近场测量技术：原理与应用详解

传统的天线远场测量方法的主要缺点是开放的测试场地和电磁环境对测量精度影响较大，对具有低副瓣或超低副瓣天线及其他一些具有特殊性能的天线进行测试时，误差很大，甚至无能为力。为了克服天线远场测量的一些缺点，自20世纪50年代起，国外开始了天线近场测量方法的研究。通过几十年的努力，天线近场测量技术得到了很大的发展。

天线近场测量方法就是对天线的近区（离开天线几个波长远）电磁场分布进行测量，然后利用有关的电磁场定律，通过严格的数学变换，可以得到天线在任意远处的电磁场分布。天线近场测量常常在微波暗室内进行，克服了测量场地和外界电磁干扰对测量精度的影响。

图10-49　辐射近场测量的原理示意图

天线近场测量技术主要分为三大类：聚焦技术、压缩场技术和近场扫描技术。目前所说的近场测量技术主要是指近场扫描技术，即用一个特征已知的探头，在离开待测天线几个波长的某一表面上进行扫描，测量天线在该表面部分离散点上的幅度和相位分布，然后经过严格的数学变换计算出被测天线的远区电特性。这种测量方法是建立在电磁场惠更斯原理、等效原理和平面波谱理论的理论基础上的，其基本思想是把待测天线在空间建立的场展开成空间波函数之和，展开式中的加权函数包含着远场图的完整信息，根据近场测量数据算出加权函数，进而确定天线的远场电特性。图10-49为平面扫描近场测量的示意图和计算流程图，其中AUT为待测天线。

按照电磁理论的惠更斯-基尔霍夫原理和等效原理，测量可以在任意封闭曲面上进行。但是，考虑到扫描机构的可实现性、数据处理的方便性，以及探头校准的算法等因素，近场测量一般有三种测量方式，分别是平面扫描、柱面扫描和曲面扫描。

在天线近场测量中，一般以待测天线作为发射天线。平面扫描是探头在待测天线前适当距离上，沿x和y方向扫描一个足够大的平面，并测量该平面上场的幅度和相位；柱面测量是扫描一个包围待测天线的柱面，并测量该柱面上场的幅度和相位；而球面测量是扫描一个包围待测天线的适当半径的整个球面并测量该球面上场的幅度和相位。

由于平面扫描的数学和计算比较简单，故得到广泛的研究和应用。但是，显而易见，平面测量并没有测量一个封闭曲面（只有平面无限大时才可看成封闭面），因此，平面测量有一个隐含的条件，就是要求测量平面区域以外的场对积分的影响不大（例如，辐射强度低于最大辐射方向30～40 dB，这一点对于绝大多数有一定方向性的天线都是成立的），否则测量的误差就比较大。因此，对笔形波束天线，其口径面以外的场很小，并可以忽略的情况，用平面测量是比较合适的，产生的误差比较小。这时其主要缺点是若不反复测量，则只能计算出在小于180°的锥角内的远场方向图。而柱面测量可以在某些方面克服平面测量的这些缺点，从一次测量中就能计算出除球极角以外的全部仰角内完整的180°方位的方向图。球面测量则具有更大的优势，其原因是通过一次测量就可以计算出完整的4π立体角内的方向图。

在计算方法上，由于平面测量和柱面测量的计算中，全部数值计算使用了快速傅里叶变换（FFT），因此两者都显示出了计算的高效率，但在球面测量中则没有类似的结论。

由于近场测量只需测量天线口面上的场，避免了远场测量的诸多缺点，而成为独立的一门测量技术。但近场测量结果不是直接的远场数据，需通过严格的数学变换来确定天线的远场特性，即研究近远场变换算法。常用的是平面波展开法，根据电磁场理论，无源区任何单频电磁波可以表示为沿不同方向传播的一系列平面电磁波之和，只要已知参与叠加的各个平面波的复振幅对传播方向的关系，场的特性就完全确定了。

在线性、均匀、各向同性的无源媒质中，如图10-50所示的空间坐标系下，电磁场的一般解为：

图10-50　平面近场测量示意图

这两个公式就是场的平面波展开式。式中r为观察点的位置矢量，A（k）称为波数谱或平面波谱，它表示沿k方向传播的平面波的复振幅。设z=d（常数）的平面上场的横向分量为：

其值是已知的，或者能够测量得到的，则由式（10-26）有：(www.xing528.com)

显然At（k）是z=d平面上横向场Et（x，y，d）的二维傅里叶（Fourier）变换，因此：

求得At（k）后，由

可求得A（k），从而根据式（10-30）可求得z＞0区域内任一点的场。此即为近远变换的基本原理，其关键是确定谱函数A（k）。当然，在实际近场测量中，某平面上场的横向分量E的值只能是离散的，是确定取样点的取样值，故求解At（k）的公式中的积分需要变为求和的形式。实际工作中，求解公式（10-30）的二重积分一般是困难的。一般是通过采用快速傅里叶算法计算。

近场测量方法自20世纪70年代以来主要用于天线测量（辐射问题测量），它在待测天线（简写为AUT）的近区内做数据采样。该方法与常规的天线远场测量相比，具有以下优点：

（1）近场测量法成本低，且算得的远场方向图的精度比直接的远场测量精度要高得多。

（2）其信息量大，做一次测量就可以得到一个较大立体角域的三维方向图。

（3）用这种方法测量大天线时，消除了远场尺寸的限制，克服了建造大型测试场的困难。

（4）近场测量可以在室内进行，排除了天气的因素，可以全天候工作。

（5）整个测量过程都是在计算机控制下自动完成的，具有较高的保密性。

该方法的缺点是：

（1）测量系统复杂，制造成本昂贵。

（2）在近场测量中，对探头的校准比在远场测量中对辅助天线的校准要更精确、更全面，以便对探头的影响进行补偿。

（3）由近场测量数据确定天线远场方向图，需要借助计算机完成大量运算，因而计算机软件起着重要作用。

（4）待测天线的方向图不能实时地获得。