天线近场测量的综述.pdf

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x/2y/2柱面z/2/2a球面/2a/2a极平面/2/2a表中：—工作波长；d—探头距被测天线口径面的距离；a—完全包围教测天线最小柱面或球面的半径；a—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]s(1)21/d2若d/2，那么取样间距应取为小于/4，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L与口x径面尺寸D有如下关系，参看图2。LD2dtg(2)x只要d选定，可由测量精度求得[5]，那么L是确信的。通常工程上要求和幅度方向图副瓣电x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3)LZxrDyx图2一维平面扫描取样面与被测天线图1表2所用的坐标系口面尺寸的几何关系L2X|(3)xE40dB式中，X|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。E40dB3．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