天线近场测量技术探讨

都需在指定的曲面上规则地采集幅度和相位数据。给定曲面几何形状，数据和参考天线（探头）的特性，通过测量天线的近场特性，经近场-远场变换，由计算机处理、确定待测天线的远场特性。

最常用的扫描技术包括：平面近场（PNF），柱面近场（CNF）和球面近场（SNF）。每一种都需将平动与转动组合实现在理想曲面上的扫描。

近场扫描法测量系统主要由射频子系统，扫描子系统，数据采集处理系统等组成。最简单的射频子系统包含能够向AUT提供射频功率的某种类型的信号源以及能够检测探头接收信号的接收机。在数据采集系统中，幅度和相位数据在测量表面的已知位置（如文中的网格点处）采集，通过扫描探头对特定位置处场值的记录，计算机存储生成所测得的数据，再由计算机通过傅里叶变换实现近场远场数据转换，从而得到天线的远场特性，再可由matlab软件绘出相应远场的幅值和相位随位置的变化的波形图。整个系统的转台及定位均有数据采集与控制系统（DCCS）监视并控制，因而，需由电脑全自动控制，这样既保证转台转角的精度，各背景的恒定，以尽可能减小外界额外环境的干扰，提高测量准确度。此外，由于对天线近场的测量点非常多以及每次参量的变化对背景的重新测量，得到的数据量极大，计算机发送接收这些数据

2   天线近场测量机械扫描子系统

任何近场测量理论中，幅度和相位数据是在某些特殊面上按规律的方式获取。给定面的几何形状，数据和参考天线（探头）的特性，优先选用一种高效的变换来确定待测天线的远场特性。最常用的扫描技术有平面近场（PNF），圆柱面近场（CNF）和球面近场（SNF）。每一种都需要将平移与转动相结合完成理想面上的扫描。

3.1  PNF近场扫描

PNF扫描要求较小的暗室环境，校准技术和相当简单的数理分析。该技术最适合于像碟状或相位阵列这样的高度定向天线，这类天线几乎所有的接收和发射的能量都会通过平面扫描区域。

矩形扫描是一种常用的PNF技术[4]，如图1所示[4]，扫描的数据是在网格上特定的x，y点处收集得到。探头放置在沿y轴的直线滑轨上。y轴滑轨安放在沿x轴向的第二个滑轨上。

图1  PNF近场扫描

平面近场扫描仪由一对正交安装的导轨组成，其中竖直安装的导轨在水平安装导轨上面，探头安装于竖直导轨上扫描整个平面。扫描平面一般与待测天线的口面平行。扫描架需调整至x轴和y轴垂直。

采样是测量数据中两相邻数据所需的最短周期。在x和y方向小于λ/2的步进间隔一般都能满足采样准则。

当然，理论上假定无限大的扫描平面在实际应用当中很显然极不现实。为了确定扫描区域是否足够大，通常是将某扫描区域边缘之外的数据设置为零，并观察计算出的远场变化多大。当远场变化比较明显时，说明扫描区域内测得的数据量过少，应适当的增加扫描点数，从而保证经变化得到的远场近似于待测天线的远场。减小由边界截断带来的测量误差。

PNF还需考虑各种校正处理，如：电缆抖动、探头位置、阻抗失配、热漂移校准等。这些校正理论的发展很大程度上提高了近场扫描的测量精度，促进了近场扫描在实际中的应用。

3.2  CNF近场扫描

典型的柱面近场扫描设备是将待测天线安装于转台之上，扫描探头沿平行于转台转轴的直线方向上移动。通过合理地配置这些运动，准确的定位需要测量的网格点位置，保证探头能够在柱面特定的网格点处获取近场振幅和相位数据。同样通过计算机对数据经近场远场变换处理，来得到天线的远场特性。同平面扫描相比，柱面扫描对转台控制更为复杂，即对机械系统提出了更高的要求。由于其是对待测天线周围柱面空间的场进行测量，那么，对于波束俯仰角较小而方位角范围较广的天线，这种测量的结果相对于平面扫描信息量更大，误差更小，对天线特性的反映更为准确。

图2  CNF近场扫描

柱面测量系统中，待测天线位于方位转台之上，其口径面边缘垂直于地面，探头沿垂线方向上进行扫描，位于方位转台之上的待测天线沿圆周运动。转动待测天线，垂直方向上扫描一次，一周之后，可完成整个柱面的扫描，该系统的示意图如图2所示[4]。二者的组合运动在柱面上形成了Z,相互关联的采样格点。

测试中，需调整扫描轴是其彼此对准并保证铅垂到位。探头运动的直线扫描需调整到平行于方位转台的转轴，并垂直于大地。方位转台必需保证在指定的扫描范围内能稳定地圆周运动，并且转轴平行于探头扫描线迹。

同样，柱面扫描的采样也做如下规定：根据奈圭斯特准则，相邻数据的采样间隔不应大于最高频率所对应波长的一半λ/2，以保证重要的频谱分量都被囊括