一種低成本平面近場/遠場天線測量系統(tǒng)設計與研究

摘要：本文搭建并驗證了一種低成本平面近場/遠場（NF/FF）天線測量系統(tǒng)。并詳細介紹了該系統(tǒng)的設計流程，該測量系統(tǒng)可以加速確定近場/遠場輻射圖。本論文首先綜述了近場天線測量的基本理論。詳細介紹了利用傅里葉變換進行NF/FF轉(zhuǎn)換的方法。從近場測量中計算出的遠場輻射模式與射頻消聲室中直接測量的遠場輻射模式進行了比較。并在實際天線觀測中得到了合理的測量結(jié)果。該系統(tǒng)的綜合建設成本大約為5000人民幣。綜合考慮其合理準確的結(jié)果和建設開發(fā)成本，該測量系統(tǒng)是值得被推廣的。

關(guān)鍵詞：平面近場;傅里葉變換;遠場輻射圖;建設成本

1引言

天線遠場輻射方向圖的測量是復雜天線開發(fā)和制造中的一個重要課題。用于測量天線遠場輻射方向圖的技術(shù)可分為兩大類：直接測量和間接測量[1]。天線輻射電磁場地分布隨天線的距離逐漸變化。測量點與天線的距離大致分為兩個主要區(qū)域：近場區(qū)域和遠場區(qū)域。天線的直接遠場輻射模式測量技術(shù)是在遠場區(qū)域進行的。但是該技術(shù)無法確定高精度天線的性能。其測量結(jié)果受各種因素干擾，包括天氣效應、天線重力畸變等等[2]。間接測量技術(shù)是依據(jù)遠場或計算范圍的質(zhì)量可以由近場區(qū)域測量確定，然后這些測量值通過數(shù)學公式轉(zhuǎn)換為等效的遠場測量值。使用近場天線測量來確定遠場輻射方向圖已在天線測試中得到廣泛應用，該技術(shù)可以以非常經(jīng)濟高效的方式精確測量天線輻射圖。本論文的研究目標是建造和驗證了一種低成本的近場/遠場測量系統(tǒng)。

2近場/遠場測量基本理論

2.1近場和遠場的定義

與天線相關(guān)的輻射電磁場地分布隨與天線的距離逐漸變化。作為與天線距離的函數(shù)，有三個區(qū)域需要重點關(guān)注：反應性近場、輻射性近場和遠場。這些區(qū)域之間的過渡非常平緩。近場和遠場限制有許多不同的定義。本論文中使用的定義為以下三點：

1.離天線最近的區(qū)域是倏逝或反映近場區(qū)域。電磁能量的倏逝分量隨距離迅速衰減。倏逝區(qū)域包括非傳播（反應）和傳播能量，并從任何導電表面延伸六分之一波長的距離。

2.第二個區(qū)域是輻射近場或菲涅耳區(qū)域，它延伸到2D2/λ，其中λ為波長，D為天線的最大尺寸。雖然存在局部能量波動，但在距天線不同距離處的平均能量密度保持相對恒定。本文對AUT的輻射近場區(qū)域進行了近場測量。

3.距離天線最遠的區(qū)域是遠場區(qū)或夫瑯和費區(qū)。相對角度分布在遠場區(qū)不隨距離變化。遠場區(qū)天線的功率根據(jù)平方反比定律隨距離衰減。遠場區(qū)從2D2/λ延伸到無窮遠。

2.2近場測量概念

天線遠場方向圖技術(shù)的測量分為兩大類：直接測量和間接測量。在直接測量技術(shù)中，遠場是被測量的量;而在被稱為近場技術(shù)的間接測量技術(shù)中，遠場只是由附近測量的近場構(gòu)成的副產(chǎn)品。

天線向自由空間輻射一個線性系統(tǒng)，其單頻時間依賴性為exp（-iwt）。延伸到無窮遠的遠場區(qū)域是電場和磁場的徑向依賴性變化近似為exp（ikr）/r的空間區(qū)域。遠場的內(nèi)徑可根據(jù)矢量勢的一般自由空間積分進行估算，對于非超反射天線，通常設置為2D2/λ。從天線表面到遠場的自由空間區(qū)域稱為近場區(qū)域。它被分為兩個分區(qū)，反射區(qū)和輻射區(qū)近場。反應近場區(qū)域通常被認為是從天線表面延伸到λ/2π附近。電場和磁場傾向于以相位傳播，在到達遠場之前不會表現(xiàn)exp（ikr）/r依賴關(guān)系。在反映近場和遠場之間的這個傳播區(qū)域稱為輻射近場。

倏逝能量通過電容或電感耦合到近場探頭，但不是通過自由空間傳播。因此，E和H場不是正交的，也不受自由空間的阻抗的影響，倏逝能量隨著距離的增加而迅速衰減，因為倏逝能量是非傳播的，但通過電容或電感耦合。通常情況下，在距離導電表面數(shù)個波長的距離處，倏逝能量已完全衰減。近場通常在倏逝區(qū)域外產(chǎn)生，更高的采樣密度以及單獨的E和H場測量是必需的。

根據(jù)不同的掃描系統(tǒng)，近場測量通常在三個坐標系中的一個進行：平面、球面、圓柱。假設測試天線正在發(fā)射，近場可大致分解為反應區(qū)域在表面的λ/2π范圍內(nèi)，輻射區(qū)域在此范圍外，最終合并成一個遠場區(qū)域。在反應區(qū)域內(nèi)，電場和磁場不同相，也不代表將出現(xiàn)在物體真實空間部分的信號。在輻射近場區(qū)域加上探頭天線，并記錄接收信號的振幅和。探頭天線足夠小，可以在寬角度上拾取能量，同時對測量場造成最小干擾。探頭在平面、圓柱形或球形表面上以較小地步進移動半個波長，并存儲數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)點是由探頭方向圖確定的天線區(qū)域的組合信號。在這種情況下，使用近場/遠場轉(zhuǎn)換技術(shù)。從探頭掃描平面的孔徑空間數(shù)據(jù)集E推導出遠場方向圖的角空間。高增益航天器天線一般采用平面掃描面，只需簡單的探頭校正，具有較好的零重力模擬性能。球形掃描用于低增益天線和天線饋電元件，因為能量從AUT視軸的大角度捕獲。圓柱面通常用于電視廣播天線和某些航天器測控全向天線。

3近場天線測量系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)介紹

一個典型的近場測量系統(tǒng)可以方便地用三個子系統(tǒng)來描述：（1）計算機（2）射頻源和接收器（3）機械掃描儀和探頭定位器。本論文設計的近場測量系統(tǒng)主要由計算機、1.5 m×1.5 m平面掃描儀和Wiltron模型360矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）組成。計算機和VNA共同組成射頻消聲室測量系統(tǒng)。包括相關(guān)控制部分的新型平面掃描儀總共成本不到5000元人民幣。平面掃描儀上的探頭由雙電機控制器驅(qū)動，在水平和垂直方向上移動。在特定位置，探頭將測量AUT輻射的近電場的大小和相位，該近電場與掃描平面保持一定距離，并顯示在VNA上。多次測量后，VNA將這些數(shù)據(jù)量和相位傳遞給計算機存儲器，以便進行進一步處理。

由于涉及大量數(shù)據(jù)，測量系統(tǒng)的計算機控制至關(guān)重要。近場天線測量系統(tǒng)中的計算機執(zhí)行模具管理任務，控制探頭的運動。從VNA收集數(shù)據(jù)。還管理VNA和計算機之間的通信。管理包是用Quickbasic嵌入式匯編語言編寫的。

雙端口Wiltron 360型VNA已經(jīng)是射頻暗室測量系統(tǒng)的一部分，用于近場天線測量系統(tǒng)中測量AUT的輻射模式。它由前面板、屏幕、發(fā)電機和電源組成，頻率范圍為40MHz-40GHz，頻率分辨率為100KHz。在開始測量之前，需要進行VNA校準。對于近場天線測量，首選全周期校準，包括反射和頻率響應校準。

3.2矩形平面掃描儀

機械掃描儀（或探頭定位器）由支架、導軌和驅(qū)動電機組成，用于將測量探頭從平面內(nèi)給定的x-y坐標移動到某一點，直到讀取讀數(shù)。掃描平面的跨度在垂直和水平方向上均可達到1.5米，掃描器的機械結(jié)構(gòu)包括一個水平軸和一個垂直軸，每個軸都有自己的驅(qū)動機構(gòu)，這樣任何一個軸都可以獨立于另一個軸進行驅(qū)動。電氣設計包括與PC的電子接口。一對由計算機驅(qū)動的步進電機將測試探針定位在最大平面尺寸為1.5m×1.5m的網(wǎng)格中的預定點。該設計使平面掃描儀能夠安裝在測試消聲室內(nèi)，消聲室體積為4m×2.5m×2.5m。計算機能夠在確定的時間間隔停止探頭，并允許從VNA進行測量。根據(jù)設計，隨著電機的增加，移動的步數(shù)用于計算垂直或水平線性位移。

3.3系統(tǒng)通信

為了記錄探頭拾取的近場天線測量數(shù)據(jù)，在雙步進電機控制器、計算機和VNA之間建立通信。不同方案使用不同的通信組件。運行控制程序。探頭將由雙步進電機控制器驅(qū)動，并沿垂直或水平方向移動。在探頭返回預定位置后，ST-143向VNA發(fā)送觸發(fā)信號。記錄位置上的幅值和相位。記錄一條線后，電機將以一個步長驅(qū)動另一個方向上的探頭垂直支架，同時VNA將數(shù)據(jù)（包括振幅和相位）傳遞到計算機。計算機將沿一條線將數(shù)據(jù)存儲到一個文件中，文件名由用戶提供。此過程將重新進行，直到完成一個正方形平面采樣。近場測量完成后，將獲得多個數(shù)據(jù)文件。

計算機和VNA之間的通信是通過通用接口總線進行的（GPB），一種IEEE 488接口，其高數(shù)據(jù)傳輸速率高達1兆字節(jié)/秒。這項工作是由匯編語言編寫的程序完成的。高數(shù)據(jù)傳輸速率滿足實時控制需求。有三種可用的VNA圖表模式：a）極坐標格式;b）對數(shù)幅度和相位;c）極坐標和矩形坐標。在平面近場測量中，我們使用對數(shù)幅度和相位。在測量過程中，不允許VNA從前面板輸入數(shù)據(jù)，直到首先操作“清除”。完成近場測量后，VNA將返回本地控制。用戶才能在VNA的前面板上輸入數(shù)據(jù)和操作。

計算機通過a總線AR-133控制步進電機控制器ST-143的工作。在系統(tǒng)中，A總線適配器AR-133插入計算機，并與A總線卡ST-143相連。計算機通過軟件程序控制步進電機控制器的運動。驅(qū)動探頭并向VNA發(fā)送觸發(fā)信號的程序用Quickbasic語言編寫，并存儲在計算機中。

3.4系統(tǒng)操作方法

在近場天線測量系統(tǒng)中，計算機控制探頭的運動、VNA和系統(tǒng)中的通信。由于它執(zhí)行實時控制，因此程序的編寫方式使功能在單獨的時間序列中執(zhí)行。首選Quickbasic匯編語言，因為該匯編語言簡單、可在大多數(shù)情況下運行且可用技術(shù)機。程序已被創(chuàng)建為可執(zhí)行文件。用戶只需輸入N-F名稱即可運行程序。在運行程序之前，探頭被放置在掃描平面的中心。并且面對AUT。探頭的位置可由名稱為move.bas的程序控制，其可執(zhí)行文件為move。在運行操作程序之前，操作員應檢查數(shù)據(jù)文件“di_x”和“di_y”，這兩個文件都是方向文件，并根據(jù)掃描儀的狀況指示探頭是否向左/向右和向上/向下移動。

4近場到遠場的轉(zhuǎn)換

4.1從近場測量得到的源分布來確定遠場

由于天線是將傳輸導波轉(zhuǎn)換為空間中輻射波的裝置，反之亦然。天線的場強分布是距離天線和角坐標的函數(shù)，因此本章的目的是確定天線輻射方向圖，并給出適當?shù)倪h場輻射模式變換方法。給定體積內(nèi)的完整電場E和磁場H可以用體積內(nèi)源的電流密度和體積邊界上的場本身的值來表示。如果需要分析的體積被定義為不包含源，并且被無窮遠處的封閉曲面S和球面所限制，則體積內(nèi)點P處的e場和H場為：

其中n表示垂直于曲面的單位向量，函數(shù)ψ表示曲面的標量部分。當需要確定天線表面上的電流或電荷分布而不是孔徑中的場分布時，假設閉合表面S為完全導電和邊界條件，

其中，其中K是表面電流密度，ρ是表面電荷密度。此外，還可以利用與電流密度和電荷密度相關(guān)的連續(xù)性方程。E和H場的方程可以僅用電流密度或電荷密度表示。根據(jù)理想導電表面S上的表面電流密度，需要分析的體積中P點處的電場和磁場可以表示為：

在其基本公式中，從源分布中劃分場模式的方法包括對孔徑分布應用（公式1）或?qū)﹄娏鞣植紤茫ü?）。在第一種情況下。進行了近場測量，以確定天線周圍表面的E和H場分布。除了非常簡單的幾何圖形，公式1和公式3如果沒有近似值是很難應用的。這些近似通常與進行積分的表面上的場或電流的性質(zhì)有關(guān)。計算表面積分所必需的近似通常分為以下幾個方面：（l） 假設電場或電流對地表某部分的影響可以忽略不計;（2） 假設所有輻射都向外歸一化到表面;（3） 假設電場和磁場像平面波那樣線性相關(guān);（4） 假設小角度近似，從而限制用于定位場點的角度區(qū)域。這種近似應與正常的遠場近似區(qū)分開來，后者簡化了計算，但在距離源足夠遠的距離處產(chǎn)生有效結(jié)果，以滿足遠場條件。

5結(jié)論

設計了一種低成本的近場/遠場天線測量系統(tǒng)。采用直接遠場天線測量系統(tǒng)進行驗證。在近場的平面掃描平面上進行一維和二維的近場測量，在遠場輻射圖的繪制中采用FFT算法。近場/遠場測量的數(shù)據(jù)與暗室測量系統(tǒng)中直接遠場測量的數(shù)據(jù)之間存在合理的一致性。在測量水平輻射圖時，首選一維近場天線測量。一維近場天線測量不需要探頭校正，使近場/遠場測量速度和數(shù)據(jù)處理速度比二維近場測量快。近場/遠場測量獲得的數(shù)據(jù)和直接在艙內(nèi)測量的數(shù)據(jù)驗證了這兩種技術(shù)。

參考文獻

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作者簡介：馬玉豐，男，遼寧省撫順市，19860506，工程碩士，工程師，，西安空間無線電技術(shù)研究所（航天504所），天線電性能測試與天線測試技術(shù)與系統(tǒng)集成建設研究。