前饋拋物面天線平面近場測試

李立哲，李 科，宋 鋒，王進凱

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

天線近場測試可以克服大天線遠場測試時測試距離的限制，其中平面近場測試因其數(shù)學計算簡單，在大天線測試中應用廣泛[1-3]，它是用一個特性已知的掃描探頭在距待測天線(3～5)λ處的某一表面進行掃描，記錄下探頭接收電壓的相位和幅度隨位置變化的關系,由這些數(shù)據(jù)通過近遠場變換,確定天線的遠場特性[4-8]。然而測試過程中也會遇到這樣的問題：比如口徑為2.4 m,工作于X波段的前饋拋物面天線[9-12]，其饋源后部與反射面之間的距離為1 234 mm，大約為38λ，這種情況下，若掃描探頭距離天線口面(3～5)λ，掃描探頭進行掃描采集數(shù)據(jù)的過程中會受到饋源的阻擋，無法完成數(shù)據(jù)的采集，若饋源不遮擋，掃描探頭與天線口面之間的距離至少為38λ，不滿足(3～5)λ，為了驗證在這種情況下平面近場測量的正確性，首先用簡單易測的喇叭天線驗證了近場范圍內(nèi)測試距離對測試結(jié)果的影響，然后將掃描探頭置于該前饋拋物面天線口面前40λ處，進行了平面近場測試，并將測試結(jié)果與遠場測試結(jié)果進行了比較。

1 平面近場測試

1.1 近場測試原理

近場測試是通過測試天線近場區(qū)的數(shù)據(jù)，然后應用嚴格的模式展開理論，從而得到天線的遠場特性，位于待測天線近場區(qū)的探頭以平面形式采集數(shù)據(jù)時，為平面近場測量，根據(jù)高等電磁理論，均勻無源區(qū)域中，空間任一點的電磁場可以表示為[12]：

(1)

(2)

1.2 平面近場測試系統(tǒng)

天線測試所用的平面近場測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 平面近場測試系統(tǒng)框圖

測試時，矢網(wǎng)作為接收機通過計算機總線控制發(fā)射源和本振源，發(fā)射源發(fā)出的信號經(jīng)過定向耦合器分為兩路，一路由待測天線發(fā)出，另一路輸入?yún)⒖蓟祛l單元，作為參考信號輸出到中頻分配單元，送入到矢網(wǎng)。掃描探頭接收到待測天線發(fā)射的信號后，輸入到測試混頻模塊，變換成中頻信號后輸入到放大器進行放大，放大后的測試信號輸入到中頻分配單元，輸出到矢網(wǎng)。本振源產(chǎn)生的本振信號送入中頻分配單元85309A，被分成2路，送入85320B作本振信號，另一路送入85320A作為本振信號。中頻分配單元將參考信號和測試信號進行處理，輸出兩路信號到矢網(wǎng)，一路測試信號，一路參考信號[13]，探頭在距待測天線d的平面上以間距Δx、Δy采集離散點場強，矢網(wǎng)不斷采集到這些數(shù)據(jù)，采集完成后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理變換成所需的天線遠場特性，通常，Δx≤λ/2，Δy≤λ/2，d取(3-5)λ[14-16]。

2 喇叭天線的近場測試

若平面近場測試時掃描探頭與待測天線之間的距離對測試結(jié)果影響很小，那么前饋拋物面天線就可以將掃描探頭置于距天線口面40λ處，這樣就解決了掃描過程中饋源遮擋的問題。為了驗證測試距離對測試結(jié)果的影響，以喇叭天線為例，在喇叭天線近場范圍內(nèi)使用平面近場測試系統(tǒng)測試了掃描探頭距天線口面為3λ、5λ、10λ、20λ時的方向圖，所得E面和H面方向圖如圖2和圖3所示，并對方向圖E面和H面內(nèi)的波束寬度以及副瓣電平進行了分析比較，測量選用的掃描面大小以及方向圖的波束寬度、副瓣電平如表1所示。

圖2 E面方向圖

圖3 H面方向圖

表1 不同測試間距下的掃描參數(shù)、截斷電平以及測試結(jié)果

喇叭天線與掃描探頭之間的距離掃描面大小/mm2截斷電平/dBE面波束寬度E面副瓣電平H面波束寬度H面副瓣電平3λ336 ×308 -3517.82-28.0317.38-9.225λ448 ×420 -3517.82-28.0317.38-9.2210λ784 ×756 -3517.80-28.0317.36-9.2220λ1 428 ×1 400 -3517.78-28.0017.35-9.20

當掃描探頭距天線口面分別為3λ、5λ、10λ、20λ時，選取合適的掃描面，使截斷電平達到-35 dB[17-18],采用近場測試所得的E面內(nèi)波束寬度的誤差為0.05 dB，H面內(nèi)的波束寬度誤差為0.03 dB，E面內(nèi)副瓣的誤差為0.03 dB，H面內(nèi)的副瓣的誤差為0.03 dB,在工程上這個誤差是可以忽略的。

由此可見，在近場范圍內(nèi)，增大天線口面與掃描探頭之間的距離，同時適當增大掃描面積，保證-35 dB的截斷電平，工程上對測試結(jié)果沒有影響。但是對于普通的面天線來說，增大測試間距是以犧牲測試時間為代價的，對于像前饋拋物面天線這種掃描探頭與待測天線口面之間的距離為(3～5)λ時饋源會影響掃描進程的,可以增大掃描探頭與天線口面之間的距離，避免饋源遮擋，再選取合適的掃描面，可以使用平面近場測試，解決了這一類前饋反射面天線的近場測試問題。

3 2.4 m前饋拋物面天線的平面近場測試

為了驗證上述結(jié)論，在近場測試環(huán)境中，對引言中提到的2.4 m前饋拋物反射面天線進行了測試，測試時掃描探頭距待測天線1 300 mm，約為40λ，掃描面積5 012 mm×5 012 mm，截斷電平-35 dB，測試所得E面和H面內(nèi)的方向圖如圖4和圖5所示。

圖4 E面方向圖

圖5 H面方向圖

兩個主平面內(nèi)的波束寬度以及副瓣電平與遠場測試的結(jié)果比較如表2所示。

表2 2.4 m天線近場測試和遠場測試結(jié)果比較

測試結(jié)果E面波束寬度/(°)E面副瓣H面波束寬度/(°)H面副瓣近場1.10-25.601.07-24.20遠場1.15-25.901.10-24.55

采用平面近場測試所得的E面、H面波束寬度和遠場測試結(jié)果的誤差為0.05°，采用平面近場測試所得的E面、H面第一副瓣和遠場測試結(jié)果的誤差為0.35°，這個誤差在工程中可以忽略，近場測試結(jié)果和遠場測試結(jié)果吻合，說明了平面近場測量結(jié)果的準確性,對于前饋反射面天線，可以采用近場測試方法進行測量。

4 結(jié)束語

在工程實際中采用平面近場測量方法，將掃描探頭置于距拋物反射面天線口面40λ處，采用平面近場測試系統(tǒng)得到的方向圖與遠場測試方向圖吻合。在保證足夠的截斷電平下，在一定范圍內(nèi)，探頭與待測天線之間的距離對測試結(jié)果的影響工程上可以忽略，但是需要增加測試時間為代價，在工程上解決了前饋反射面天線采用近場測試的問題。適用于平面近場測試的距離可以到多少還有待進一步研究。