天線特性參數(shù)的測量有多種方法，目前，主要的方法包括三大類：天線的遠(yuǎn)場測量、天線的緊縮場測量、天線的近場測量。其中，因天線特性主要是定義在天線的遠(yuǎn)場區(qū)故遠(yuǎn)場測量更為直接準(zhǔn)確，而緊縮場測量天線主要是拉近遠(yuǎn)場所需遠(yuǎn)場條件：d≥2D2/λ，其通常采用一個(gè)拋物面金屬反射板，將饋源發(fā)送的球面波經(jīng)反射面反射形成平面波，在一定遠(yuǎn)距離處形成一個(gè)良好的靜區(qū)。將天線安置在靜區(qū)內(nèi)，測量天線的遠(yuǎn)場特性，其類似于遠(yuǎn)場測量，只是縮短測量距離，便于在理想遠(yuǎn)場環(huán)境（暗室）下進(jìn)行測量。

比較而言，天線近場測量技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，其對(duì)設(shè)備要求低，不需要造價(jià)昂貴的暗室環(huán)境，也不需要遠(yuǎn)場測量下，對(duì)射頻系統(tǒng)的較高的要求。

傳 統(tǒng)的遠(yuǎn)場測量由于受地面反射波的影響，難以達(dá)到這么高的測量精度。另外，遠(yuǎn)場測量還受周圍電磁干擾、氣候條件、有限測試距離、環(huán)境污染和物體的雜亂反射等 因素的影響，已經(jīng)越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星天線的測量要求。新一代的天線測量技術(shù)是以近場測量和緊縮場測量為代表的。近場測量技術(shù)利用探頭在天線口面上做掃 描運(yùn)動(dòng)，測量口面上的幅度和相位，然后把近場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場。由于近場測量只需測量天線口面上的場，就可避免遠(yuǎn)場測量的諸多缺點(diǎn)，而成為獨(dú)立的一門測量技 術(shù)。

近場測量技術(shù)主要是指頻譜近場測量技術(shù)，通過研究被測信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻譜分析，從而得到近場天線的各項(xiàng)參數(shù)。與遠(yuǎn)場測量不同的是，其通過采集天線近場區(qū)域輻射場的數(shù)據(jù)，經(jīng)近場——遠(yuǎn)場變換，由計(jì)算機(jī)得到天線的遠(yuǎn)場特性。只要保證一定的幅度和相位測量精度，即可較為準(zhǔn)確的得到遠(yuǎn)場特性。

頻域近場測量中，信號(hào)源發(fā)射連續(xù)信號(hào)，適用于頻域平面波譜分析，在時(shí)域近場測量技術(shù)中，信號(hào)源發(fā)射的是脈沖信號(hào)，用時(shí)域平面波譜分析比較合適。

1994 來，美國的Rome實(shí)驗(yàn)室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Yanghjian提出了時(shí)域平面近場測試方法，并推導(dǎo)出時(shí)域內(nèi)的格林函數(shù)表達(dá)式和平面波普表達(dá)式，同時(shí)分析了探頭誤差分析與修正公式。國內(nèi)在此領(lǐng)域 研究比較少，北京理工大學(xué)搭建了國內(nèi)第一個(gè)時(shí)域近場測試系統(tǒng)。

天線的測量經(jīng)歷了一個(gè)從遠(yuǎn)場測量到近場測量的發(fā)展過程。遠(yuǎn)場測量是直接在天線的近場區(qū)對(duì)天線的電磁場進(jìn)行測量，所以測量場地和周圍范圍電磁環(huán)境對(duì)測量精度影響比較大，對(duì)某些天線來說，要求測量距離要遠(yuǎn)大于2D2，其中D為被測天線的口徑尺寸，λ為工作波長，而且對(duì)測量場地的反射電平、多路徑和電磁環(huán)境干擾的抑制都提出了很高的要求，這些要求在遠(yuǎn)場條件下往往很難滿足。隨著測量設(shè)備和計(jì)算手段的不斷進(jìn)步，天線的電氣特性可以在微波暗室內(nèi)通過近場測量更方便、更精確的測得。

近 場測量是在天線近區(qū)范圍內(nèi)，求得天線的遠(yuǎn)場特性。由于其不受遠(yuǎn)場測試中的距離效應(yīng)和外界環(huán)境的影響，故具有測試精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列 優(yōu)點(diǎn)，并且能很好的模擬和控制各種電磁環(huán)境，并通過合適的軟件有效的補(bǔ)償各種測量誤差，其測量精度甚至優(yōu)于遠(yuǎn)場測量，從而得到越來越多的應(yīng)用，一直是人們 研究的重點(diǎn)課題，也是當(dāng)前高性能天線測量的主要方法之一。

早在20世紀(jì)50年代，國外已經(jīng)開始了天線近場測 量的研究。國內(nèi)的近場測量的理論研究及實(shí)驗(yàn)探索開始于20世紀(jì)80年代，西安電子科技大學(xué)在1987年成功 研制了我國第一套天線近場測量系統(tǒng)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為天線近場測量系統(tǒng)的核心設(shè)備以及射頻和微波產(chǎn)品性能的主要測試儀器，多年來在精度、速度、動(dòng) 態(tài)范圍和操作界面等方面都有較大的改進(jìn)，對(duì)天線近場測量系統(tǒng)的性能優(yōu)化起了很大的推動(dòng)作用。

1 天線近場掃描法測量系統(tǒng)

近場測量方法包括：場源分布法、近場掃描法、縮距法、聚焦法和外推法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)范圍。本文主要討論近場掃描法來測量天線各項(xiàng)特性。

近 場掃描法是用一個(gè)特性已知的探頭，在離開待測天線幾個(gè)波長的某一表面進(jìn)行掃描，測量天線在該表面離散點(diǎn)上的幅度和相位分布，然后應(yīng)用嚴(yán)格的模式展開理論， 確定天線的遠(yuǎn)場特性。測量面可以是平面、柱面或球面，相應(yīng)的近場掃描法稱為平面、柱面或球面近場測量。從上世紀(jì)80 年代初，我們開始了對(duì)近場測量技術(shù)的研究，于1987年研制出了我國第一套近場測量系統(tǒng)。此后一直從事天線近場測量技術(shù)方面的研究及推廣。

任何近場測量方法，都需在指定的曲面上規(guī)則地采集幅度和相位數(shù)據(jù)。給定曲面幾何形狀，數(shù)據(jù)和參考天線（探頭）的特性，通過測量天線的近場特性，經(jīng)近場-遠(yuǎn)場變換，由計(jì)算機(jī)處理、確定待測天線的遠(yuǎn)場特性。

最常用的掃描技術(shù)包括：平面近場（PNF），柱面近場（CNF）和球面近場（SNF）。每一種都需將平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)在理想曲面上的掃描。

近 場掃描法測量系統(tǒng)主要由射頻子系統(tǒng)，掃描子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。最簡單的射頻子系統(tǒng)包含能夠向AUT提供射頻功率的某種類型的信號(hào)源以及能夠檢 測探頭接收信號(hào)的接收機(jī)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，幅度和相位數(shù)據(jù)在測量表面的已知位置（如文中的網(wǎng)格點(diǎn)處）采集，通過掃描探頭對(duì)特定位置處場值的記錄，計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)生成所測得的數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)通過傅里葉變換實(shí)現(xiàn)近場遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而得到天線的遠(yuǎn)場特性，再可由matlab軟件繪出相應(yīng)遠(yuǎn)場的幅值和相位隨位置 的變化的波形圖。整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)及定位均有數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)（DCCS）監(jiān)視并控制，因而，需由電腦全自動(dòng)控制，這樣既保證轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角的精度，各背景的恒 定，以盡可能減小外界額外環(huán)境的干擾，提高測量準(zhǔn)確度。此外，由于對(duì)天線近場的測量點(diǎn)非常多以及每次參量的變化對(duì)背景的重新測量，得到的數(shù)據(jù)量極大，計(jì)算 機(jī)發(fā)送接收這些數(shù)據(jù)

2 天線近場測量機(jī)械掃描子系統(tǒng)

任何近場測量理論中，幅度和相位數(shù)據(jù)是在某些特殊面上按規(guī)律的方式獲 取。給定面的幾何形狀，數(shù)據(jù)和參考天線（探頭）的特性，優(yōu)先選用一種高效的變換來確定待測天線的遠(yuǎn)場特性。最常用的掃描技術(shù)有平面近場（PNF），圓柱面 近場（CNF）和球面近場（SNF）。每一種都需要將平移與轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合完成理想面上的掃描。

3.1 PNF近場掃描

PNF掃描要求較小的暗室環(huán)境，校準(zhǔn)技術(shù)和相當(dāng)簡單的數(shù)理分析。該技術(shù)最適合于像碟狀或相位陣列這樣的高度定向天線，這類天線幾乎所有的接收和發(fā)射的能量都會(huì)通過平面掃描區(qū)域。

矩形掃描是一種常用的PNF技術(shù)，如圖1所示，掃描的數(shù)據(jù)是在網(wǎng)格上特定的x，y點(diǎn)處收集得到。探頭放置在沿y軸的直線滑軌上。y軸滑軌安放在沿x軸向的第二個(gè)滑軌上。

圖1 PNF近場掃描

平面近場掃描儀由一對(duì)正交安裝的導(dǎo)軌組成，其中豎直安裝的導(dǎo)軌在水平安裝導(dǎo)軌上面，探頭安裝于豎直導(dǎo)軌上掃描整個(gè)平面。掃描平面一般與待測天線的口面平行。掃描架需調(diào)整至x軸和y軸垂直。

采樣是測量數(shù)據(jù)中兩相鄰數(shù)據(jù)所需的最短周期。在x和y方向小于λ/2的步進(jìn)間隔一般都能滿足采樣準(zhǔn)則。

當(dāng) 然，理論上假定無限大的掃描平面在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中很顯然極不現(xiàn)實(shí)。為了確定掃描區(qū)域是否足夠大，通常是將某掃描區(qū)域邊緣之外的數(shù)據(jù)設(shè)置為零，并觀察計(jì)算出的 遠(yuǎn)場變化多大。當(dāng)遠(yuǎn)場變化比較明顯時(shí)，說明掃描區(qū)域內(nèi)測得的數(shù)據(jù)量過少，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾訏呙椟c(diǎn)數(shù)，從而保證經(jīng)變化得到的遠(yuǎn)場近似于待測天線的遠(yuǎn)場。減小由邊 界截?cái)鄮淼臏y量誤差。

PNF還需考慮各種校正處理，如：電纜抖動(dòng)、探頭位置、阻抗失配、熱漂移校準(zhǔn)等。這些校正理論的發(fā)展很大程度上提高了近場掃描的測量精度，促進(jìn)了近場掃描在實(shí)際中的應(yīng)用。

3.2 CNF近場掃描

典 型的柱面近場掃描設(shè)備是將待測天線安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)之上，掃描探頭沿平行于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的直線方向上移動(dòng)。通過合理地配置這些運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確的定位需要測量的網(wǎng)格點(diǎn)位 置，保證探頭能夠在柱面特定的網(wǎng)格點(diǎn)處獲取近場振幅和相位數(shù)據(jù)。同樣通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)近場遠(yuǎn)場變換處理，來得到天線的遠(yuǎn)場特性。同平面掃描相比，柱面掃 描對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制更為復(fù)雜，即對(duì)機(jī)械系統(tǒng)提出了更高的要求。由于其是對(duì)待測天線周圍柱面空間的場進(jìn)行測量，那么，對(duì)于波束俯仰角較小而方位角范圍較廣的天線， 這種測量的結(jié)果相對(duì)于平面掃描信息量更大，誤差更小，對(duì)天線特性的反映更為準(zhǔn)確。

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