一種低成本平面近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘要：本文搭建并驗(yàn)證了一種低成本平面近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)（NF/FF）天線測(cè)量系統(tǒng)。并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，該測(cè)量系統(tǒng)可以加速確定近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。本論文首先綜述了近場(chǎng)天線測(cè)量的基本理論。詳細(xì)介紹了利用傅里葉變換進(jìn)行NF/FF轉(zhuǎn)換的方法。從近場(chǎng)測(cè)量中計(jì)算出的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式與射頻消聲室中直接測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式進(jìn)行了比較。并在實(shí)際天線觀測(cè)中得到了合理的測(cè)量結(jié)果。該系統(tǒng)的綜合建設(shè)成本大約為5000人民幣。綜合考慮其合理準(zhǔn)確的結(jié)果和建設(shè)開(kāi)發(fā)成本，該測(cè)量系統(tǒng)是值得被推廣的。

關(guān)鍵詞：平面近場(chǎng);傅里葉變換;遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖;建設(shè)成本

1引言

天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的測(cè)量是復(fù)雜天線開(kāi)發(fā)和制造中的一個(gè)重要課題。用于測(cè)量天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的技術(shù)可分為兩大類：直接測(cè)量和間接測(cè)量[1]。天線輻射電磁場(chǎng)地分布隨天線的距離逐漸變化。測(cè)量點(diǎn)與天線的距離大致分為兩個(gè)主要區(qū)域：近場(chǎng)區(qū)域和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。天線的直接遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式測(cè)量技術(shù)是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行的。但是該技術(shù)無(wú)法確定高精度天線的性能。其測(cè)量結(jié)果受各種因素干擾，包括天氣效應(yīng)、天線重力畸變等等[2]。間接測(cè)量技術(shù)是依據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)或計(jì)算范圍的質(zhì)量可以由近場(chǎng)區(qū)域測(cè)量確定，然后這些測(cè)量值通過(guò)數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換為等效的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量值。使用近場(chǎng)天線測(cè)量來(lái)確定遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖已在天線測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)可以以非常經(jīng)濟(jì)高效的方式精確測(cè)量天線輻射圖。本論文的研究目標(biāo)是建造和驗(yàn)證了一種低成本的近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。

2近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量基本理論

2.1近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的定義

與天線相關(guān)的輻射電磁場(chǎng)地分布隨與天線的距離逐漸變化。作為與天線距離的函數(shù)，有三個(gè)區(qū)域需要重點(diǎn)關(guān)注：反應(yīng)性近場(chǎng)、輻射性近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。這些區(qū)域之間的過(guò)渡非常平緩。近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)限制有許多不同的定義。本論文中使用的定義為以下三點(diǎn)：

1.離天線最近的區(qū)域是倏逝或反映近場(chǎng)區(qū)域。電磁能量的倏逝分量隨距離迅速衰減。倏逝區(qū)域包括非傳播（反應(yīng)）和傳播能量，并從任何導(dǎo)電表面延伸六分之一波長(zhǎng)的距離。

2.第二個(gè)區(qū)域是輻射近場(chǎng)或菲涅耳區(qū)域，它延伸到2D2/λ，其中λ為波長(zhǎng)，D為天線的最大尺寸。雖然存在局部能量波動(dòng)，但在距天線不同距離處的平均能量密度保持相對(duì)恒定。本文對(duì)AUT的輻射近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行了近場(chǎng)測(cè)量。

3.距離天線最遠(yuǎn)的區(qū)域是遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)或夫瑯和費(fèi)區(qū)。相對(duì)角度分布在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)不隨距離變化。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)天線的功率根據(jù)平方反比定律隨距離衰減。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)從2D2/λ延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)。

2.2近場(chǎng)測(cè)量概念

天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖技術(shù)的測(cè)量分為兩大類：直接測(cè)量和間接測(cè)量。在直接測(cè)量技術(shù)中，遠(yuǎn)場(chǎng)是被測(cè)量的量;而在被稱為近場(chǎng)技術(shù)的間接測(cè)量技術(shù)中，遠(yuǎn)場(chǎng)只是由附近測(cè)量的近場(chǎng)構(gòu)成的副產(chǎn)品。

天線向自由空間輻射一個(gè)線性系統(tǒng)，其單頻時(shí)間依賴性為exp（-iwt）。延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的徑向依賴性變化近似為exp（ikr）/r的空間區(qū)域。遠(yuǎn)場(chǎng)的內(nèi)徑可根據(jù)矢量勢(shì)的一般自由空間積分進(jìn)行估算，對(duì)于非超反射天線，通常設(shè)置為2D2/λ。從天線表面到遠(yuǎn)場(chǎng)的自由空間區(qū)域稱為近場(chǎng)區(qū)域。它被分為兩個(gè)分區(qū)，反射區(qū)和輻射區(qū)近場(chǎng)。反應(yīng)近場(chǎng)區(qū)域通常被認(rèn)為是從天線表面延伸到λ/2π附近。電場(chǎng)和磁場(chǎng)傾向于以相位傳播，在到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)之前不會(huì)表現(xiàn)exp（ikr）/r依賴關(guān)系。在反映近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間的這個(gè)傳播區(qū)域稱為輻射近場(chǎng)。

倏逝能量通過(guò)電容或電感耦合到近場(chǎng)探頭，但不是通過(guò)自由空間傳播。因此，E和H場(chǎng)不是正交的，也不受自由空間的阻抗的影響，倏逝能量隨著距離的增加而迅速衰減，因?yàn)橘渴拍芰渴欠莻鞑サ?，但通過(guò)電容或電感耦合。通常情況下，在距離導(dǎo)電表面數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的距離處，倏逝能量已完全衰減。近場(chǎng)通常在倏逝區(qū)域外產(chǎn)生，更高的采樣密度以及單獨(dú)的E和H場(chǎng)測(cè)量是必需的。

根據(jù)不同的掃描系統(tǒng)，近場(chǎng)測(cè)量通常在三個(gè)坐標(biāo)系中的一個(gè)進(jìn)行：平面、球面、圓柱。假設(shè)測(cè)試天線正在發(fā)射，近場(chǎng)可大致分解為反應(yīng)區(qū)域在表面的λ/2π范圍內(nèi)，輻射區(qū)域在此范圍外，最終合并成一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)不同相，也不代表將出現(xiàn)在物體真實(shí)空間部分的信號(hào)。在輻射近場(chǎng)區(qū)域加上探頭天線，并記錄接收信號(hào)的振幅和。探頭天線足夠小，可以在寬角度上拾取能量，同時(shí)對(duì)測(cè)量場(chǎng)造成最小干擾。探頭在平面、圓柱形或球形表面上以較小地步進(jìn)移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是由探頭方向圖確定的天線區(qū)域的組合信號(hào)。在這種情況下，使用近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)。從探頭掃描平面的孔徑空間數(shù)據(jù)集E推導(dǎo)出遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的角空間。高增益航天器天線一般采用平面掃描面，只需簡(jiǎn)單的探頭校正，具有較好的零重力模擬性能。球形掃描用于低增益天線和天線饋電元件，因?yàn)槟芰繌腁UT視軸的大角度捕獲。圓柱面通常用于電視廣播天線和某些航天器測(cè)控全向天線。

3近場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)介紹

一個(gè)典型的近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)可以方便地用三個(gè)子系統(tǒng)來(lái)描述：（1）計(jì)算機(jī)（2）射頻源和接收器（3）機(jī)械掃描儀和探頭定位器。本論文設(shè)計(jì)的近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、1.5 m×1.5 m平面掃描儀和Wiltron模型360矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）組成。計(jì)算機(jī)和VNA共同組成射頻消聲室測(cè)量系統(tǒng)。包括相關(guān)控制部分的新型平面掃描儀總共成本不到5000元人民幣。平面掃描儀上的探頭由雙電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，在水平和垂直方向上移動(dòng)。在特定位置，探頭將測(cè)量AUT輻射的近電場(chǎng)的大小和相位，該近電場(chǎng)與掃描平面保持一定距離，并顯示在VNA上。多次測(cè)量后，VNA將這些數(shù)據(jù)量和相位傳遞給計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。

由于涉及大量數(shù)據(jù)，測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制至關(guān)重要。近場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)執(zhí)行模具管理任務(wù)，控制探頭的運(yùn)動(dòng)。從VNA收集數(shù)據(jù)。還管理VNA和計(jì)算機(jī)之間的通信。管理包是用Quickbasic嵌入式匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。

雙端口Wiltron 360型VNA已經(jīng)是射頻暗室測(cè)量系統(tǒng)的一部分，用于近場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量AUT的輻射模式。它由前面板、屏幕、發(fā)電機(jī)和電源組成，頻率范圍為40MHz-40GHz，頻率分辨率為100KHz。在開(kāi)始測(cè)量之前，需要進(jìn)行VNA校準(zhǔn)。對(duì)于近場(chǎng)天線測(cè)量，首選全周期校準(zhǔn)，包括反射和頻率響應(yīng)校準(zhǔn)。

3.2矩形平面掃描儀

機(jī)械掃描儀（或探頭定位器）由支架、導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，用于將測(cè)量探頭從平面內(nèi)給定的x-y坐標(biāo)移動(dòng)到某一點(diǎn)，直到讀取讀數(shù)。掃描平面的跨度在垂直和水平方向上均可達(dá)到1.5米，掃描器的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括一個(gè)水平軸和一個(gè)垂直軸，每個(gè)軸都有自己的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣任何一個(gè)軸都可以獨(dú)立于另一個(gè)軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電氣設(shè)計(jì)包括與PC的電子接口。一對(duì)由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)將測(cè)試探針定位在最大平面尺寸為1.5m×1.5m的網(wǎng)格中的預(yù)定點(diǎn)。該設(shè)計(jì)使平面掃描儀能夠安裝在測(cè)試消聲室內(nèi)，消聲室體積為4m×2.5m×2.5m。計(jì)算機(jī)能夠在確定的時(shí)間間隔停止探頭，并允許從VNA進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)設(shè)計(jì)，隨著電機(jī)的增加，移動(dòng)的步數(shù)用于計(jì)算垂直或水平線性位移。

3.3系統(tǒng)通信

為了記錄探頭拾取的近場(chǎng)天線測(cè)量數(shù)據(jù)，在雙步進(jìn)電機(jī)控制器、計(jì)算機(jī)和VNA之間建立通信。不同方案使用不同的通信組件。運(yùn)行控制程序。探頭將由雙步進(jìn)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，并沿垂直或水平方向移動(dòng)。在探頭返回預(yù)定位置后，ST-143向VNA發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。記錄位置上的幅值和相位。記錄一條線后，電機(jī)將以一個(gè)步長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)方向上的探頭垂直支架，同時(shí)VNA將數(shù)據(jù)（包括振幅和相位）傳遞到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將沿一條線將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)文件中，文件名由用戶提供。此過(guò)程將重新進(jìn)行，直到完成一個(gè)正方形平面采樣。近場(chǎng)測(cè)量完成后，將獲得多個(gè)數(shù)據(jù)文件。

計(jì)算機(jī)和VNA之間的通信是通過(guò)通用接口總線進(jìn)行的（GPB），一種IEEE 488接口，其高數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1兆字節(jié)/秒。這項(xiàng)工作是由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序完成的。高數(shù)據(jù)傳輸速率滿足實(shí)時(shí)控制需求。有三種可用的VNA圖表模式：a）極坐標(biāo)格式;b）對(duì)數(shù)幅度和相位;c）極坐標(biāo)和矩形坐標(biāo)。在平面近場(chǎng)測(cè)量中，我們使用對(duì)數(shù)幅度和相位。在測(cè)量過(guò)程中，不允許VNA從前面板輸入數(shù)據(jù)，直到首先操作“清除”。完成近場(chǎng)測(cè)量后，VNA將返回本地控制。用戶才能在VNA的前面板上輸入數(shù)據(jù)和操作。

計(jì)算機(jī)通過(guò)a總線AR-133控制步進(jìn)電機(jī)控制器ST-143的工作。在系統(tǒng)中，A總線適配器AR-133插入計(jì)算機(jī)，并與A總線卡ST-143相連。計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件程序控制步進(jìn)電機(jī)控制器的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)探頭并向VNA發(fā)送觸發(fā)信號(hào)的程序用Quickbasic語(yǔ)言編寫(xiě)，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

3.4系統(tǒng)操作方法

在近場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)控制探頭的運(yùn)動(dòng)、VNA和系統(tǒng)中的通信。由于它執(zhí)行實(shí)時(shí)控制，因此程序的編寫(xiě)方式使功能在單獨(dú)的時(shí)間序列中執(zhí)行。首選Quickbasic匯編語(yǔ)言，因?yàn)樵搮R編語(yǔ)言簡(jiǎn)單、可在大多數(shù)情況下運(yùn)行且可用技術(shù)機(jī)。程序已被創(chuàng)建為可執(zhí)行文件。用戶只需輸入N-F名稱即可運(yùn)行程序。在運(yùn)行程序之前，探頭被放置在掃描平面的中心。并且面對(duì)AUT。探頭的位置可由名稱為move.bas的程序控制，其可執(zhí)行文件為move。在運(yùn)行操作程序之前，操作員應(yīng)檢查數(shù)據(jù)文件“di_x”和“di_y”，這兩個(gè)文件都是方向文件，并根據(jù)掃描儀的狀況指示探頭是否向左/向右和向上/向下移動(dòng)。

4近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換

4.1從近場(chǎng)測(cè)量得到的源分布來(lái)確定遠(yuǎn)場(chǎng)

由于天線是將傳輸導(dǎo)波轉(zhuǎn)換為空間中輻射波的裝置，反之亦然。天線的場(chǎng)強(qiáng)分布是距離天線和角坐標(biāo)的函數(shù)，因此本章的目的是確定天線輻射方向圖，并給出適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)場(chǎng)輻射模式變換方法。給定體積內(nèi)的完整電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H可以用體積內(nèi)源的電流密度和體積邊界上的場(chǎng)本身的值來(lái)表示。如果需要分析的體積被定義為不包含源，并且被無(wú)窮遠(yuǎn)處的封閉曲面S和球面所限制，則體積內(nèi)點(diǎn)P處的e場(chǎng)和H場(chǎng)為：

其中n表示垂直于曲面的單位向量，函數(shù)ψ表示曲面的標(biāo)量部分。當(dāng)需要確定天線表面上的電流或電荷分布而不是孔徑中的場(chǎng)分布時(shí)，假設(shè)閉合表面S為完全導(dǎo)電和邊界條件，

其中，其中K是表面電流密度，ρ是表面電荷密度。此外，還可以利用與電流密度和電荷密度相關(guān)的連續(xù)性方程。E和H場(chǎng)的方程可以僅用電流密度或電荷密度表示。根據(jù)理想導(dǎo)電表面S上的表面電流密度，需要分析的體積中P點(diǎn)處的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以表示為：

在其基本公式中，從源分布中劃分場(chǎng)模式的方法包括對(duì)孔徑分布應(yīng)用（公式1）或?qū)﹄娏鞣植紤?yīng)用（公式3）。在第一種情況下。進(jìn)行了近場(chǎng)測(cè)量，以確定天線周?chē)砻娴腅和H場(chǎng)分布。除了非常簡(jiǎn)單的幾何圖形，公式1和公式3如果沒(méi)有近似值是很難應(yīng)用的。這些近似通常與進(jìn)行積分的表面上的場(chǎng)或電流的性質(zhì)有關(guān)。計(jì)算表面積分所必需的近似通常分為以下幾個(gè)方面：（l） 假設(shè)電場(chǎng)或電流對(duì)地表某部分的影響可以忽略不計(jì);（2） 假設(shè)所有輻射都向外歸一化到表面;（3） 假設(shè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)像平面波那樣線性相關(guān);（4） 假設(shè)小角度近似，從而限制用于定位場(chǎng)點(diǎn)的角度區(qū)域。這種近似應(yīng)與正常的遠(yuǎn)場(chǎng)近似區(qū)分開(kāi)來(lái)，后者簡(jiǎn)化了計(jì)算，但在距離源足夠遠(yuǎn)的距離處產(chǎn)生有效結(jié)果，以滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種低成本的近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)。采用直接遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。在近場(chǎng)的平面掃描平面上進(jìn)行一維和二維的近場(chǎng)測(cè)量，在遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖的繪制中采用FFT算法。近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)與暗室測(cè)量系統(tǒng)中直接遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)之間存在合理的一致性。在測(cè)量水平輻射圖時(shí)，首選一維近場(chǎng)天線測(cè)量。一維近場(chǎng)天線測(cè)量不需要探頭校正，使近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量速度和數(shù)據(jù)處理速度比二維近場(chǎng)測(cè)量快。近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)和直接在艙內(nèi)測(cè)量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這兩種技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]曹順?shù)h，稂華清.基于等效磁流源方法的相控陣天線近場(chǎng)到近/遠(yuǎn)場(chǎng)變換[J].電子質(zhì)量，2019（03）：72-74.

[2]邢榮欣，闞勁松，王酣，王文峰，王壯.球面近場(chǎng)天線測(cè)量不確定度分析和評(píng)定[J].安全與電磁兼容，2017（03）：39-43.

[3]劉靈鴿，趙兵.平面近場(chǎng)測(cè)試距離及截?cái)鄬?duì)測(cè)試結(jié)果的影響分析[J].微波學(xué)報(bào)，2016，32（S2）：436-440.

[4]王丹，高洪青.相控陣天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究[J].電子質(zhì)量，2021（06）：134-138.

作者簡(jiǎn)介：馬玉豐，男，遼寧省撫順市，19860506，工程碩士，工程師，，西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所（航天504所），天線電性能測(cè)試與天線測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)集成建設(shè)研究。