（电磁场与微波技术专业论文）近场测量误差分析与近场诊断.pdf

摘要 本论文研究了影响近场测量系统副瓣测试精度的各种误差和近场渗断两方面 的很多关键问题，重点研究了近场测量的误差分析与补偿技术以及阵列天线的近 场诊断。 为了得到近场测量系统副瓣测试精度，利用近场测试系统的参数确定测试点 的位置误差，分析了这种位置误差对远场方向图的影响。根据扫描面的选取准则， 模拟了扫描面有限引起的截断误差对远场方向图的影响。根掘h p 8 5 3 0 1 b 接收机的 非线性误差特性研究了接收机非线性误差对远场方向图的影响。根据n y q u i s t 定 理和扫描点的取样间隔阐明了混迭误差对远场方向图的影响。分析了系统的相位 误差对远场方向图的影响。掇据测量的实际情况模拟了环境对远场方向图的影响。 利用自比较法测量并计算出多次耦合对远场方向图的影响。改进了误差迭加的传 统方法，给出了总误差曲线。对平面近场测量系统副瓣测试精度给出了合理的评 估。 从被测天线( a u t ) 和探头的耦合方程出发，利用n y q u i s t 定理，推导出了扫 描面上近场和波谱函数之间的矩阵方程。用共轭梯度法( c g ) 求解这一矩阵方程， 得到波谱函数。从而计算出远场方向图。这种方法，只需要知道测量点的位置就 足够，并不要求测量点必须位于一些特定的点上。计算结果表明，此方法可以有 效地消除常规平面近场测量中的位置误差的影响。 提出了阵列天线近场诊断的一种新方法，传统的方法要想诊断出阵列天线的 单元的激励，必须知道单元的方向图和探头的方向图；该方法基于阵列天线的激 励、单元方向图、探头方向图和近场测量数据之间的关系，得到阵列天线的激励 和近场测量数据之间的耦合方程。利用差值，在不知道单元的方向图和探头的方 向图的情况下，可以求解出阵列天线的单元激励。 基于上面的理论详细研究了一种基于近场诊断的近远场变换方法。该方法基 于阵列天线的激励系数、单元方向图、探头方向图和平面近场测量数据之间的关 系，适当的选取测量点的位置并且利用差值推导出它们之间的非线性方程组。求 解该非线性方程组得到阵列天线的单元激励系数和单元方向图。最后，利用单元 激励系数和单元方向图计算出远场方向图，弥补了传统的基于波谱的近远场变换 的缺陷。 提出一种基于远场方向图的诊断方法。根据由相似单元组成的大型阵列天线 的特点，利用两次测量在不知道相似单元的方向图的情况下诊断出阵列天线的激 励系数。这种方法所有的求解过程均为线性方程的求解，求解速度非常快。在前 面的理论基础上研究了一种阵列天线赋形的方法。根据目标方向图和阵列天线的 结构计算出了阵列天线的激励系数。 关键词：近场诊断远场方向图共轭梯度法激励系数 a b s t r a c t s o m ek e yp r o b l e m so fs e v e r a ln e a r - f i e l dm e a s u r e m e n te r r o r sw h i c ha f f e c tt h e p r e c i s i o no fs i d e l o b ea n dn e a r - f i e l dd i a g n o s e sa r e s t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w i t h e m p h a s i so n n e a r - f i e l dt e c h n i q u e sf o re r r o ra n a l y s i sa n dc o r r e c t i o na sw e l la sn e a r - f i e l d d i a g n o s e so f a r r a ya n t e n n a t o g e t t h e p r e c i s i o no fs i d e l o b e ，t h ep o s i t i o n e r r o r sa r e g a i n e db yu s i n gt h e p a r a m e t e ro fn e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dt h ee f f e c to nt h ef a r - f i e l dr a d i a t i o n p a t t e r ni sa n a l y z e db yu s i n gt h ep o s i t i o ne r r o r s t h ee f f e c to f t h ef a r - f i e l dr a d i a t i o n p a t t e mo f t r u n c a t i o ne r r o ra r o u s e d b y f i n i t es c a na r e ai ss i m u l a t e da c c o r d i n gt ot h er u l e o fs c a na r e a h o wt h en o n l i n e a re r r o r sa f f e c to nt h ef a r - f i e l dr a d i a t i o np a t t e r ni ss t u d i e d a c c o r d i n gt o h p 8 5 3 0 1 br e c e i v e r s n o n l i n e a r i t y t l 璩e f f e c to ft h e f a r - f i e l dr a d i a t i o n p a t t e r no fa l i a s i n ge r r o r si se l u c i d a t e da c c o r d i n gt on y q u i s tt h e o r e ma n dt h es a m p l i n g c r i t e r i a t h ee f f e c to nt h ef a r - f i e l dr a d i a t i o np a t t e mo f s y s t e mp h a s ee r r o r si sa n a l y z e d h o wt h ec i r c u m s t a n c ea f f e c to nt h ef a r - f i e l dr a d i a t i o np a t t e r ni ss i m u l a t e db a s e do n m e a s u r e m e n td a t a 1 1 l ee f f e c to nt h ef a r - f i e l dr a d i a t i o np a t t e r no f m u l t i p l er e f l e c t i o n si s m e a s u r e da n dc a l c u l a t e db yu s i n gs e l f - c o m p a r i s o nm e t h o d t h ec u d e so ft o t a le r r o r s a r e g a i n e db yu s i n gt h ea m e l i o r a t e dm e a n s t h et o t a ls i d e l o b ee r r o r so fn e a r - f i e l d m e a s u r e m e n t s y s t e m a r ee v a l u a t e d r e a s o n a b l y ， t h em a t r i xe q u a t i o n sr d a t i n gn e a rf i e l d so l lt h ep l a n a rs u r f a c ew i t hs p e c t r u mf u n c t i o n sa r e d e d u c e db y u s i n gn y q u i s t - t h e o r e m , b a s e do nt h ec o u p l i n gf u n c t i o n sb e t w e e nt h ea u ta n dp r o b e t h es p e c t r u mf u n c t i o n sa r eo b t a i n e db yr e s o l v i n gt h em a t r i x e q u a t i o n sw i t hc o n j u g a t eg r a d i e n t m e t h o d a n dt h e p a r e mc a l l b e g a i n e d w h a ti s n e e d e do ft h i sm e t h o di st h e p o s i t i o n s o f m e a s u r e m e n tp o i n t s ，a n dw h i c hd o n tr e q u i r et h em e a s t n z m e n tp o i n t so ns p e c i f i c p o s i t i o n s t h e c a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to f p o s i t i o ne l t o r $ c a nb er e m o v e d e f f i c i e n t l yi nt h ep l a n a r n e a r - f i e l dm e a s u r e m e n t s an e wt e c h n i q u ea b o u ta r r a ya n t e n n ad i a g n o s i sf r o mn e a r - f i e l dm e a s u r e m e n t si s d e v e l o p e d t h ee l e c t r i c f i e l dr a d i a t i o np a t t e r no ft h er a d i a t i n ge l e m e n t sa n dt h ep r o b ea r en e e d e du s i n gt h e t r a d i t i o n a lm e t h o d t h ee q u a t i o n sr e l a t i n gt h ee x c i t a t i o nc o e f f i c i e n t sw i t hf i e l d sa tm e a s u r e m e n t p o i n t s a r e o b t a i n e d ，b a s e do nt h er e l a t i o no ft h ee x c i t a t i o nc o e f f i c i e n t so fa r r a ya n t e n n a ，t h e e l e c t r i c - f i e l dr a d i a t i o n sp a t t e r no f t h e r a d i a t i n ge l e m e n t sa n d t h ep r o b ea n dt h ef i e l d sa tm e a s u r e m e n t p o i n t s t h ee q u a t i o n sc a nb es o l v e dw i t h o u tt h ee l e c t r i c f i e l dr a d i a t i o np a t t e r no ft h er a d i a t i n g e l e m e n t sa n dt h ep r o b e b yu s i n gi n t e r p o l a t i o n t h en o n l i n e a re q u a t i o n sa r ed e d u c e d b y t h ec h o i c eo ft h ep o i n t so fm e a s u r e m e n t a n dt h eu s eo fi n t e r p o l a t i o n ，b yw h i c ha r r a ye x c i t a t i o nc o e f f i c i e n t s ，r a d i a t i o np a t t e r no f e l e m e n t s ，r a d i a t i o np a t t e r no fp r o b ea n dt h en e a rf i e l d so nt h es c a n n i n gp l a n a rs u r f a c e a r ec o n n e c t e d t h ea r r a ye x c i t a t i o nc o e f f i c i e n t sa n de l e m e n t s r a d i a t i o np a t t e r na r e o b t a i n e db yr e s o l v i n gt h en o n l i n e a re q u a t i o n s t h ef a r - f i e l dp a t t e mc a l lb e g a i n e db y t h e u s eo ft h ea r r a ye x c i t a t i o nc o e f f i c i e n t sa n de l e m e n t sr a d i a t i o np a t t e r n t h em i s t a k e so f t r a n s f o r m a t i o nf r o mn e a r - f i e l dt of a r - f i e l db a s e do n s p e c t r u mf u n c t i o n sc a r lb e e r a s e db y t h i sm e t h o d an e wt e c h n i q u ea b o u ta r r a ya n t e n n ad i a g n o s i si s d e v e l o p e db a s e do nf a r - f i e l d t h ee x c i t a t i o nc o e f f i c i e n t so f a r r a ya n t e n n aa r ed i a g n o s e dw i t h o u tt h er a d i a t i o np a t t e r n o fe l e m e n t sb yu s i n gt w i c em e a s u r e m e n t sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f l a r g ea r r a y a n t e n n ac o n s i s t i n go fa n a l o g i c a le l e m e n t s i t sv e r yf a s t ，b e c a u s ea l lt h ep r o c e s s e sa r e l i n e a la t e c h n i q u eo fs h a p e db e a mo fa r r a ya n t e n n ai ss t u d i e db a s i n go nt h et h e o r y a b o v e t h ee x c i t a t i o nc o e f f i c i e n t so f a r r a y a n t e n n aa r ec a l c u l a t e d k e y w o r d s ：n e a r - f i e l dd i a g n o s e s f a r - f i e l d p a t t e r nc o n j u g a t eg r a d i e n t m e t h o de x e i t a t i o nt o e f f i e i e n 协 创新性声明 y 5 8 3 5 6 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 型盏丛 同期 地裹i 丛坦区 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩影或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本人签名： 壹l 盎鱼 日期丝i 壅! 三堕! ! 坚 导师签名： 擅垡纽日期! ! ，h j 。 第一帝绪论 第一章绪论 i i 研究背景及意义 自从无线电波发现以来，天线作为电子设备与空间之间的接口，在雷达、电 子对抗、声纳、导航和通讯等领域的应用越来越广泛。随着国防和信息产业的发 展，对天线的要求越来越高。高性能的现代天线的分析和设计从来就离不开先进 的测试技术和测量系统。因为各种解析或者数值设计方法都是以各种模型为基础 的。这些模型仅仅只是对实际天线的一种逼近，它与实际问题总是存在或多或少 的差别的。它们的近似程度要靠试验测量来检验。另外，测量技术也可以及时诊 断和发现设计模型中的问题，以便对模型进行修正和改进。一方面，高精度的测 量系统指导高性能天线的设计。另一方面，高性能的天线对测量系统的精度提出 了更高要求，这就要求我们评估出测量系统的测量误差。 随着工艺的发展和计算机技术的进步，天线测试技术也取得了很大的进展， 目前已经形成了多种测量方法，包括远场、近场、聚焦场、紧缩场等。其中近 场测试方法以其独特的优点得到了越来越越多的应用。近场测试的优点包括没有 远场测量中的距离效应，可以全天候工作，安全保密，不受外界电磁干扰，能够 很好的控制和模拟各种电磁环境。能通过合适的软件有效地补偿各种测量误差， 其测量精度甚至优于远场测量精度。近场测试技术是一种间接测量方法，一般在 微波暗室里进行，用一个计算机控制特性已知的探头天线在包围并靠近被测天线 的表面上进行扫描，采样出探头对近场的幅相响应，然后根据测量数据、探头的 特性和扫描面的形状，通过算法和软件计算出被测天线的性能参数和全部信息。 根据扫描面的形状不同，近场扫描分为平面扫描、柱面扫描和球面扫描，而平面 扫描又根据采样点的分布方式分为平面矩形栅格、平面单极和平面双极三种 2 】。 早在上世纪5 0 年代，就有人提出了无探头修正的近场测量理论。1 9 6 3 年， k e r n s 研究了考虑探头修正的近场测量理论p l ，提出了近场测量的平面波散射矩阵 理论p a r i s 导出平面近场测量的耦合公式 5 1 。l e a c h 、y a g h j i a n 和b o r g l o t t i 等人推导了柱面扫描方式的耦合方程【6 ，7 ”。j e n s e n 、w a c k e r 和l a r s e n 等人研究了 球面扫描方式o 1 1 12 1 ，随后y a g h j i a n 提出了0 积分的直接算法，简化了球面耦合 公式盼“】，h a n s e n 研究了球面近场测量的理论、技术和应用【1 5 】。w a c k e r 还研究 了其它十几种坐标系下的扫描方式，希望能建立近场测量的统一理论【l “| 7 】。这些 研究工作为近场测量奠定了坚实的理论基础。 系统的测试精度对于任何测量系统来说是至关重要的，只有在对近场测试系统 近场测量误差分析峙近场诊断 进行误差评估以后，才能知道近场测量结果的可信度。早在1 9 7 5 年，y a g h j j a n 就 川17 而迈场测骨n 勺t - 耍误荠卜界进行了理沦分析，指出扫描面截断误差、扫抽 i 探失俯谢跌筹、接收帆非线性度以及探头和被测天线之间的多次耦合是影响近 场测量精度的主要误差。 探头的位置曝差的研究取得了很大的进展。n e w e l l 研究表明，扫描面上呈周 期分布的法相误差是主要的影响 旧】。一般采用硬件校准和软件补偿相结合的方法 采降低能置淡蓐，然后通过算法由包含已知位置误差的近场数据恢复无误差的近 场数捌，从而实现了误差补偿【2 f l i 。钊对位置误差的补偿，t o y 提出了k 一修f 法川； m uc h 运用t a y l o t 级数展丌，提出了广义n 阶修正法【2 2 】；但是这些方法都只能应 用于位置误差较小的情况。w i t t m a n n 提出了矩阵方法修正位景误差，但是计算量 很大1 2 引。 近场技术不但能计算出天线的远场特性，还希望能诊断天线研制过程中存在的 桀嫂i 题。关r 近场渗断已经提出了多种方法。基于平面波谱的方法是由探头响 应确定被测天线的平面波谱，然后再在忽略衰减模的情况下计算出口径场。浚方 法主要的计算是f f t 和i f f t ，但是忽略了衰减模 2 4 1 。基于等效磁流的方法是由积 分方程把扫描面上切向电场和口径面等效磁流的分布联系起来，然后求解矩阵方 程的广义逆来获得口径场幅相分布的总体最小二乘解，该方法没有考虑探头效应。 衰减波谱是影晌近场诊断精度的关键量之一。针对相控阵天线，可以利用波束扫 描实现平面波谱的平移合并来恢复衰减波谱 2 5 1 。阵列天线单元激励系数诊断的精 度和效率仍是近场诊断研究的重点。目前出现的方法在应用于工程上还存在着很 多急需解决的问题，在这方面还有大量的工作要做。本文在这方面做了一些工作。 第一章绪论 1 2 本论文的内容安排及主要研究工作 本论文深入研究了影响平面近场测量系统副瓣测试精度的各种误差和近场诊 断两方面的很多关键问题。 在第一章绪论中，作者阐明了本论文研究工作的背景和意义，概括了近场误 差分析和近场诊断两方面的研究现状和急需解决的问题，指出了今后研究的方向 和关键问题。 本论文第二章研究了影响平面近场测量系统副瓣测试精度的各项误差。利用 近场测试系统的扫描架激光校准后的扫描平面度、x 轴直线度、y 轴直线度、定位 重复精度、轴向定位误差等参数，确定测试点x 向、y 向和z 向的均方根位置误差， 然后模拟这种位罱误差对远场方向图的影响。根据扫描面的选取准则，模拟了扫 描面有限引起的截断误差对远场方向图的影响。根据h p 8 5 3 0 1 b 接收机的非线性误 差随电平的变化曲线研究了接收机非线性误差对远场方向图的影响。根据n y q u i s t 定理和扫描点的取样间隔阐明了离散取样引起的混迭误差对远场方向图的影响。 分析了电缆引起的系统的相位误差对远场方向图的影响。根掘测量的实际情况模 拟了环境对远场方向图的影响。利用自比较法测量并计算出多次耦合对远场方向 图的影响。最后，改进了误差迭加的传统方法，给出了总误差曲线。对平面近场 测量系统副瓣测试精度给出了合理的评估。 第三章详细研究了一种修正位置误差的方法。根据波谱和探头响应之间的耦 合方程，推导了联系波谱和探头响应的矩阵方程，用共轭梯度法求解这一矩阵方 程得到波谱函数，从而进一步得到消除位置误差影响的远场方向图。最后，推广 了这一方法。 第四章提出了一种阵列天线近场诊断的矩阵方法。根据阵列天线单元激励、 阵列单元方向图、探头方向图和探头响应之间的耦合方程，在假设阵列单元为相 似单元的隋况下，适当的选取测量点的位置构造出特殊的矩阵方程，最后利用多 项式差值在不知道单元方向图和探头方向图的情况下诊断出了阵列天线的单元激 励系数。并将这一种方法推广到阵列单元不相似的情况。 第五章是在第四章的基础上详细研究了一种基于近场诊断的近远场变换方 法。这种方法很好的消除了传统方法的不足，计算精度很高，误差很小。而且对 于由相似单元组成的大型阵列天线，在同样的可信角域的情况下，传统的方法所 需要的扫描点数是这种方法的9 7 倍。而且计算出的远场方向图没有截断误差和 混迭误差影响。 第六章提出一种基于远场方向图的诊断方法。根据由相似单元组成的大型阵 列天线的特点，利用两次测量在不知道相似单元的方向图的情况下诊断出阵列天 近场测量误差分析与近场诊断 线的激励系数。虽然这个方程有激励系数和相似单元的方向图两组未知数，是一 个非线性方程组，但是这种方法所有的求解过程均为线性方程的求解，求解速度 非常快，很适合于求解大型阵列天线。 第七章是在第六章的基础上研究了一种阵列天线赋形的方法。根据目标方向 图和阵列天线的结构计算出了阵列天线的激励系数，在该激励下，阵列天线的方 向图和给定的目标方向图的方差最小。 第八章为结束语，对全文的工作加以总结综述研究结果及结论，并提出有 待于进一步研究和解决的几个问题。 第一二章i t 血近场测量系统剐瓣测试精度计估 第二章平面近场测量系统副瓣测试精度评估 2 1 引言 对任何测量来说，给出测量结果的准确程度即误差大小是非常重要的。由平 面近场技术确定天线的特性是一种间接的测量方法，其测量结果的不确定性由多 种因数决定。主要误差源可归纳为如下三个方面共1 8 项： ( 1 ) 现有的近场理论存在的缺陷。 目前所用的由探头在近场扫描面的测量数据计算天线远场特性的变换 公式是在忽略探头( p r o b e ) 与待侧天线( a u t ) 之间多次耦合的前提下得 到的。这一假设引起结果的误差称为p r o b e - a u t 多次耦合的影响误差。 ( 2 ) 实际实现近远场变换计算时引起的误差，包括： 由离散取样引起的混迭误差。 由取样平面有限引起的截断误差。 计算机的舍入、插值等引起的误差。 ( 3 ) 获得测量数据的误差以及探头确定特性的误差。 探头扫描时的位置误差( 实际取样位置与理想平面栅格点上位置的差 别) 系统的相位误差( 主要由接收机测相误差、电缆摆动、温度变化等引 起) 接收机幅度的非线性。 接收机动态范围有限。 暗室环境的影响。 漏失与交调。 探头的归一化方向图 探头的增益。 探头的极化比。 探头与a u t 的对准。 a u t 相对于扫描面的对准。 阻抗失配系数。 归化常数测量误差。 随机误差。 影响副瓣测量精度主要是下面七项误差：探头的定位误差、扫描面有限引起 的截断误差、接收机非线性误差、离散取样引起的混迭误差、系统的相位误差、 环境的影响和多次耦合的影响。本章的目的是根据4 9 6 平面近场系统的机械测量 精度、定位精度、工作环境、所用仪器等情况，对该系统在l 波段测量天线方向 近场测盘误差分析与近场诊断 蚓剐瓣的精度进行估算，给出对一4 0 d b 副瓣测量的误差范围。 我们用计算机模拟了前面六种误差对远场方向图的影响并用自比较法测量了 最后。种误差对远场方向图的影响。如果以上各种误差是彼此独立的，我们就可 以得到这此误晕对方向图总的影响，即可以得到这个平面近场测量系统的副瓣测 节精度。 2 2 模型的建立 i | i 于法近场系统主要使命是测量相控阵天线，为了使数值仿真更加符合实 际，我们将待测天线模型这样建立：以一个位于x o y 平面的半波阵子构成的矩形 人线阵列作为待测天线。其中，阵子沿y 轴放置。我们设沿x 轴方向的半波振子 数为m ，沿y 轴方向的半波振子数为n 。阵列单元沿x 轴方向的间距为d x ，沿y 轴 方向的间距为d y 。阵列沿x 轴方向的电流分布为一4 0 d b 副瓣的切比雪夫分布，沿y 办向的电流分们j 为余弦分布。理想扫描面到阵列中心0 的距离为d 。扫描面上沿x 方i 柚的取样点数为m ，沿y 方向的取样点数为。沿x 方向的取样间隔为心， 沿y 力向的取样川隔为y 。如图( 2 一1 ) 所示。 ! 舨 i i z r 幽( 2 一1 ) 计算模型示意图 不失一般性。假设矩形天线阵列沿x 轴和y 轴方向的半波阵子数以及扫描 而f ：沿x 方向和y 方向的取样点数均为奇数，且m = 2 m 。+ l ，n = 2 n + 1 ， m 2 m 二+ 1 ，= 2 n ! + l 。则该矩形天线阵的远场方向图为 ， f ( 目，妒) = z ) ( 口妒) ，川，p 业”一机叫出枷8 瞄9 s 抽矗。憾弛h 4 一“t 一1 咖。h 。d “p 一9 “岛3 “) 】 i ”i ( 2 1 ) 乓中t ，。为阵列单元上电流的相对幅度分布，可由下式确定： 第一二章平面近场测量系统硎瓣测试精度订浒 ，。= ，1 ) 2 ( h ) 其中i ，m = l ，2 ，3 ，m ：n = 1 ，2 ，3 ，n 。 这里取i ( m ) 为一4 0 d b 副瓣的切比雪夫分布， ( 2 2 ) ，：( ”) 为余弦分布，即有 “加c o s ( 华) ( 2 _ 3 ) 五( 目，q o ) 为沿y 轴放置的半波阵子的远场方向图，由下式给出 ，c o s i s i n 仃s i n 舻j 旭加警i 羔( s i n o c o s 0 0 + c o s ( o 驴) ( h ) 式中，为波腹电流，玎为波阻抗。 设阵列单元上电流的相对幅相分布为 ，。em 1 。1 ”岛。5 “”，“，将( 2 4 ) 式代入( 2 一1 ) 式，得 确，：等裟 ，。一”“胁”。“”巩。“j + ”。一”。“4 ，5 。“1 ( s i n k2 ( k = 等薅，霹建戆是衰减模，装襄藏霆子为 e x p ( 一；+ k ：一k 2 d ) ，当+ ；碟= ( 1 s k ) 2 时，若d = 2 a ，则袭减量大于1 2 2 d g ： 而且i 十r ；越大，衰减越侠，所以当后。、，慎很大时，f ( k ，k ，) 就趋于零，这样， 当瓤瑟弩是够夺鼹善丢f 魄一m 2 船x ，k ，_ 罟) 与f 汽匆) 奁m 1fimq2 * _ - - _ 1 ( 鑫? 燃蟮 近场测量误差分析与近场诊断 一一2 1 k ， 望，一旦 k 竺的范围内几乎完全一样。我们就可以把缸和a y 足 血 血 缈 7 缈 够, , m j - 的波谱当作理论的波谱函数f ( k 。一k ) ，从而可以得到混迭误差影响足够小 的远场方向图。在这罩我们取m = 4 9 3 n ，_ 2 1 3 ，a x = 0 1 1 2 5 2 ，缈= o 1 1 2 5 五， d = 2 五可以算得混迭误差影响几乎可以忽略的远场方向图，然后取m ，= 1 2 3 ，= 5 1 ， 出l o 4 5 五和每_ 0 4 5 n d = 2 2 , 算出波谱函数善莓f 一一m7 篆 ，一茜卜 从而得到远场方向图。比较上面两个方向图，它们之差就是缸= o 4 5 2 , 和y = o 4 5 2 时的混迭误差。 最后，我们得到当舅、= o 度，a x = o 4 5 兄和a y = o 4 5 & 时，在0 = 7 7 4 度，峰值 为一4 0 d b 的副瓣上峰值有最大误差，其误差电平值为0 2 0 4 4 d b ( 当a x = 0 5 2 和 a y = o 5 2 时，最大误差电平为0 3 8 8 4 d b ) 。如图( 卜1 4 ) 所示。 - 口 v 型 骧 龀迭误麓对远场h 面方向圉的影响 l l 无混迭误簪影响的方向图 。、m l f 础豫黼嘲iil _l_ l _黝i酬【煳脚撇n _ r i i i l懈ll i碉l l8娜岫i i i1 ! i l _ f f 刖_ ” 。lr l i f | | 0 角度( 度) 幽( 2 1 4 ) 吼= o 度时混迭误著对远场h 面方向图的影响 当妒。，= 0 度吼= 6 0 度，a x = 0 4 5 2 和, x y = 0 4 5 3 , 时，在0 = - 7 2 9 度，峰值为- 4 0 d b 的副瓣上峰值有最大误差。其误差电平值为0 2 7 2 4 d b ( 当缸= 0 5 2 和缈= o 5 2 时， 最大误差电平为0 5 5 1 4 d b ) 。如图( 2 一1 5 ) 所示。 笙兰皇! 堕堑塑型墨墨丝型墨塑堕壁竺鲨堡一 ! l - o 一 刳 + 丑 混迭误著对远场h 面方向图的影响 一无泄迭误 事影响的方向图 l i 混迭误毫影响的方向幽 锄 i f獬孵煳9嬲懈 惑j lf l i ”；i | 1 l ，l 1 ：i i i i 角度( 度) 幽( 2 1 5 ) = o 度日o = 6 0 度时混迭误差对远场h 面方向图的影响 2 3 5 电缆相位误差 首先我们取m = 1 2 3 n = 5 1 ，) c = o 4 5 a ，a y = o 4 5 a ，d = 2 a ，算得理论 的近场测量值，由这个近场值计算出远场方向图。然后，根据电缆摆动引起的系 统相位最大误差一般为3 度，我们将理论的近场值叠加上均值为零均方值为1 度 正态分布的随机相位误差。接着，由这个包含随机相位误差的近场计算出远场方 向图。最后，比较两个方向图的差别就得到了相位误差对方向图引入的误差。由 于这样的随机序列很多，不同的随机序列得到的误差也不一样，我们计算了大量 的随机序列取其中误差最大的得到： 当巩= o 度时，在口一2 8 度，峰值为- 4 0 d b 的副瓣上峰值有最大误差，其误 差电平值为0 9 0 5 2 d b 。如图( 2 1 6 ) 所示。 当伊。= 0 度吼= 6 0 度时，在8 = 6 8 7 度，峰值为一4 0 d b 的副瓣上峰值有最大误 差，其误差电平值为0 9 5 1 5 d b 。如图( 2 一1 7 ) 所示。 近场测量议差分析j 近场诊断 龅机嗣l 位误差埘远场h 面方m 图的澎响 】 尤硐1 世讲 i f i 一嬲吲l猢黼删1n 飙wm n ， v y 川8l f ff 。 f ”、 i f 彤 l o | 1 c l l 角度( 度) 蚓( 2 一1 6 ) 只，= 0 度时随机相何误若对远场h 面方向幽的影响 随机柏位漠茬对远场h 血与向圈的影响 i e 阳机i ，、 仃谍r i ；响的片i li 闰 仃随机州位漤芷毓n ! i 0 的方l ii 图 1i i | 1 ”黼腑 珊删 黼 叫” i i r 。l 1 i 州l i i j r i 。 i i 第二带r 面近场测量系统剐瓣测试精度评估 9 的作为最后结果，如图( 2 1 8 ) 所示。 口 一妇 环霄黟甜d 远场i - i 面期自图的目扣自 li l 无环瞄是簪鞠可自方1 j 刳 训f 删瓣黼嘲脯9删觥 删 8 l 附 + l f 扩i ! 【，? i ，lll l i fl r ll i fl i i i l 角j 翅如 幽( 2 一1 8 ) 目。= o 度时环境误差对远场方向幽的影响 目。：o 度时在一7 5 度至1 j + 7 5 度的范围内，在目= 4 2 6 度峰值为一4 0 d b 的翮 瓣上峰值有最大误差，其误差电平值为1 0 5 7 2 d b 。如图( 2 一1 8 ) 所示。 占 已 锚 犟 环境误差对远场h 面方向图的影响 一无环境月 响的方日图 有环境目；响的方f图 吨一 叶y f 8 嗍l 。黼i嘲卿嗍0 11 1y 酾。i ”1 il 【。| | |l li l l l l f i i l 。 1 8 0- 6 0- 4 0 - 2 002 0 4 06 0 角度( 度) 8 0 j 划( 2 1 9 ) = 0 度或= 6 0 度时环境误著对远场方向图的影响 妒。2 0 度瓯2 6 0 度时，在一7 5 度蛰j + 7 5 度的范围内，在曰一4 3 1 度，峰值为 4 0 d b 的副瓣上峰值有最大误差其误差电平值为1 1 9 7 0 d b 。如图( 2 1 9 ) 所示。 近场测量跌差分析。j 近场诊断 2 3 7 多次耦合误差： 山：、r 嘶近场测量理论忽略了探头和待测天线之问的多次反射，因此应用近 场测精理沦是无法模拟和计算出多次耦合误差的。这取我们应用自比较法测量多 次祸合误蒡对方向图的影响。自比较法要求系统有很好的重复性，我们在相同的 祭f * ii - ，两次测毓同一个天线，最后分别计算出远场方向图，如图( 2 2 0 ) 所示。 这胁个方向例吻合得相当好，它们在峰值为一3 6 d b 的副瓣上峰值最大误差为 0 0 9 2 8 d b 。这说i 蝈系统有很好的重复性，可以用自比较法测量该系统的多次耦合 瞑芹。 验证囊盟性的方向图 撕k 测骨r z ：柑的，向圈 一+ 旃 凡洲面弹褂蚋，| l | j 幽 ，。 删1v胁6 。 f i 止8 4 厂i 踽村 l yi 嘏。棚；n f i 幽( 2 2 0 ) 验证系统重复性的方向豳 我们在暗室中将天线固定在x o y 平面内。取距离天线平面2 4 1 6 7 五的平面为 扫描平丽对天线进行重复测量多次，将近场数据取均值算出远场复方向图。然后 】 将扫描面沿z 方向平移竺，即平移到距天线平面2 1 6 6 7 a 的平面上，再对天线按 4 上面的参数测量多次，取均值算出远场复方向图。当扫描面足够大时，可以认为 两次测鞋引入的截断误差对方向图的影响均可忽略。出于两个远场复方向图对应 多次反射的两种极限，我们将两个复方向图取均值得到的方向图就可以认为是没 仃多次反射的理沦方向图。将这个理论方向图与原来的两个方向图比较就可以得 到多次耦合对方向图的影响。通过测量，我们得到在峰值为一3 6 d b 的副瓣上最大误 荐为0 2 8 9 5 d b 。转化为一4 0 d b 电平上的误差为0 4 6 3 4 d b 。如图( 2 2 1 ) 所示。 第一二辛卜血近场测量系统创瓣测试精度计什 - 盆 已 孥 _ 一一消| i j；弓，t 州uh 第一个位置的z向幽 一第一：个位置的， 向倒 l ， 一a i 。括趾m 。脑4 删挫鳓黜i f” i f 船飙。黼 一6 0- 4 0- 2 002 04 06 0 角度( 度) 倒( 2 2 1 ) 多次耦合对方向幽的影响 2 4 总误差的计算 2 4 1 总误差 我们假设以上各种误差是彼此独立的，则总误差占。为 占，= ，酽( 2 - - 1 3 ) v 1 6 为各个独立的误差。 应用公式( 2 1 3 ) 就可以得到这些误差对方向图总的影响，即可以得到这 个平面近场测量系统的副瓣测量精度。如表( 2 一1 ) 所示( 括号内表示缸= 0 5 五和 却= o 5 a 时对应的误差) ： 近场测苴以差分析。i 近场诊断 袁( 2 一1 )影响副瓣测试精度的各个误差和i 总误著 0 。= 0 度= 0 度吼= 6 0 度 位置误差( d b ) 0 3 8 4 50 3 9 3 6 截断误差( d b ) 0 7 7 8 10 8 5 3 3 非线性误差( d b ) 0 1 4 3 50 2 2 2 4 混迭误差( d b )0 2 0 4 4 ( 0 3 8 8 4 )0 2 7 2 4 ( 0 5 5 1 4 ) 电缆相位误差( d b ) 0 9 0 5 2 0 9 5 1 5 环境误差( d b ) 1 0 5 7 2i 1 9 7 0 多次耦合误差( d b ) 0 4 6 3 4 0 4 6 3 4 总误差( d b )+ 1 6 4 5 3 ( 1 6 7 1 3 )+ 1 7 9 5 5 ( 1 8 4 5 1 ) 一1 8 1 7 7 ( 一1 8 5 6 3 ) 。- 2 0 0 1 3 ( - 2 0 7 5 6 ) 、冈“近场测最系统副瓣测试精度评估结论： 、川u 近场测艟系统测量的天线在h 面且目在一7 5 度n + 7 5 度的范围内的副瓣的 测亿i 总i ) t 簏蛐1 、：若缸取0 ：4 5 2 、a y 取o 4 5 2 ，当不扫描( e o ：o 度) 且截断电、f 低于一4 0 d b 时，峰值为一4 0 d b 的副瓣上峰值最大误差不大于1 8 1 7 7 d b ：当扫描到 妒。= o 度，e o = 6 0 度且截断电平低于一3 6 d b 时，峰值为一4 0 d b 的副瓣上峰值最大误差 玎；大r2 0 0 1 3 d b 。若血取0 5 丑、缈取0 5 a ，当不扫描( 酿= o 度) 且截断电平低 f 一4 0 d b 时，峰值为一4 0 d b 的副瓣上峰值最大误差不大于1 8 5 6 3 d b ：当扫描到妒。= o 度，8 0 = 6 0 度且截断电平低于一3 6 d b 时，峰值为一4 0 d b 的副瓣上峰值最大误差不大 于2 0 7 5 6 d b 。 2 4 2 误差曲线 从上面的计算结果可以看出，各个误差的最大值对应的角度并不一样。例如： 只，= ( ) 度时，存一7