天线近场测量的综述

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

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

表中：λ —工作波长；d—探头距被测天线口径面的距离；α—完全包围教测天线最小柱面或球面的半径；α'—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d≤λ/2，则取样间距应取为小于λ/4，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Lx与口径面尺寸D有如下关系，参看图2。

(2)

只要d选定，θ可由测量精度求得^[5]，则Lx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(d≥λ)

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

L_x=2X|_E=-40dB (3)

式中，X|_E=-40dB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)

三、近场测量技术的现状

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。

表4 近场测量系统的分布

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。

表7 频域四种取样方式特点

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。

表6 近场测量的分类

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

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