa n t e n n am e a s u r e m e n tv e r ym u c h t h e p a p e r r e s e a r c h e s ， i nt h ec o n d i t i o ro f u s i n g t h e t e c h n o l o g y o f p l a n a r n e a r f i e l dm e a s u r e m e n tm e a s u r in g a n t e n n a ，t h ea n a l y s i sa n dc o m p e n s a t i o no fs o m em a i ne r r o r s ， w h ic ha f f e c tm e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e m e t h o do ft h e t e c h n 0 1 0 9 yo f p 1 a n a r n e a r f i e l dm e a s u r e m e n t ，b r i n g sf o r w a r dt h em a i n i m p o r t a n t e r r o r sw h i c ha f f e c tm e a s u r e m e n ta c c u r a c y ：t h e e r r o ro fp r o b es y s t e m ，t h ee r r o r o fi n s t r u m e n t a t i o n ，t h e e r r o ro fm e a s u r e m e n te n v i r o n m e n t ， r a n d o me r r o ra n d c a lc u l a t i o ne r r o r t h ep a p e ra n a l y s e sa m p l i r u d ea n dp h a s e e r r o r ，g e t t i n gh o l do ft h ec o n n e c t i o no f t h ee r r o ra n dt h e p a r a m e t e r o fa n t e n n au n d e r t e s t a n d a n a l y s e s t h e m e a s u r e m e n te r r o r sp r o d u c e db yp o s i t i o ne r r o r ，s h o w s i t s e r r o r s - u p p e r b o u n d s ，s i m u l a t i n g i t b yc o m p u t e r ，s h o w s t h e d e g r e eo f f a r f i e l dp a t t e r nm e a s u r e m e n te r r o r so fa n t e n n a u n d e rt e s ta f f e c t e db yp o s i t i o ne r r o r a n dd i s c u s s i n g t h e m e t h o dc o m p e n s a t j n gp o s i t i o n e r r o r ；t h e p a p e r s h o w s e r r o r s - u p p e r b o u n d sp r o d u c e db y t h ee r r o ro fm e a s u r e m e n t e n v i r o n m e n ta n ds i m u l a t i n gi tb yc o m p u t e r ，d i s c u s s i n g t h e c o m p e n s a t i o nm e t h o d ，a n ds h o w s i t ss i m u l a t i o n ， k e yw o r d s ：u l t r a - l o w s i d e 一1 0 b ea n t e n n a ，p o s i t i o ne r r o r ， i n s t r u m e n t a t i o ne r r o r ，p l a n a rn e a r f i e l d m e a s l j r e m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：丛金1 日期：) 。一年月亨日 哈尔滨：l 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 天线近场扫描技术概述 天线测量是天线研究、制造过程中一项重要而又繁杂的工作。 在对高精度、高性能天线的研制过程中，对天线测量的依赖性就更 大。随着空间技术的迅速发展，通信设备的不断更新，对于星载天 线的电参数要求越来越高，设计难度也越来越大，而天线测量如同 天线设计，有着同样的难度，当研制付新型天线的同时，就必须 提出测量天线的方案。这样，就迫使人们研究新的天线测量方法和 新的测量仪器设备。天线近场测量技术，就是几十年来天线测量技 术发展的结晶。早在五十年代初，从事天线研究的科学家们，从理 论上就开始探讨，通过测量天线的源场来确定出其辐射场：采用在 离开被测天线口面几个波长的假想平面上，来测量其天线的辐射特 性，这样就出现了近场平面扫描技术，随后相继出现了非平面扫描 技术( 即柱面和球面扫描技术) ，这一技术的出现，解决了天线采用 传统远场测量的方法难于解决的问题。七十年代天线近场测量技术 得到了应用，尤其是对大口径天线的测量，展示了它的优势。到了 八十年代，随着计算机和电子测量仪器的发展，为天线测量技术实 现自动化提供了条件，天线近场测量技术得到了广泛的工程应用， 成为国际上先进的高精度天线测量技术，它一次测量可得到天线分 布的全息信息，对于天线设计者来说，既省时又省力，大大提高了 效率，缩短了研制周期，为新型天线的研制提供了快速、准确的手 段。 近场扫描技术就是用一个特性己知的探头，抽测天线近区某一 表面上取样场的振幅、相位分布，通过严格的数学变换式来确定待 测天线远场特性的技术。测量面通常取作为平面，柱面或球面。相 应的称为平面扫描的近场测量技术，柱面或球面扫描的近场测量技 哈尔滨工程大学硕七学位论文 术。该法的基本思想是把待测天线在空间建立的场展开成平面波函 数( 或柱面波函数，或球面波函数) 之和，展开式中的加权函数包含 着远场图的完整信息，根据近场测量数据算出加权函数，进而确定 天线的远场方向图。由于运用了模式展丌，所以也常被称为模式展 开法。这种近场测量技术的主要特点是 1 测量是在待测天线的近区进行； 2 考虑了探头对待测天线辐射的一次场的影响； 3 根据测量可以计算天线完整的空间方向图( 包括相位方向图和 极化方向图在内) ，而不像普通的远场直接测量只能确定一个或 几个平面内的方向图。 该法与普通的直接远场测量相比，优点是： 1 近场测量法节省时间、成本低，且算得的远场方向图的精度与 直接的远场测量精度相当或更好一些。 2 由近场测量可以确定天线远场特性的完整信息，包括辐射场的 振幅、相位和极化的空间分布特性； 3 近场扫描方法几乎与地面湿度，大气气候条件无关，因此可用 来测试工作在大气吸收波段的天线之辐射特性： 4 一个完整的卫星可考虑为一副天线。这样，卫星和其他部分的 散射都自动包含在测试中了，可利用扫描技术测取和计算包括 天线在内的整个卫星的特性了； 5 用这种方法测量大天线时，消除了远场尺寸的限制。运输和安 装问题以及大尺寸转台的要求都不存在了； 缺点是： 1 测量系统复杂，制造成本昂贵； 2 在近场测量中，对探头的校准比在远场测量中对辅助天线的校 准要更精确、更全面，以便对探头的影响进行补偿； 3 出近场测量数据确定天线远场方向图，需要借助计算机完成大 量运算，因而计算机软件起着重要作用： 4 待测天线的方向图不能实时的获得； 5 频率较低时( 低于几百兆赫) ，由于微波吸收材料的反射特性变 喻尔滨工程大学硕士学位论文 坏而限制了扫描方法的使用： 6 频率很高时，作为扫描位景函数的相位测量变得更加困难。 平面扫描的近场测量技术得到了最广泛的研究和应用。其主要 优点是数学计算比较简单。缺点是由于探头必须在平面上进行扫 描，所以扫描系统比较复杂。另外，一次测量只能确定前半空问的 方向图。l e l 1 2 天线平面近场测量发展概况 在天线测量领域中，从5 0 年代开始，引入近场测试方法，至 今，近场扫描技术f | 趋完善。根据探头取样面的不同，近场法可分 为：平面、柱面和球面三种近场扫描技术。平面近场测量因其算法 及设备简单的特点已受到重视。 1 近场测量技术发展的过程 近场测量的技术研究从五十年代发展至今，研究方向大致经历 四个阶段。( 见表1 1 ) 。 表1 1 近场测量经历的四个阶段 时间研究方向 1 9 5 0 1 9 6 1 正无探头修正的探索阶段 1 9 6 1 1 9 6 5 矩探头修雁理论的研究阶段 1 9 6 5 1 9 7 5 篮实验验证探头修正理论阶段 1 9 7 5 一今技术推广阶段 2 国外天线平匿近场测量系统的发展 从五十年代至今，天线近场测量技术，经历了四十多年的历程， 并且由理论研究进入了大量的工程应用，尤其是近场平面扫描技 术，它不仅能够用来测量天线的辐射特性，而且能够用来“诊断” 天线的口面场分布情况，为大型平面阵天线的设计、研究提供可靠 准确的设计依据，从而对此类天线的研究提供了新的手段。因此， 世界各国的研究部门，尤其是一些著名的电子、宇航、通信公司， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 相继建立了大小不同，型式各异的天线平面近场测量系统。根据用 途的不同，有的安装在微波暗室内，有的安装在舰艇上，有的使用 频率高达5 5 0 g h z 。从型式上讲，小型平面扫描架一般采用框架结 构，大型平面扫描架多数采用了塔架结构型式，有些采用龙门架结 构型式，探头朝向地面扫描，这样，被测天线就可平躺在地面上， 方便了被测天线的架设。据最新资料统计，就天线平面近场测量系 统，截至19 9 8 年，世界上大约有l o o 多套，而美国就占有三分之 二还多，美国国家标准局( n b s ) 从1 9 5 3 年开始，对天线近场测量 从理论上进行了分析，1 9 6 0 年制作了框架式x y 平面扫描系统， 使用频率范围可达5 0 g h z ；美国的休斯飞机公司，不同大小的天 线近场测量系统有1 4 套。分别分布在通信和空问部、雷达部、导 弹部等，其中最大的一套为1 4 m 7 m ；1 9 9 7 年，美国近场测量公 司n s i ，为闩本东芝公司建成了世界上最大的天线平面近场测量系 统，扫描尺寸为3 3 m 1 6 m 。按尺寸大小划分，小尺寸( 2 m 以下) 的 平面扫描架主要分布在：美国h a r r i s 公司，休斯公司( 4 套) ，t r w 公司，美国加州州立大学，v c l a ，加拿大空间局，日本东芝公司 ( m a s p r o ) ，南韩( 8 套) ，以色列( e l t a ) 等。中等尺寸( 2 m 一4 m ) 的平 面扫描架主要分布在：美国宇航局，休斯公司r s g ，休斯导弹系 统部，美国n a s a ，r a y t h o n ，马丁公司，劳拉公司，安德鲁天线 公司，加拿大s p a r 公司等：大尺寸( 7 m 以上) 的平面扫描架主要 分布在：美国体斯公司( 1 0 套) ，马丁公司( 2 套) ，劳拉公司空间系 统部，美国海军，日本东芝公司，法国的a l c a t e l ，意大利的a 1 e n i a ， 德国的m b b 公司，以色列国防部，荷兰海军等。除此之外，在印 度、西班牙、瑞典、丹麦、英国，包括我国的台湾中山科技大学， 都有自己的平面近场测量系统。其中丹麦也是世晃上最早研究近场 测量的国家之一。 3 我国的天线平面近场测量系统的发展 大约在七十年代未八十年代初，我国天线近场测量技术才开始 起步。近几年来，在一些大专院校和科研单位，建立了不少天线平 面近场测量系统，电子部1 4 所自行研制生产了1 0 m x l o m 的平面 4 哈尔滨l ：程大学硕士学位论文 近场扫描系统，测量设备为h p 8 5 3 0 系列，同时为航天部二院2 3 所设计制造了相同尺寸的平面扫描系统；兵器部2 0 6 所引进了一套 由o r b i t 公司生产的2 m x 2 m 的框架式平面扫描系统；成都2 9 所引 进了一套由美国n s i 公司生产的4 5 0 型近场球面扫描系统，测量 设备为h p 8 5 3 0 系列：在大专院校方面，西安电子科技大学自行设 计，并建立了一套平面近场扫描系统，扫描尺寸为9 m 9 m ，测量 设备为h p 8 3 5 0 系列；北京航空航天大学研制了一套小型紧缩场。 还有中科院空间中心，也建立了自己的天线近场测量系统。由于我 国起步较晚，这些测量系统与国外的测量系统相比都不够完善。另 外，国内还有一些天线近场测量系统正在建设之中。n m ， 1 3 超低旁瓣天线平面近场测量误差概述 涉及超低旁瓣天线近场测试需要解决的主要问题有： 高性能微波暗室技术研究： 大型高精度平面近场扫描和精密三轴天线转台的设计与研制； 高精度闭环控制技术研究： 高速扫频大动态范围幅相测试方法研究； 系统误差的分析补偿，近场诊断调整方法研究； 便于开发应用的近场测量软件包( 其中包括系统控制与数据采 集，近远场数学变换以及数据分析与处理) 设计 超低旁瓣天线近场测试的核心问题是“精度”而影响精度的 根本原因又在于测试系统的固有误差及测量误差一般情况下，误 差主要有3 个方面，理论的，数值计算的，测量的而综合误差分 析方法通常可分为下述4 个步骤： 1 确定系统所有误差源； 2 测量各不同误差源，并预估其数量级在某些特定情况下、确 定误差函数的形式； 3 推导误差方程或利用特定的测试去确定近场测量和远场结果之 间的关系； 喻尔滨工程人学硕士学位论文 4 综合分析各误差分量，给出总误差结果的可靠估计 美国国家标准技术研究所( n i s t ) 的a l l e nc n e w e l t 教授等人 在总结多年近场测量经验的基础上，提出了大家所关心的18 种误 差源。( 见表1 2 ) 。 表1 2 近场测量误差预估 测量误差测量误差 5 5 d b 旁 误差源一3 0 d b 旁瓣误差源 5 5 d b 旁瓣3 0 d b 旁瓣 瓣电平 电平d b电平d b电平d b ，d b 截断误探头极 1 50 150 o o 化率 混叠误探头增 o 5o 0 5o o o 盏测量 多次反探头校 土j 5o 3o 2 0 射准误差 暗室误阻抗失 土o 2o 0 50 0 0 配 位置误 待测天 0 30 2 0线校准o 0 0 误差 幅度误功率测 1 50 0 7 0 0 0 量误差 相位误 接收机 1 50 2 3动态范o 2 0 差 围 随机误泄露误 0 4 0 0 5 左 探头方 组合误 o 0 50 1 0 so 5 5 向图 哈尔滨1 i 程人学硕士学位论文 这些误差源主要分为四个部分。第一部分是探头系统的误差 源：第二部分是测量仪器的误差源；第三部分是测试环境的误差源； 第四部分是随机误差及计算误差源。上述各项中所提及的探头修f 误差，系统相位误差，取样架及转台等机械定位误差，耿样面的截 断误差，探头与天线间的多次反射误差，散射室误差等又是极为重 要的，同时接收机的非线性，收发机的噪声电平对弱信号的干扰叠 加，计算引入的误差等对超低旁瓣天线测量的影响亦是不可低估 的。l 【“ 1 4 选题意义和成果 1 4 1 选题背景和意义 现代海战中，舰队的作战指挥系统应该具有快速反映能力，以 及互联网化、系列化、模块化等特点，这对舰载雷达设备、通信设 备的天线系统提出了更高的要求。现代舰用天线系统，不仅要满足 数字化海战的高速度、大容量的网络信息传输要求，丽且要具有极 低的旁瓣和抑制海上多路径干扰的能力。 本文主要讨论舰载超低旁瓣阵列天线误差理论、误差测量与补 偿技术。首先对影响超低旁瓣天线测量的主要误差源进行分析，然 后建立旁瓣测量误差与待测天线参数、近场幅相测量总误差的数学 模型，对比扫描面位景误差和测量仪器非线性误差对天线方向图的 影响，设计误差修正方法，同时进行仿真验证。 1 4 2 取得的成果 本论文所围绕的课题是超低旁瓣天线平面近场测量的误差分 析与补偿，着重在以下几个方面进行了研究探索。 给出了用平面近场扫描技术测量超低旁瓣天线时，旁瓣测量总 误差与待测天线相关参数之间的关系。 哈尔滨：【程大学硕士学位论文 得出了扫描面位置误差对超低旁瓣天线远场方向图影响的误差 上界，将位置误差对远场方向图旁瓣的影响进行了计算机模拟 仿真；给出了补偿位置误差的方法。 将测量仪器误差对超低旁瓣天线远场方向图旁瓣电平的影响进 行了分析，得出了误差的上界。用计算机进行了测量仪器误差 的分析与补偿的模拟仿真，证明了平均法对测量仪器误差的明 显效果。 1 5 章节安排 第1 章 第2 章 第3 章 第4 章 第5 章 绪论 基础理论介绍 旁瓣测量误差与近场幅相误差、天线相关参数的关系 扫描面位置误差研究 测量仪器误差研究 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 第2 章基础理论介绍 2 1 积分的驻相法”们 1 单重积分： = f ， ) e x p 一，妒吕( x ) 协 ( 2 1 ) 上式中，o ) ，g ( z ) 为实函数，且k r 1 ，则有 ，“雨脚卜( x o ) ：r - j 司 z ， 证明：令_ a g ( x ) ：g ，( x ) ：o ，其解x ：称为驻点。这个相位干涉4 1 起相消，于是，mf ：，( _ ) c ) e x p 一弦g ( x ) 协，0 占s 1 ，( x ) 籍厂( x o ) + d ( 6 ) 勰 贴) - g ) + 掣坩2 + o ( 确 因为g ( x 。) = 0 ，因此 * m 。) e x p 一j k r g ( ) ：e x p 【- j ( k r 2 ) g ( x 。) ( x - x 0 ) 2 d x 令善= 厍丽” 则i = ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ，t x n ) e x p 一j k r g ( x n ) j ：o e x p ( 一j 2 ) d e ( 2 - 5 ) o ( 1 时，积分，= ee 厂( 一_ y ) e x p 一j k r g ( x , y ) l d x d y ( 2 7 ) 删执，“丽- 2 丽五j a m 测一鲰执) 1 8 其忙o 讯2 9 。，。，一o 张2 9 。c 一舄l ，。 蝴觚。) 为掣= 掣= o 的解 f 4 - 1a b c 2 ，口 0 盯： 一1a b c 2 ，口 0 ( 2 - 9 ) i ， a b 女2 时， d ( k 。，k 。) = 0 。则上式可表示为 b ，：一4 z = f ae e p ，( x , y , d ) e x p 伽+ 西k yy 卜p s s ， 当叫2 ：时，陬卜女，l ，i t ，即掣 磊k ，掣 磊k 。令 e 。= 去，l ：= 瓦k 由取样定理得，当间隔缸2 西1 i s 害， 缈。赤詈时 p ( x ，y ，d ) ：宝宝只缸， 母，d ) s a ( 2 r r f , f 工一m 万) s a ( 2 x f 2 y - n n ) ( 2 _ 5 7 ) 将( 2 - 5 7 ) 代入( 2 - 5 5 ) b ) = 嬲羔塾( 础，咖d ) fs a ( 2 z f 1 x - m 玎) e x p ( j k ，x ) d x ；。s a ( 2 z f , z y n 石) e x p ( 弦，y ) 咖 ( 2 - 5 8 ) 髓( 2 办：i x - m 万) e x p ( j k x ) 出= e 踟1 2 硝：t 。一彘) j 。x p ( 拈，) 出 经过变量代换，上式积分的结果为 e s a lz 划卜彘，卜以冲 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同理 = f 。s a ( 2 x f , e x p ( j k 一十彘 = 广s 。( 2 畈i x ) e x p ( j k ，x + m , x ) d x = e x p ( j k ，川缸) 黝( 2 咒已，x ) e x p ( j k ，x ) d x ( 2 5 9 ) fs a ( 2 7 r f , , , 2 y 一”g ) e x p ( j k 。y ) d y = e x p ( j k y n a y ) f = s a ( 2 j r f 2 y ) e x p ( j k ，y ) d y ( 2 - 6 0 ) 所以 。( k b ) = 笋等差，茎- ( m 缸，n 砂，d ) e x p ( j k ，m 缸+ 业一n a y ) rs a ( z f o l x ) e x p ( j k ，x ) a x ：s a ( 2 x f 2 y ) e x p ( j k ， ( 2 6 1 y ) e x p ( j ky ) d y ) f 。 ， l 。 z ， ( 。 i e x p ( 一j 2 x a a x ) d 0 9 = 勋( 2 死l x ) 2 f i ( 2 6 2 ) h i f ：2e x p ( 一j 2 x o x ) d c o = s a ( 2 ，r f , 2 x ) 2 f 2 ( 2 6 3 ) ，m i 也就是 s a ( 2 r , f = 缸鼯x p ( 一j 2 7 r o j x ) d 国( 2 - 6 4 ) s a ( 2 7 r f , 2 加缸：e x p ( 一j 2 7 r o j x ) d c o ( 2 - 6 5 ) 将式( 2 6 4 ) ，式( 2 - 6 5 ) 代入式( 2 - 6 1 ) ，得： 踯。户号辫圭妻。( 础，雄缈棚e x p 泡础+ 或起缈) 卜是。e x 槲嘉一) y 卜 ( 2 6 6 )x 、， 出一 t 历 ，、 万 胆 ，l p xe w n i广k 而 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鹏唧m 鲁一) x 卜= 伫 聃m 引y k 侈 鞋o ， 蚓 辫：( 2 6 的 因此，当i k ，i 2 x f o ，陋，i 2 巩：时，d c k ，k ，) = 0 ；当 i k ，l 2 巩，川s 2 死f ，：时 。( k x , k y ) = 号摹哿量薹- ( m 缸，珂缈，力e x p ( j k ，m 缸+ 砖，打缈) 出缈 f 2 6 9 ) 令b = 鬻缸缈，上式变为 d ( k ，k ，) = b p , ( m a x ，n a y ，d ) e x p ( j k ，m a x + j k ，n a y ) ( 2 - 7 0 ) 理论上，近场测量的扫描面无限大，而实际的近场测量扫描面 是有限的。下面为了分析随机误差对近场测量的影响，假设扫描面 足够大，可以忽略有限扫描面截断误差带来的影响。 扫描面截断后，式( 2 7 0 ) 变为 d ( k k ) = b l a x 。yd ) e x p ( j k ，+ 以y 。) ( 2 7 1 ) 其中 矿一 竿 缸+ m 缸 胪一 竿p n 缈 ( 2 7 2 ) ( 2 7 3 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 m ，分别为x ，y 方向上的总采样点数。a x ，却分别为z ，y 方向上 的采样间隔。 】表示对取整。 将式( 2 - 7 2 ) ，式( 2 - 7 3 ) 代入式( 2 - 7 1 ) ，有 。( k ，, k y ) = b e x p ( 一， 竿卜一， 竿p t x x ，yd ) e x p ( j k ，m a x + 鹏n z x y ) ( 2 - 7 4 ) 铒。州以一p ( 一让竿卜一一， 竿p 则式( 2 7 4 ) 变为d ( k 。k ，) = c e x p ( j k 。m x + j k y n a y ) 2 8 本章小结 本章主要介绍了下文将用到的一些基础理论。主