前馈抛物面天线平面近场测试

李立哲，李 科，宋 锋，王进凯

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

天线近场测试可以克服大天线远场测试时测试距离的限制，其中平面近场测试因其数学计算简单，在大天线测试中应用广泛[1-3]，它是用一个特性已知的扫描探头在距待测天线(3～5)λ处的某一表面进行扫描，记录下探头接收电压的相位和幅度随位置变化的关系,由这些数据通过近远场变换,确定天线的远场特性[4-8]。然而测试过程中也会遇到这样的问题：比如口径为2.4 m,工作于X波段的前馈抛物面天线[9-12]，其馈源后部与反射面之间的距离为1 234 mm，大约为38λ，这种情况下，若扫描探头距离天线口面(3～5)λ，扫描探头进行扫描采集数据的过程中会受到馈源的阻挡，无法完成数据的采集，若馈源不遮挡，扫描探头与天线口面之间的距离至少为38λ，不满足(3～5)λ，为了验证在这种情况下平面近场测量的正确性，首先用简单易测的喇叭天线验证了近场范围内测试距离对测试结果的影响，然后将扫描探头置于该前馈抛物面天线口面前40λ处，进行了平面近场测试，并将测试结果与远场测试结果进行了比较。

1 平面近场测试

1.1 近场测试原理

近场测试是通过测试天线近场区的数据，然后应用严格的模式展开理论，从而得到天线的远场特性，位于待测天线近场区的探头以平面形式采集数据时，为平面近场测量，根据高等电磁理论，均匀无源区域中，空间任一点的电磁场可以表示为[12]：

(1)

(2)

1.2 平面近场测试系统

天线测试所用的平面近场测试系统框图如图1所示。

图1 平面近场测试系统框图

测试时，矢网作为接收机通过计算机总线控制发射源和本振源，发射源发出的信号经过定向耦合器分为两路，一路由待测天线发出，另一路输入参考混频单元，作为参考信号输出到中频分配单元，送入到矢网。扫描探头接收到待测天线发射的信号后，输入到测试混频模块，变换成中频信号后输入到放大器进行放大，放大后的测试信号输入到中频分配单元，输出到矢网。本振源产生的本振信号送入中频分配单元85309A，被分成2路，送入85320B作本振信号，另一路送入85320A作为本振信号。中频分配单元将参考信号和测试信号进行处理，输出两路信号到矢网，一路测试信号，一路参考信号[13]，探头在距待测天线d的平面上以间距Δx、Δy采集离散点场强，矢网不断采集到这些数据，采集完成后经过数据处理变换成所需的天线远场特性，通常，Δx≤λ/2，Δy≤λ/2，d取(3-5)λ[14-16]。

2 喇叭天线的近场测试

若平面近场测试时扫描探头与待测天线之间的距离对测试结果影响很小，那么前馈抛物面天线就可以将扫描探头置于距天线口面40λ处，这样就解决了扫描过程中馈源遮挡的问题。为了验证测试距离对测试结果的影响，以喇叭天线为例，在喇叭天线近场范围内使用平面近场测试系统测试了扫描探头距天线口面为3λ、5λ、10λ、20λ时的方向图，所得E面和H面方向图如图2和图3所示，并对方向图E面和H面内的波束宽度以及副瓣电平进行了分析比较，测量选用的扫描面大小以及方向图的波束宽度、副瓣电平如表1所示。

图2 E面方向图

图3 H面方向图

表1 不同测试间距下的扫描参数、截断电平以及测试结果

喇叭天线与扫描探头之间的距离扫描面大小/mm2截断电平/dBE面波束宽度E面副瓣电平H面波束宽度H面副瓣电平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

当扫描探头距天线口面分别为3λ、5λ、10λ、20λ时，选取合适的扫描面，使截断电平达到-35 dB[17-18],采用近场测试所得的E面内波束宽度的误差为0.05 dB，H面内的波束宽度误差为0.03 dB，E面内副瓣的误差为0.03 dB，H面内的副瓣的误差为0.03 dB,在工程上这个误差是可以忽略的。

由此可见，在近场范围内，增大天线口面与扫描探头之间的距离，同时适当增大扫描面积，保证-35 dB的截断电平，工程上对测试结果没有影响。但是对于普通的面天线来说，增大测试间距是以牺牲测试时间为代价的，对于像前馈抛物面天线这种扫描探头与待测天线口面之间的距离为(3～5)λ时馈源会影响扫描进程的,可以增大扫描探头与天线口面之间的距离，避免馈源遮挡，再选取合适的扫描面，可以使用平面近场测试，解决了这一类前馈反射面天线的近场测试问题。

3 2.4 m前馈抛物面天线的平面近场测试

为了验证上述结论，在近场测试环境中，对引言中提到的2.4 m前馈抛物反射面天线进行了测试，测试时扫描探头距待测天线1 300 mm，约为40λ，扫描面积5 012 mm×5 012 mm，截断电平-35 dB，测试所得E面和H面内的方向图如图4和图5所示。

图4 E面方向图

图5 H面方向图

两个主平面内的波束宽度以及副瓣电平与远场测试的结果比较如表2所示。

表2 2.4 m天线近场测试和远场测试结果比较

测试结果E面波束宽度/(°)E面副瓣H面波束宽度/(°)H面副瓣近场1.10-25.601.07-24.20远场1.15-25.901.10-24.55

采用平面近场测试所得的E面、H面波束宽度和远场测试结果的误差为0.05°，采用平面近场测试所得的E面、H面第一副瓣和远场测试结果的误差为0.35°，这个误差在工程中可以忽略，近场测试结果和远场测试结果吻合，说明了平面近场测量结果的准确性,对于前馈反射面天线，可以采用近场测试方法进行测量。

4 结束语

在工程实际中采用平面近场测量方法，将扫描探头置于距抛物反射面天线口面40λ处，采用平面近场测试系统得到的方向图与远场测试方向图吻合。在保证足够的截断电平下，在一定范围内，探头与待测天线之间的距离对测试结果的影响工程上可以忽略，但是需要增加测试时间为代价，在工程上解决了前馈反射面天线采用近场测试的问题。适用于平面近场测试的距离可以到多少还有待进一步研究。