天线近场测试系统优化方案

根据取样面的形式可分为平面扫描、极平面扫描、柱面扫描和球面扫描技术，平面近场测量使用最为普遍。在解决方案中，近场测量特指利用近场扫描的天线测量技术与方法。

平面近场扫描测试天线（探头）在直角坐标或极坐标平面做位移，测量近场幅相分布，以此为基础进行外推计算远场天线方向图、增益等参数。直角坐标xy平面扫描时最大位移步进Δx=Δy=λ/2。探头天线位于AUT的辐射近场，扫描平面距离AUT面大约几个波长。

近场扫描技术的优点如下：

（1）理论严格：包含探头特性的全部数据都被表示为麦克斯韦方程精确解的线性组合，而未引入小角度、标量绕射等近似解。

（2）精度高：消除了远场测量的近距效应，各种误差源可以检测并补偿，信噪比高，重复性好。

（3）信息量大：一次扫描可获得整个空间全部信息，如幅度、相位、极化、三维方向图等。

（4）诊断功能：通过重建口径场，可以发现常规远场测量难以发现的故障。对相控阵天线，通过诊断测试对AUT口径面存在的失效、超差、误码等进行识别、标定，为更换器件修正通道误差提供依据。

一般地，近场扫描的测试在室内就可完成，具有全天候、保密的特点。它目前是大型天线，尤其面阵天线测量的主流技术之一。

近场测量中，不准确的探头定位、反射、电缆移动、接收机非线性、探头校准误差、有限的扫描域等因素影响测量的精度。因此，从技术的角度，近场测量技术的复杂程度高，扫描架精度，仪器的稳定性有较高的要求。测量的原始数据需要包含幅度相位信息，仪器设备主要是矢量网络分析仪，或由它改装的天线测量幅相接收机、信号源组成。

天线近场测量的基本项目与功能如下：

（1）无探头修正近远场交换；

（2）有探头修正近远场转换；

（3）近场口径变换、诊断；

（4）增益计算；

（5）副瓣分析；

（6）极化分析；

（7）和差方向图；

（8）方向性分析。(www.xing528.com)

根据测量频段和实际需求的不同，分为非变频的直接测量和变频测量两种仪器设备方案和方法。非变频测量时，矢网发射和接收直接在射频微波的高频上进行，主要适用于频率相对比较低，传输线损耗比较小的应用，如C波段、S波段。而在高频段，尤其在18 GHz以上测量传输线的损耗大，在扫描过程中线缆的相位波动明显。此时天线接收的信号一般需要先变换到中频，再传输到矢量网络分析仪进行测量处理，避免了高频段长距离传输带来的损耗，以及在扫描过程中的相位波动。系统组成简单，测试技术成熟，系统频率覆盖40 GHz，场地条件要求不高，测试扫描速度较慢，在测试天线类型上有局限。图10-45为紧缩场天线测试系统。

利用反射面实现球面波到平面波的转换，系统配置复杂、造价高，可以测试大口径天线。图10-46为紧缩场天线测试系统场地。

图10-45　紧缩场天线测试系统

图10-46　紧缩场天线测试系统场地

对于大型天线可选择紧缩场测试解决方案，图10-45中所示为典型紧缩场天线测试系统，系统中包括了仪器设备系统、紧缩场系统、屏蔽暗室、转台系统、系统软件等部分。系统在工作原理上同远场类似，只是多了一个微波反射屏，该反射屏实现馈源发射的球面波到待测天线处的平面波的转换，从而实现在较近距离上测试大型口面天线的目的，对于紧缩场测试，为了达到高精度，对反射屏及暗室都有很高要求，因此造价很高。图10-47为平面近场天线测试系统。

图10-47　平面近场天线测试系统

为解决近距离条件下大口径天线测试、相控阵天线测试等问题，提出了近场天线测试方案，系统由测试部分与控制部分组成，其中测试系统部分放在微波暗室中，主要由扫描架系统、被测天线支架、测试探头、放大器等组成，控制部分放置在单独的控制室，主要由测试仪器、扫描架控制器、主控机、系统软件等组成。由于近场测试中相位准确度直接影响测试结果准确性，而频率越高对应的波长就越短，相应扫描架精度、电缆的幅相变化对测试结果的影响就越大。因此在测试频率上限目前是40 GHz，对于更高频率的测试，需要对扫描架、测试电缆采取特殊的处理措施。

注意事项：

（1）根据被测天线的性能选用适合的测试系统：平面近场、柱面近场、球面近场、室内远场、紧缩场、半开阔场、等高场、斜距场、地面反射场等。

（2）根据被测天线的工作频率及测量参数选用测试仪器和近场测量探头/喇叭天线的型号。

（3）根据被测天线大小、重量和固定方式确定天线支架或转台及扫描架的技术要求。

（4）根据以上条件确定暗室的技术要求：暗室房间的位置、大小、地面承重，是否有振动源，是否通风、除湿，是否屏蔽，吸波材料的尺寸，大型设备进场安装等；室外场的场地大小，地形分布（建筑物或高低等干扰分布情况），地面平整度等。

图10-48　利用平面近场测试系统进行口径场诊断

图10-48是我们利用平面近场测试系统进行口径场诊断的测试图片和诊断效果。对于目前大量应用的各种阵列天线、相控阵天线来说，由于其收发单元、辐射单元数量非常多，为了检测各个单元工作是否正常，就需要进行口面场诊断。它是利用扫描架对阵面进行近场扫描，再通过近场到口径场反演计算，得到天线口径场的幅相分布，可以诊断出故障单元。图10-48中所示为我们针对阵列天线人为制造了2个故障（堵住其中2个辐射口），通过诊断后可以明显分辨出故障位置。