平面近場天線測量誤差研究

過夢旦

摘 要：近場測量技術(shù)是相關(guān)人員了解和深入掌握天線性能的重要途徑，是較為先進的天線測量技術(shù)。為了取得更好的測量效果，需要進一步提升天線測量的標準，改進和完善近場測量技術(shù)，從而有效減少誤差。以平面進場天線測量為例，結(jié)合近場測量技術(shù)的應(yīng)用特點，探究了測量誤差產(chǎn)生的原因，并提出了有效的解決措施，以提升近場天線測量的精度。

關(guān)鍵詞：天線；測量誤差；工作波長；數(shù)據(jù)信息

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.084

天線測量技術(shù)是天線制造應(yīng)行業(yè)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。在天線應(yīng)用的多個領(lǐng)域中，對天線的精度和性能有很高的要求，尤其是在航空航天、通信等領(lǐng)域。根據(jù)當前天線測試的要求，需要進一步改進和完善測試方法。目前，天線的測試方法已從天線遠場測量技術(shù)轉(zhuǎn)換為近場測量技術(shù)，這極大地提升了天線測量的精度。但近場測量技術(shù)同樣存在一定的不足和缺陷，會受到多方面因素的影響，測量結(jié)果存在一定的誤差。

1 平面近場天線測量技術(shù)的優(yōu)勢

近場測量技術(shù)的基本原理是利用具有電特性的探頭，在離開被測體3～5倍工作波長的距離中，按照取樣定理對被測體進行取樣分析，獲得電磁場幅度和相位數(shù)據(jù)，經(jīng)過FFT（快速傅立葉變換）數(shù)學(xué)變換后，以得出的數(shù)據(jù)信息為依據(jù)，從而更清晰地了解被測體的電特性。根據(jù)被測體的類型，分為輻射近場測量、散射近場測量。一般情況下，多采用散射近場測量，其中，平面近場天線測量技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。與傳統(tǒng)的天線測量技術(shù)相比，平面近場測量技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯。比如，應(yīng)用平面近場天線測量技術(shù)時，不需要投入過多的成本，且測量精度高、信息量大，通過對平面近場天線測量三維方向圖的分析，可獲得天線的精度、性能等相關(guān)信息數(shù)據(jù)；平面近場天線測量的操作更加簡單、便捷，尤其是在測量大天線時不會受到遠場尺寸的影響，且在室內(nèi)也可采用近場檢測，從而實現(xiàn)全天候工作；平面近場天線測量利用計算機自動控制完成，保密性良好。

2 平面近場天線測量誤差研究

建立了天線分析模型，待測天線模型結(jié)構(gòu)為矩形陣列。該矩形陣列結(jié)構(gòu)的半波陣子排列以M×N的形式排列，應(yīng)先確定陣子放置的位置、方式、陣元數(shù)和陣列單元在模型坐標中的各軸間距，再確定每個軸方向的采樣間隔。根據(jù)疊加原理，參考天線分析模型、半波陣子的遠場方向圖函數(shù)和相關(guān)公式，可獲得理論遠場方向圖，從而進行誤差分析。

2.1 掃描面截斷誤差

在無窮大掃描平面上獲取的采樣數(shù)據(jù)可為近場測量提供參考數(shù)據(jù)，并通過FFT由近場轉(zhuǎn)換為遠場，進而測量天線。但這屬于理論情況，在實際中，無法獲得無窮大的掃描平面。而在有限的掃描平面內(nèi)，只有在掃描面以外的場為0的情況下，近、遠場的變換過程中才不會出現(xiàn)誤差。因此，應(yīng)確定掃描面、待測天線在方向軸的尺寸、探頭與待測天線的距離。為了有效減少探頭與天線間的反射現(xiàn)象，探頭與待測天線的距離需要大于5倍的工作波長。此外，近場掃描角也會影響截斷誤差。

參照天線模型計算，可得到陣列天線的理論方向圖，但其與實際情況存在一定的差別。該差別在很大程度上反映了掃描面截斷誤差情況。根據(jù)天線的掃描角，可計算掃描面的面積，將得到的近場轉(zhuǎn)換為遠場方向圖，比較理想方向圖，得出誤差。從近場測量方向圖與理論遠場方向圖的對比中可發(fā)現(xiàn)，掃描面積越大，截斷的誤差就越小。

從某種意義上講，擴大進場掃描面是避免截斷誤差產(chǎn)生的有效途徑。但擴大進場掃描面時，采樣數(shù)據(jù)就會大幅增加，進而增加了數(shù)據(jù)實時處理的難度。此外，擴大采樣面積后，得出的天線信號信息會受到噪聲的影響，數(shù)據(jù)的精度會下降。因此，在平面近場天線測量的過程中，要確保掃描面積的合理性，使截斷電平保持在-40 dB以下，從而提升測量的精度。

2.2 掃描面位置誤差

在實際中，由于探頭尺寸、機械定位精度等難以確定，導(dǎo)致難以保證掃描的均勻性，探頭的移動軌跡難以滿足垂直或平行的要求。因此，得出的近場值會產(chǎn)生一定的偏移，經(jīng)過近、遠場的轉(zhuǎn)換后，近場數(shù)據(jù)的精度會降低。參照天線模型計算理想網(wǎng)格上的近場，可得出理想遠場方向圖。根據(jù)定位測試結(jié)果，可計算不同方向軸上的定位精度。如果理想網(wǎng)格的均值為0，則可計算不同方向軸的誤差值方差。根據(jù)方差的正態(tài)分布序列，可計算近場值，經(jīng)過近、遠場轉(zhuǎn)換后，可得出遠場方向圖的誤差值，即掃描面的位置誤差。

利用激光系統(tǒng)記錄探頭的掃描移動軌跡，并及時解決其中存在的問題，可有效減少測量誤差，提升平面近場天線測量的精度，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為天線的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。此外，暗室環(huán)境誤差、多次耦合誤差、探頭補償誤差等都是制約天線性能發(fā)揮的重要因素。針對這些問題，應(yīng)采取相應(yīng)的解決辦法，改進平面近場天線測量技術(shù)，使其在天線測量中發(fā)揮更加重要的作用，形成更加完善的天線測量技術(shù)。

3 結(jié)束語

為了有效提升天線測量的精確度，在應(yīng)用近場測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)更加深入地了解和掌握天線的基本性能，為天線的應(yīng)用提供有力的保障，提升天線測量技術(shù)的水平和標準，以達到更好的測量效果；針對掃描面截斷誤差、掃描面位置誤差進行分析，尋找誤差根源，有效改進和完善近場測量技術(shù)，從而減少平面近場天線測量誤差，提升天線的測量精度和性能。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕