前饋拋物面天線平面近場測試

李立哲，李 科，宋 鋒，王進凱

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

天線近場測試可以克服大天線遠場測試時測試距離的限制，其中平面近場測試因其數(shù)學計算簡單，在大天線測試中應用廣泛[1-3]，它是用一個特性已知的掃描探頭在距待測天線(3～5)λ處的某一表面進行掃描，記錄下探頭接收電壓的相位和幅度隨位置變化的關系,由這些數(shù)據(jù)通過近遠場變換,確定天線的遠場特性[4-8]。然而測試過程中也會遇到這樣的問題：比如口徑為2.4 m,工作于X波段的前饋拋物面天線[9-12]，其饋源后部與反射面之間的距離為1 234 mm，大約為38λ，這種情況下，若掃描探頭距離天線口面(3～5)λ，掃描探頭進行掃描采集數(shù)據(jù)的過程中會受到饋源的阻擋，無法完成數(shù)據(jù)的采集，若饋源不遮擋，掃描探頭與天線口面之間的距離至少為38λ，不滿足(3～5)λ，為了驗證在這種情況下平面近場測量的正確性，首先用簡單易測的喇叭天線驗證了近場范圍內測試距離對測試結果的影響，然后將掃描探頭置于該前饋拋物面天線口面前40λ處，進行了平面近場測試，并將測試結果與遠場測試結果進行了比較。

1 平面近場測試

1.1 近場測試原理

近場測試是通過測試天線近場區(qū)的數(shù)據(jù)，然后應用嚴格的模式展開理論，從而得到天線的遠場特性，位于待測天線近場區(qū)的探頭以平面形式采集數(shù)據(jù)時，為平面近場測量，根據(jù)高等電磁理論，均勻無源區(qū)域中，空間任一點的電磁場可以表示為[12]：

(1)

(2)

1.2 平面近場測試系統(tǒng)

天線測試所用的平面近場測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 平面近場測試系統(tǒng)框圖

測試時，矢網作為接收機通過計算機總線控制發(fā)射源和本振源，發(fā)射源發(fā)出的信號經過定向耦合器分為兩路，一路由待測天線發(fā)出，另一路輸入參考混頻單元，作為參考信號輸出到中頻分配單元，送入到矢網。掃描探頭接收到待測天線發(fā)射的信號后，輸入到測試混頻模塊，變換成中頻信號后輸入到放大器進行放大，放大后的測試信號輸入到中頻分配單元，輸出到矢網。本振源產生的本振信號送入中頻分配單元85309A，被分成2路，送入85320B作本振信號，另一路送入85320A作為本振信號。中頻分配單元將參考信號和測試信號進行處理，輸出兩路信號到矢網，一路測試信號，一路參考信號[13]，探頭在距待測天線d的平面上以間距Δx、Δy采集離散點場強，矢網不斷采集到這些數(shù)據(jù)，采集完成后經過數(shù)據(jù)處理變換成所需的天線遠場特性，通常，Δx≤λ/2，Δy≤λ/2，d取(3-5)λ[14-16]。

2 喇叭天線的近場測試

若平面近場測試時掃描探頭與待測天線之間的距離對測試結果影響很小，那么前饋拋物面天線就可以將掃描探頭置于距天線口面40λ處，這樣就解決了掃描過程中饋源遮擋的問題。為了驗證測試距離對測試結果的影響，以喇叭天線為例，在喇叭天線近場范圍內使用平面近場測試系統(tǒng)測試了掃描探頭距天線口面為3λ、5λ、10λ、20λ時的方向圖，所得E面和H面方向圖如圖2和圖3所示，并對方向圖E面和H面內的波束寬度以及副瓣電平進行了分析比較，測量選用的掃描面大小以及方向圖的波束寬度、副瓣電平如表1所示。

圖2 E面方向圖

圖3 H面方向圖

表1 不同測試間距下的掃描參數(shù)、截斷電平以及測試結果

喇叭天線與掃描探頭之間的距離掃描面大小/mm2截斷電平/dBE面波束寬度E面副瓣電平H面波束寬度H面副瓣電平3λ336 ×308 -3517.82-28.0317.38-9.225λ448 ×420 -3517.82-28.0317.38-9.2210λ784 ×756 -3517.80-28.0317.36-9.2220λ1 428 ×1 400 -3517.78-28.0017.35-9.20

當掃描探頭距天線口面分別為3λ、5λ、10λ、20λ時，選取合適的掃描面，使截斷電平達到-35 dB[17-18],采用近場測試所得的E面內波束寬度的誤差為0.05 dB，H面內的波束寬度誤差為0.03 dB，E面內副瓣的誤差為0.03 dB，H面內的副瓣的誤差為0.03 dB,在工程上這個誤差是可以忽略的。

由此可見，在近場范圍內，增大天線口面與掃描探頭之間的距離，同時適當增大掃描面積，保證-35 dB的截斷電平，工程上對測試結果沒有影響。但是對于普通的面天線來說，增大測試間距是以犧牲測試時間為代價的，對于像前饋拋物面天線這種掃描探頭與待測天線口面之間的距離為(3～5)λ時饋源會影響掃描進程的,可以增大掃描探頭與天線口面之間的距離，避免饋源遮擋，再選取合適的掃描面，可以使用平面近場測試，解決了這一類前饋反射面天線的近場測試問題。

3 2.4 m前饋拋物面天線的平面近場測試

為了驗證上述結論，在近場測試環(huán)境中，對引言中提到的2.4 m前饋拋物反射面天線進行了測試，測試時掃描探頭距待測天線1 300 mm，約為40λ，掃描面積5 012 mm×5 012 mm，截斷電平-35 dB，測試所得E面和H面內的方向圖如圖4和圖5所示。

圖4 E面方向圖

圖5 H面方向圖

兩個主平面內的波束寬度以及副瓣電平與遠場測試的結果比較如表2所示。

表2 2.4 m天線近場測試和遠場測試結果比較

測試結果E面波束寬度/(°)E面副瓣H面波束寬度/(°)H面副瓣近場1.10-25.601.07-24.20遠場1.15-25.901.10-24.55

采用平面近場測試所得的E面、H面波束寬度和遠場測試結果的誤差為0.05°，采用平面近場測試所得的E面、H面第一副瓣和遠場測試結果的誤差為0.35°，這個誤差在工程中可以忽略，近場測試結果和遠場測試結果吻合，說明了平面近場測量結果的準確性,對于前饋反射面天線，可以采用近場測試方法進行測量。

4 結束語

在工程實際中采用平面近場測量方法，將掃描探頭置于距拋物反射面天線口面40λ處，采用平面近場測試系統(tǒng)得到的方向圖與遠場測試方向圖吻合。在保證足夠的截斷電平下，在一定范圍內，探頭與待測天線之間的距離對測試結果的影響工程上可以忽略，但是需要增加測試時間為代價，在工程上解決了前饋反射面天線采用近場測試的問題。適用于平面近場測試的距離可以到多少還有待進一步研究。