110 GHz ～170 GHz 天線平面近場測量系統(tǒng)

劉星汛，程先友，黃承祖

（1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.防化研究院國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室，北京 102205）

1 引 言

天線平面近場測量［1－3］是根據(jù)平面波展開理論，采用一個特性已知的探頭，在待測天線近場區(qū)的特定口面場進行掃描，采集掃描面上的幅度和相位信息，采用付氏算法［4，5］將近場幅度相位還原成遠場輻射方向圖。 平面近場測量要求口面場采樣點的定位誤差為λ／50～λ／100 之間，一般機械掃描架定位精度在（0.02～0.05） mm 左右，目前大部分平面近場測量系統(tǒng)的測量頻率在110 GHz 以下，北京無線電計量測試研究所研發(fā)了機械臂平面近場天線測試系統(tǒng)［6－8］實現(xiàn)了（110～170） GHz 的天線平面近場校準。

2 天線平面近場測量系統(tǒng)

（110～170） GHz 天線平面近場測量系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、毫米波控制器、矢網(wǎng)擴頻模塊、六軸機械臂系統(tǒng)、六自由度平臺和掃描探頭等硬件組成。

圖1 （110～170）GHz 天線平面近場測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna plane near?field measurement system with frequency （110～170）GHz

2.1 射頻系統(tǒng)

射頻硬件系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，毫米波控制器以及（110～170） GHz 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擴頻模塊組成，用于發(fā)射和接收（110～170） GHz 天線校準所需的電磁波信號。 毫米波控制器將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的本振信號分為兩路，分別輸出給發(fā)射擴頻模塊和接收擴頻模塊。 控制器內(nèi)部集成放大器，用于調(diào)整本振鏈路上的信號增益，為擴頻模塊的混頻提供適當(dāng)功率的本振輸入信號。 （110 ～170） GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擴頻模塊，射頻輸入頻率為（9.1～14.2） GHz，經(jīng)過12 次倍頻，產(chǎn)生（110～170） GHz 射頻信號，射頻信號輸入功率必須滿足（8～10） dBm。

2.2 六軸機械臂系統(tǒng)

六軸機械臂系統(tǒng)可以實現(xiàn)六自由度的坐標位置移動，可以自由地實現(xiàn)三維空間的x，y，z 軸方向的平面運動，俯仰、旋轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜的運動軌跡，從而完成天線近場測量的特定軌跡掃描。

采用激光跟蹤儀對機械臂定位精度進行測試驗證，將激光跟蹤儀的靶標固定在機械臂的前端，激光跟蹤儀的主機實時跟蹤靶標，如圖2 所示，控制機械臂按照設(shè)定的軌跡進行平面近場掃描，機械臂每次移動時帶動靶標的位置移動，機械臂按步進運動到新的位置穩(wěn)定后，將機械臂位置回到機械零位，激光跟蹤儀捕獲到靶標的坐標，記錄在SA 軟件中，重復(fù)6 次，記錄6 次機械臂的機械零位。 設(shè)置機械臂人工坐標軸，重新調(diào)整機械臂到一個固定的位置，將這個位置設(shè)為零位，記錄此時靶標的坐標。 任意運動機械臂一段時間后，重新讓機械臂回到人工零位的位置，記錄靶標的位置坐標，重復(fù)6 次，記錄6 次人工零位的位置，計算標準偏差作為機械臂重復(fù)定位誤差。 機械臂重復(fù)定位在X，Y 方向位置最大偏差均為0.02 mm，滿足小于0.035 mm（λ／50）的要求。

圖2 激光跟蹤儀標定場景圖Fig.2 Scene diagram of laser tracker calibration

2.3 軟件控制系統(tǒng)

測量軟件，控制儀器和六軸機械臂，配合完成平面近場掃描測量，該軟件可以調(diào)節(jié)六軸機械臂每個運動軸的坐標位置并實時顯示，可以調(diào)節(jié)機械臂運動步長、運動速度以及顯示機械臂伺服控制系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)。 天線平面近場測量的核心是近遠場變換算法以及探頭補償算法，在軟件界面上設(shè)置掃描面X 方向上的掃描位置點數(shù)，設(shè)置掃描步長，軟件自動計算出掃描面的大小以及掃描總點數(shù)以及所需時長，軟件還將實時顯示掃描面上近場幅度相位的數(shù)據(jù)采集進度以及幅度相位的數(shù)據(jù)曲線，如圖3 所示，為天線方向圖近場測量后，在后臺文件夾里自動生成各個測量頻率點的數(shù)據(jù)表，選擇需要顯示的頻率點將對應(yīng)的數(shù)據(jù)表導(dǎo)入軟件中，點擊畫方向圖按鈕，屏幕上將自動顯示方向圖曲線。

圖3 測量軟件界面圖Fig.3 Interface diagram of measurement software

3 天線校準實驗

3.1 試驗布置及參數(shù)設(shè)置

選擇標準增益喇叭天線為待測天線，天線口徑為210 mm×170 mm，內(nèi)徑為150 mm ×110 mm，按圖4 所示連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，（110～170）GHz 擴頻模塊。 根據(jù)待測天線的口徑尺寸，確定天線的近場測試距離為5λ。 如果測試距離太遠，為了覆蓋所有主瓣能量需要加大掃描面，將導(dǎo)致測試時間加長，如果測試距離太近，天線與探頭耦合因素會影響結(jié)果的準確性。 因此折中確定天線與掃描探頭的正對距離為50 mm，當(dāng)中心點的幅度比邊沿點幅度大30 dB 以上，表示掃描面能夠覆蓋天線主波束的所有能量，校準參數(shù)設(shè)置如下：

圖4 天線校準示意圖Fig.4 Schematic diagram of antenna calibration

1）待測天線類別：喇叭天線

2）測試頻率f／GHz：110，140，170；

3）測試距離d／mm：50；

4）測試步進t／mm：0.8；

5）掃描面范圍S／mm2：96 ×96；

6）采樣點數(shù)N：121 ×121。

3.2 試驗結(jié)果及驗證

將探頭采集的近場掃描面上采樣點幅度和相位進行云圖顯示，如圖5 所示，幅度云圖呈現(xiàn)清晰的單峰狀，中間場強幅度大，往邊沿逐步變小的趨勢，相位云圖呈現(xiàn)一圈一圈的環(huán)狀，此特征符合標準增益喇叭天線典型的口面近場特點。 因此，本次測量采集的近場幅度相位數(shù)值有效，可以用于近遠場變換的遠場方向圖反演。 從相位近場云圖來看，掃描面邊緣地區(qū)的相位圖形呈現(xiàn)馬賽克似的模糊形態(tài)，是因為隨著頻率越高，相位測量誤差將變大，且這種現(xiàn)象將越來越明顯。

圖5 掃描面幅度相位分布云圖Fig.5 Cloud chart of amplitude and phase distribution on scanning surface

以上近場測量的幅度相位數(shù)據(jù)文件，通過近遠場變換算法得到標準增益喇叭天線的遠場方向圖，將此圖與遠場直接測量的天線方向圖進行比較，其對比曲線如圖6 所示：在（110～170） GHz 頻段內(nèi)，天線主瓣不管在E 面還是H 面平面近場和遠場測量結(jié)果非常一致，頻率低的點副瓣偏差比頻率高的點要大，因為天線在頻率低時，方向圖波束更寬，平面近場掃描面截斷誤差將導(dǎo)致還原后的副瓣方向圖能量部分丟失，因此平面近場還原的方向圖副瓣位置準確但在幅度上有一定差別，110 GHz 測量結(jié)果的第一副瓣幅度偏差大約0.25 dB，第二副瓣幅度偏差較大，140 GHz 和170 GHz 頻點，近場測量的主瓣和第一第二副瓣與遠場非常接近。 第三副瓣只有170 GHz 平面近場與遠場測量結(jié)果相近，頻率相對較低的測量差距比較大。 如果要減少平面近場副瓣測量的偏差，就需要采集更大的采樣面數(shù)據(jù)點。

圖6 平面近場與遠場測量方向圖結(jié)果對比曲線圖Fig.6 Comparison curves of plane near?field and far?field measurement pattern results

4 結(jié)束語

將平面近場測量的天線方向圖結(jié)果與采用遠場方法測量的結(jié)果進行比較，主瓣方向圖一致性較好，最大偏差0.25 dB 左右，旁瓣由于受平面近場采樣面截斷誤差的影響，方向圖越寬，其旁瓣受采樣面截斷誤差影響越大，頻率越高方向圖越窄，近場測量的反演結(jié)果與遠場實測結(jié)果越接近。 因此，170 GHz比110 GHz 測量的結(jié)果更接近遠場實測值。 從結(jié)果來看，采樣面采樣點測量相位20 °以內(nèi)的偏差并不影響近場測量結(jié)果，該平面近場天線測試系統(tǒng)能用于（110～170） GHz 頻率天線方向圖的測量。