辐射性能参数测试方法与技巧

1.航天器天线测试场地选择

为了获取天线辐射方向图，必须围绕待测天线的某个表面进行测试采样。根据采样位置不同，可以将天线测试方法分为远场测试和近场测试两种方式。远场测试包括传统意义上的室外远场测试、室内远场测试及在暗室内进行的紧缩场测试。近场测试根据选取的扫描面形状又分为平面近场测试、柱面近场测试及球面近场测试。

航天器天线任务多种多样，不同载荷、不同载体以及不同任务要求，导致航天器天线频段、形式、尺寸差别很大。从工作频段来看，有短波、超短波、L频段、S频段、C频段、X频段、Ku频段、Ka乃至毫米波、亚毫米波等天线。从辐射形式来讲，有仅几公分^[1]大小的弱方向性天线，也有几十米的可展开放射面天线和大型阵列天线。航天器天线测试基本涵盖了目前所有的天线测试技术，是天线测试技术发展的重要驱动力量。

针对本书所讲述的各类型航天器天线辐射特点和工程实际，在表10-1中列出了研制生产时辐射性能测试常用试验场地。

表10-1　航天器天线对应测试场地

2.航天器天线测试场地介绍

从表10-1中可以看出，目前航天器天线辐射性能测试主要使用的场地有室内远场、紧缩场和近场。

（1）室内远场

室内远场是指在微波暗室内的远场测试。微波暗室由吸波材料铺设屏蔽体内壁，以减小内壁反射，使内部某一区域形成一个接近“自由空间”的无回波区，即静区。室内远场具有全天候测试、保密性好、抗电磁干扰等众多优势，但受制于室内空间和建设成本，通常可测试的天线口径较小。常见室内远场测试暗室有锥形暗室和矩形暗室两种类型，如图10-8所示。

锥形暗室的发散形几何形状，避免了来自侧墙、地板和天花板的大角度镜面反射，具有较好的低频性能。矩形暗室两端均可使用，既可用于方向图测试，又适用于系统参数测试，通用性较好。在航天器天线研制过程中，室内远场广泛应用于测控、导航定位、数传、返回器天线等航天器平台天线的增益和方向图测试。图10-9所示为典型室内远场测试暗室。

（2）紧缩场

随着航天器天线口径的增大和工作频率的提高，为满足远场条件，要求测试距离达到几千米甚至几万米。如此大的收发距离使得远场测试变得非常困难，紧缩场技术的出现解决了这个难题。紧缩场技术是通过几何光学的概念，在用透镜或反射面校准馈源所发出的球面波前，使之在较短距离内形成准平面波环境。从校准方式上可将紧缩场分为透射式紧缩场和反射式紧缩场两大类。反射式紧缩场是利用金属对电磁波的反射作用，通过改变馈源发出球面波的传播路径，形成平面波。根据使用的反射面数量，反射式紧缩场又可以分为单反射面、双反射面和多反射面紧缩场。目前航天器天线测试中使用较多的是卡塞格伦双反射面紧缩场。图10-10所示是卡塞格伦双反射面紧缩场布局。

图10-8　常见微波暗室形状

（a）锥形暗室；（b）矩形暗室

图10-9　室内远场暗室

（中国空间技术研究院总体部提供照片）(www.xing528.com)

卡塞格伦紧缩场的副反射面为旋转双曲面，主反射面为旋转抛物面。副反射面将馈源发出的球面波校准为由虚源发出的球面波，主反射面再将其校准为平面波。为获得最大的等效焦径比，馈源与反射面布局一般采用前馈“4”字形结构。从理论上说，当前馈卡塞格伦紧缩场满足圆对称条件时，其在线极化馈源照射下所产生的交叉极化为零。在实际中，由于加工精度、边缘绕射、暗室反射等不确定因素的影响，交叉极化并不能为零，通常会低于-40 dB，非常适合于高极化隔离度的通信卫星天线测试。图10-11所示是常见卡塞格伦紧缩场。

图10-10　卡塞格伦紧缩场布局

图10-11　卡塞格伦紧缩场

（中国空间技术研究院总体部提供照片）

（3）近场

天线近场测试技术是用一个特性已知的探头，在距离待测天线几个波长的近场区域扫描，测得天线在该扫描面上部分离散点位置的幅度和相位分布，然后经过严格的数学变换计算出被测天线的远场辐射特性。其基本思想是把待测天线的空间辐射场展开成空间波谱函数之和，展开式中的加权函数包含了远场完整信息，根据近场测试数据，计算加权函数，从而获得天线远场方向图。根据惠更斯基尔霍夫原理和等效原理，测试可以在任意封闭曲面上进行，但考虑到扫描机构的可实现性、数据处理的方便性，近场测试主要有平面、柱面和球面三种扫描方式，如图10-12所示。目前航天器天线测试中使用较多的是平面近场和柱面近场。

图10-12　三种近场采样方式

（a）平面扫描；（b）柱面扫描；（c）球面扫描

平面近场扫描是探头在距待测天线适当距离上，扫描一个足够大的平面，通过平面波谱展开，获得天线远场方向图。显而易见，平面近场测试忽略了扫描平面以外的场强，并没有测试一个完整封闭曲面，因此适用于高增益或笔形波束天线测试。在航天器天线研制过程中，使用平面近场测试比较多的是通信卫星东西天线、反射面数传天线、星间链路天线、大型微波遥感载荷天线等。平面近场另一个重要作用是用于相控阵天线的幅相校正和近场诊断。图10-13（a）所示是平面近场照片。

球面近场测试是探头在距待测天线适当距离上，测试一个包围待测天线的球面场分布，通过球面波谱展开，获得天线远场方向图。根据采样探头数量不同，球面近场可分为单探头球面近场和多探头球面近场。单探头球面近场使用一个探头通过多个转台获得包围待测天线的球面场分布。多探头球面近场在球坐标系统中的一个维度（通常为θ）布置多个宽带低反射的探头，用电子扫描代替机械扫描，从而快速获得球面场分布。球面近场测试技术能够得到被测天线完整的方向图和增益，是一种理想天线测试手段。使用球面近场测试比较多的是测控天线、导航定位天线、数传天线以及部分低频航天器天线测试。图10-13（b）所示是多探头球面近场照片。

图10-13　近场实验室

（a）平面近场；（b）多探头球面近场
（中国空间技术研究院总体部提供照片）

3.全尺寸辐射模型星测试

辐射模型星（简称RM星）是电磁辐射性能等效于真实卫星的一种简化模型。RM星尺寸、设备布局、边界条件与真实卫星一致，可以真实地模拟天线的电磁环境。RM星测试通过测试天线装星后的辐射特性，从系统层面考核天线是否达到设计要求。因此，RM星体设计加工时应尽量接近真实星体，以确保测试结果能够真实反映天线的真实工作状态。

在实际测试中，RM星测试一般在型号研制的初样阶段，在天线单机产品辐射性能满足设计要求，且航天器构型尺寸和星表设备布局初步确定后开展。RM星体加工时，星上设备可以根据其对天线的遮挡或影响情况，适当简化或删减。例如，对于常规平台天线或通信载荷天线，太阳翼对RM星测试结果影响较小，测试时通常不带太阳翼模型。RM星测试与天线单机测试方法完全相同，只是对测试静区的需求有所增大。目前航天器天线RM星测试主要在紧缩场或球面近场进行。