天线近场测量的综述
为四个方面:
· 理论计算式及数值计算所产生的误差;
· 测试仪表及设备产生的误差;
· 环境产生的误差;
·探头天线所产生的误差,
对于平面扫描的情况,这些误差对天线参数影响的上界已由Newell等人给出了解析表达式[7,12-14],并由Jensen等人进行计算机模拟[10,15];
对于柱面和球面扫描,过些误差源对天线电参数的影响的误差上界尚未完成。表3给出了平面近场测量系统的典型的误差值及影响的电参数。其中理论公式和计算引入的误差只要按表2准则进行选取取样间隔和间距,则这些误差可以忽略不计。
表3 平面近场测量的误差(平均值)
误差的类型 | 典型值 | 最优值 | 影响的电参数 | ||
探 头 | 定位 | 0.50mm | 0.13mm | 副瓣 | |
位置 | 0.25mm | 0.05mm | 副瓣 | ||
振动 | 0.13mm | 0.01mm | 副瓣 | ||
被测天线瞄准 | 0.1度 | 0.01度 | 瞄准 | ||
增益 | 0.5dB | 0.1dB | 副瓣 | ||
瞄准 | 1度 | 0.25度 | 副瓣 | ||
方向图 | 1.0dB | 0.25dB | 副瓣 | ||
散射 | -35dB | -50dB | 副瓣 | ||
仪 器 | 相位 | 渐变 | 5度 | 0.5度 | 瞄准 |
随机 | 5度 | 0.5度 | 副瓣 | ||
幅 度 | 非线性 | 1.0dB | 0.2dB | 副瓣 | |
随机 | 0.3dB | 0.1dB | 副瓣 | ||
动态范围 | 40dB | 60dB | 增益 | ||
截断 | ±60度 | ±75度 | 副瓣 | ||
环 境 | 室内散射 | -45dB | -60dB | 副瓣 | |
泄漏 | -40dB | -65dB | 副瓣 | ||
混叠 | 0.5dB | 0.1dB | 副瓣 |
三、近场测量技术的现状
分布及性能指标
从70年代后期,近场测量技术已走向适用化,据不完全统计世界已有五十多家研究机构相继建立了近场测量系统,如表4所示,它们的功能和部分技术指标如表5所示。
表4 近场测量系统的分布
平面 | 球面 | 柱面 |
乔治亚理工学院 马丁公司 赖特--帕特森空军研究所 休斯飞机公司 德克萨斯仪表公司 联邦政府通用电气公司 得力芬肯通用电气公司 奈唯斯NASA 奈唯斯航天工程中心 桑得斯协会 通用动力研究所 马可吉尔大学 埃克里森无线电研究所 MIT林肯实验室 NTO物理实验室 BDM有限公司 汤姆逊协会 Chun Shao科技大学 NASA约翰逊空间中心 国家军事航空站 西屋电气公司 | 乔冶亚理工学院 NIST 亚太兰大科学公司 马可尼电气公司 马可尼空间防御研究所 休斯飞机公司 欧洲空间技术研究所 全国通讯研究中心 波音飞机公司 波尼斯顿无线电中心 埃利托勒飞机公司 通用动力公司 通用电气公司空间部 联邦航空局 奈托肯尼航空站 科学咨询中心 路易斯研究发展中心 丹麦技术大学 | 英国飞机公司 康奈尔大学 哈里斯有限公司 |
平面/柱面 | ||
乔治亚理工学院 NIST 兵器发展研究所 | ||
平面/柱面/球面 德克萨斯仪表公司 墨西哥州物理实验室 西安电子科技大学 南京14所 航天部504所 电子部39所 兵器部206所 | ||
柱面/球面 | ||
埃里克森无线电中心 | ||
极平面 | ||
喷气动力公司 |
表5 近场测量系统的部分技术指标和功能
电 指 标 | 频 率 | 单频 | 0.045~140GHz |
扫频 | 0.045~140GHz | ||
幅 度 | 动态范围 | ≥95dBm | |
灵敏度 | ≤-110dBm | ||
精度 | 0.05dB/10dB±0.2dB | ||
相 位 | 范围 | ±180° | |
精度 | 0.4°/10dB±1个字 | ||
计算精度 | 相当于-90dBm的反射电平 | ||
测量的最大电尺寸 | D/λ≤5000 | ||
扫描面尺寸 | 1m×1m~25m×25m | ||
速度 | 运动 | ≤20cm/s | |
转动 | ≤10圈/分 | ||
精度 | 运动 | ≤0.01mm | |
转动 | ≤0.18' | ||
运动的轴数 | ≤8 | ||
功能 | 辐射测量和散射测量 |
四、近场测量的局限性
频域近场测量四种取样方式的特点如表7所示,从这个表格可以看出,部分应用研究方向仍是未来研究继续探讨的方向。
表7 频域四种取样方式特点
特点 | 扫描方式 | ||
平面/极平面 | 柱面 | 球面 | |
理论公式计算 | 简单 | 复杂 | 复杂 |
探头校准 | 简单 | 稍难 | 较难 |
取样方式的控制算法 | 简单 | 稍复杂 | 复杂 |
采样时间 | 短 | 较长 | 长 |
计算时间 | 短 | 较长 | 长 |
测试环境要求 | 一般 | 中 | 高 |
各种误差分析 | 已完成 | 未完成 | 未完成 |
计算远场局限性 | 0<计算角域<180° | 0<θ<180° | 除球心外的任意角域 |
适用测量对象 | 笔形波束天线 | 扇形波束天线 | 各种形式的天线 |
近场测量的分类
根据近场测量的研究方向和应用方向,近场测量可大致归为下面三类,如表6所示。
表6 近场测量的分类
分法 | 研究域 | 测量功能 | 取样面形式 | |
类 别 | 频域 | 辐射 | 平面/极平面 | |
柱面 | ||||
时域 | 散射 | |||
球面 |
五、展望
回顾过去的前人所做的工作,可以看出未来研究工作应集中以下几个方向:
1、柱面、球面各项误差的分析.这方面虽有进展,但截止目前尚未见公开报导。
2、低或超低副瓣天线的实时检测口径诊断虽然有了可喜的进展[21-24],但距实用还相差较远。
3、目标散射特性的研究目前仅限于简单目标的特性实验研究[17.20],复杂目标的实验研究尚处于探索时期,近场散射测量的探头型式还须进一步的探讨。
4、目标成像的研究虽刚刚起步[25,26],但应用前景非常广阔。
5、测试环境引入的误差研究,虽然有了时域理论[17],但尚未推广使用,其原因是工程实施较困难,简单已行的工程实用研究仍是研究的主要课题之一。
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