平面近场天线测量误差研究

过梦旦

摘 要：近场测量技术是相关人员了解和深入掌握天线性能的重要途径，是较为先进的天线测量技术。为了取得更好的测量效果，需要进一步提升天线测量的标准，改进和完善近场测量技术，从而有效减少误差。以平面进场天线测量为例，结合近场测量技术的应用特点，探究了测量误差产生的原因，并提出了有效的解决措施，以提升近场天线测量的精度。

关键词：天线；测量误差；工作波长；数据信息

中图分类号：TN820 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.084

天线测量技术是天线制造应行业用的关键技术之一。在天线应用的多个领域中，对天线的精度和性能有很高的要求，尤其是在航空航天、通信等领域。根据当前天线测试的要求，需要进一步改进和完善测试方法。目前，天线的测试方法已从天线远场测量技术转换为近场测量技术，这极大地提升了天线测量的精度。但近场测量技术同样存在一定的不足和缺陷，会受到多方面因素的影响，测量结果存在一定的误差。

1 平面近场天线测量技术的优势

近场测量技术的基本原理是利用具有电特性的探头，在离开被测体3～5倍工作波长的距离中，按照取样定理对被测体进行取样分析，获得电磁场幅度和相位数据，经过FFT（快速傅立叶变换）数学变换后，以得出的数据信息为依据，从而更清晰地了解被测体的电特性。根据被测体的类型，分为辐射近场测量、散射近场测量。一般情况下，多采用散射近场测量，其中，平面近场天线测量技术的应用最为广泛。与传统的天线测量技术相比，平面近场测量技术的优势更加明显。比如，应用平面近场天线测量技术时，不需要投入过多的成本，且测量精度高、信息量大，通过对平面近场天线测量三维方向图的分析，可获得天线的精度、性能等相关信息数据；平面近场天线测量的操作更加简单、便捷，尤其是在测量大天线时不会受到远场尺寸的影响，且在室内也可采用近场检测，从而实现全天候工作；平面近场天线测量利用计算机自动控制完成，保密性良好。

2 平面近场天线测量误差研究

建立了天线分析模型，待测天线模型结构为矩形阵列。该矩形阵列结构的半波阵子排列以M×N的形式排列，应先确定阵子放置的位置、方式、阵元数和阵列单元在模型坐标中的各轴间距，再确定每个轴方向的采样间隔。根据叠加原理，参考天线分析模型、半波阵子的远场方向图函数和相关公式，可获得理论远场方向图，从而进行误差分析。

2.1 扫描面截断误差

在无穷大扫描平面上获取的采样数据可为近场测量提供参考数据，并通过FFT由近场转换为远场，进而测量天线。但这属于理论情况，在实际中，无法获得无穷大的扫描平面。而在有限的扫描平面内，只有在扫描面以外的场为0的情况下，近、远场的变换过程中才不会出现误差。因此，应确定扫描面、待测天线在方向轴的尺寸、探头与待测天线的距离。为了有效减少探头与天线间的反射现象，探头与待测天线的距离需要大于5倍的工作波长。此外，近场扫描角也会影响截断误差。

参照天线模型计算，可得到阵列天线的理论方向图，但其与实际情况存在一定的差别。该差别在很大程度上反映了扫描面截断误差情况。根据天线的扫描角，可计算扫描面的面积，将得到的近场转换为远场方向图，比较理想方向图，得出误差。从近场测量方向图与理论远场方向图的对比中可发现，扫描面积越大，截断的误差就越小。

从某种意义上讲，扩大进场扫描面是避免截断误差产生的有效途径。但扩大进场扫描面时，采样数据就会大幅增加，进而增加了数据实时处理的难度。此外，扩大采样面积后，得出的天线信号信息会受到噪声的影响，数据的精度会下降。因此，在平面近场天线测量的过程中，要确保扫描面积的合理性，使截断电平保持在-40 dB以下，从而提升测量的精度。

2.2 扫描面位置误差

在实际中，由于探头尺寸、机械定位精度等难以确定，导致难以保证扫描的均匀性，探头的移动轨迹难以满足垂直或平行的要求。因此，得出的近场值会产生一定的偏移，经过近、远场的转换后，近场数据的精度会降低。参照天线模型计算理想网格上的近场，可得出理想远场方向图。根据定位测试结果，可计算不同方向轴上的定位精度。如果理想网格的均值为0，则可计算不同方向轴的误差值方差。根据方差的正态分布序列，可计算近场值，经过近、远场转换后，可得出远场方向图的误差值，即扫描面的位置误差。

利用激光系统记录探头的扫描移动轨迹，并及时解决其中存在的问题，可有效减少测量误差，提升平面近场天线测量的精度，充分发挥其优势，为天线的应用打下良好的基础。此外，暗室环境误差、多次耦合误差、探头补偿误差等都是制约天线性能发挥的重要因素。针对这些问题，应采取相应的解决办法，改进平面近场天线测量技术，使其在天线测量中发挥更加重要的作用，形成更加完善的天线测量技术。

3 结束语

为了有效提升天线测量的精确度，在应用近场测量技术的基础上，应更加深入地了解和掌握天线的基本性能，为天线的应用提供有力的保障，提升天线测量技术的水平和标准，以达到更好的测量效果；针对扫描面截断误差、扫描面位置误差进行分析，寻找误差根源，有效改进和完善近场测量技术，从而减少平面近场天线测量误差，提升天线的测量精度和性能。

参考文献

[1]李勇，李焱明，刘征.基于多通道控制器的扫频近场测量[J].电子测量与仪器学报，2009，23（4）.

[2]李勇，欧杰，徐平.平面近场天线测量误差分析[J].电子测量与仪器学报，2010（11）.

[3]欧杰.天线近远场测量及应用[D].西安：西安电子科技大学，2011.

〔编辑：张思楠〕