天线近场测量的综述

内部天线近场测量的综述An OutIine of Near Field Antenna Measurement一 引 言天线工程一问世天线测量就是人们一直关注的重要课题之一，方法的精确与否直接关系到与之配套系统的实用与否。随着通讯设备不断更新，对天线的要求愈来愈高，常规远场测量天线的方法由于实施中存在着许多困难，有时甚至无能为力，于是人们就渴望通过测量天线的源场而计算出其辐射场的方法。然而由于探头不够理想和计算公式的过多近似，致使这种方法未能赋于实用。为了减小探头与被测天线间的相互影响，Barrett等人在50年代采用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，这一技术的出现，解决了天线工程急待解决而未能解决的许多问题，从而使天线测量手段以新的面目出现在世人的面前。四十多年过去了，近场测量技术已由理论研究进入了应用研究阶段，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分布，为设计提供可靠、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段，进而使此项研究进入了用近场测量的方法对目标成像技术的探索阶段。二、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，其研究方向大致经历四个阶段，如表1所示。表1 近场测量技术所经历的时间时间研究方向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等人的实验之后，Richnlond等人用空气和介质填充的开口波导分别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比较，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。于是人们就分析其原因，最终归结为探头是非理想起点源所致，因此，出现了各种方法的探头修正理论。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法的准确性4，其中取样间隔、探头型式的选择以及误差分析是研究者们关心的热门问题。2 取样间隔及取样间距由于模式展开理论是建立在付里叶变换的基础上，根据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(取样间距选取的准则)，取样间隔与取样间距按表2所示的准则进行选取(参看图1坐标系)。表2 取样间隔与取样问距的准则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如果d变小，则取样间隔可按下式计算6 (1)若，则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影响取样面尺寸与被测天线的口径面大小有关。对于一维平面扫描的情况，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，则是确定的。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，其它情况依次类推。3探头型式的选择无论是采用何种扫描形式，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。满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。所以Grimm 等人10提出了用“零探头” 的方法进行测量，Hannssen等人11用此方法对副瓣为-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，对天线测量有影响的误差源有18项之多，按其产生的原因可分为四个方面： 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，对于平面扫描的情况，这些误差对天线参数影响的上界已由Newell等人给出了解析表达式7,12-14 ，并由Jensen等人进行计算机模拟10,15；对于柱面和球面扫描，过些误差源对天线电参数的影响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影响的电参数。其中理论公式和计算引入的误差只要按表2准则进行选取取样间隔和间距，则这些误差可以忽略不计。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0.50mm0.13mm副瓣位置0.25mm0.05mm副瓣振动0.13mm0.01mm副瓣被测天线瞄准0.1度0.01度瞄准增益0.5dB0.1dB副瓣瞄准1度0.25度副瓣方向图1.0dB0.25dB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1.0dB0.2dB副瓣随机0.3dB0.1dB副瓣动态范围40dB60dB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0.5dB0.1dB副瓣表4 近场测量系统的分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Chun Shao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英国飞机公司康奈尔大学哈里斯有限公司平面/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 近场测量系统的部分技术指标和功能电指标频率单频0.045140GHz扫频0.045140GHz幅度动态范围95dBm灵敏度-110dBm精度0.05dB/10dB0.2dB相位范围180精度0.4/10dB1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1m1m25m25m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1800180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分布及性能指标从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相继建立了近场测量系统，如表4所示，它们的功能和部分技术指标如表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，从这个表格可以看出，部分应用研究方向仍是未来研究继续探讨的方向。2近场测量的分类根据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 望回顾过去的前人所做的工作，可以看出未来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开报导。2低或超低副瓣天线的实时检测口径诊断虽然有了可喜的进展21-24，但距实用还相差较远。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索时期，近场散射测量的探头型式还须进一步的探讨。4目标成像的研究虽刚刚起步25,26，但应用前景非常广阔。5测试环境引入的误差研究，虽然有了时域理论17，但尚未推广使用，其原因是工程实施较困难，简单已行的工程实用研究仍是研究的主要课题之一。参考文献1 D. 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