暗室近场测试误差源分析及工程诊断应用

席文群 翁永军

（南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039）

由于近场测量的高精度、全天候工作和保密的特点，国内外普遍采用近场测量技术来确定天线的特性[1]，但由于各种原因会带来较大误差，导致暗室测量结果的不确定性。如果误差超过一定范围，可能会歪曲测量结果，工程上可通过重复测量或者改变测量条件及环境来进行分析。

国内外有大量文献对各种误差提出误差补偿的方法，通常需要经过复杂的运算和数据处理进行量化修正来实现[2]。为提高平面近场测量精度，本文从工程应用角度提出如何解决各类误差带来的测量结果不准确问题，并通过对某典型线阵系统的近场测试的幅相误差展开分析和讨论，结合仿真结果给出误差诊断思路及工程解决方法。

1 天线近场测试原理及误差源简介

近场测试系统庞大复杂，它的工作原理是将被测天线作为发射天线，用一小型接收天线即探头在被测天线口径面附近测量其场的分布，经电缆送入接收机（矢网）获得探头所在处的幅相值，利用计算机将数据进行处理得出天线方向图。测试的工作原理如图1 所示。

就近场测量系统而言，对天线测试结果有影响的误差有二十多项，根据美国国家标准技术研究所（NIST）研究的误差预估现状分析，平面辐射近场测量的主要误差源为18 项[3]，大致分为四类：探头误差、机械扫描定位误差、测量系统误差、测量环境误差。从研究结果可得出各误差源对天线副瓣所产生的误差数量级，其中部分误差源所产生的误差对天线测试影响不大。对于低副瓣天线系统测量来说，根据国外研究水平给出的18 项误差数据的量级可知影响比较大的是：探头与待测天线间的多次反射误差，接收机动态范围误差，探头定位误差和系统随机幅相误差。

2 测试误差源分析及工程定位方法

图1：天线近场测试原理

图2：幅度误差对副瓣影响仿真结果

图3：相位误差对副瓣影响仿真结果

下面从上述四类误差进行分析，讨论其产生的误差源，通过改变测量条件或环境定性分析，通过工程验证提出相应的解决方法。

2.1 多次反射误差

由于多次反射误差与探头天线、待测天线、微波暗室的电特性都有关，难以从理论上严格地进行建模分析补偿。

从工程应用角度，可将这三个相关要素进行隔离分析，即探头天线尺寸、探头和待测天线间的距离、暗室特性。为了减小探头与待测天线之间的多次反射，可减小探头天线尺寸、增加探头和天线间的距离、使用有效的吸波材料来遮挡扫描区域来消除误差。工程上，探头尺寸在测试时是固有不变的，待测天线的摆放位置随架设状态存在一定偏差，首先确保待测天线与探头的平面度要求，可尝试将探头向后移一段距离，降低探头与待测天线的耦合度，通过对比法进行多次测试，分析测试指标是否仍存在不稳或随机变动的现象。暗室环境中吸波材料的摆放和遮挡区域的变动也是其中的变量因素，在工程调试和测试中，应确保吸波材料完全遮挡扫描区域，同时在地面选择合适的距离铺设吸波材料降低反射误差。

图4：电缆回路幅相数据

图5：电缆幅相抖动对副瓣的影响

2.2 接收机动态范围引入的误差

接收机在它的动态工作范围内，会引起近场幅相测量的误差。当接收机在低电平工作时，由于测量的动态范围小会产生随机噪声误差，这种噪声电平对弱信号的干扰叠加使得误差在低电平状态下一般比较大，影响天线测量精度。

工程上采用矢量网络分析仪来采集探头接收的信号，测试时，一般采用高性能仪表作为接收设备，排除仪表性能下降或损坏的因素，不同型号仪表对测试性能影响微乎其微。另外，考虑到采集信号能量较弱的问题，可在探头和矢量网络分析仪之间插入一个同频段的低噪声放大器，观察能否改善测试的副瓣指标进而排查低电平影响。

2.3 探头定位误差

理想情况下，扫描面是完全平直的，而且沿直线运动时给定点的位置信息也是精确固定的，但实际工程中由于采样架导轨面的平面度误差、导轨直线误差以及扫描过程中系统的传动误差和控制误差的存在，可能导致探头定位不准，造成扫描面与预定的扫描面之间有误差。这等效于线阵的单元位置误差，这样会破坏傅里叶变换取样点间距分布的要求，从而导致形成的待测天线远场图存在误差，直接影响测试的副瓣电平精度。

由于测试系统中的伺服控制系统随着温度、湿度的改变可能会产生变化，工程上一般采用光学干涉仪精确测量坐标并进行定位修正，每隔一段周期对扫描架运行系统和控制系统进行维护，以保证其机械误差在指标范围内。实际应用中应确保伺服系统定位精确，位置采样准确，排除探头定位带来的测试问题。

2.4 系统随机幅相误差

在影响平面近场测量精度的各种因素中, 相位误差主要是由电缆摆动和接头旋转造成的[4]，电缆摆动带来的相位误差给天线的测量( 特别是超低副瓣和频率较高时) 造成很大的误差,这种误差主要是射频信号从探头经电缆传输到接收机（矢网）所引起，由于探头扫描采样过程中传输电缆运动、弯曲会带来附加的幅度和相位变化，从而产生系统幅相误差，造成测试精度降低，一般情况下，电缆运动对信号幅度影响不会太严重，但对相位影响比较显著。

有些工程应用中通过引入新的器件和元件来对相位进行补偿修正，如文献[5]中提到利用分频器和倍频器件在有摆动的电缆段降低频率来降低电缆摆动的影响实现减小相位误差的方法，文献[6]中利用定向耦合器来对相位误差进行修正，在实际应用中，由于新元件的引入也会引入新的误差，这些都要按照泄漏误差进行处理。

前面我们定性分析了前三种误差的工程解决措施，针对最后一种随机幅相误差，重点进行随机误差仿真、定量分析及实验验证。

3 随机幅相误差模拟仿真

幅相误差对副瓣电平有重要的影响，通过用MATLAB 语言编写计算程序，对某典型线阵的幅相随机误差对天线方向图和副瓣电平的影响进行仿真。

根据等距的线阵方向图函数：

式中，f1(θ)为单元方向图，Ai、pi分别为第i个单元的幅度、相位，d 为单元间距，θ 为辐射方向与线阵法线的夹角。采用FFT 方法计算线阵的波瓣，假定幅度误差和相位误差独立存在，分别进行模拟。程序中通过引入随机分布的幅相随机误差，改变随机误差的起伏度，对同一条线阵进行仿真，得出整个频带内的最大副瓣电平曲线。

（1）假定相位理想无误差，天线单元幅度加均匀随机误差（随机函数rand）（±0.1dB、±0.2dB、±0.3dB、±0.4dB、±0.5dB、±1dB），由于误差是随机的，因此每次仿真结果均有不同，如图2所示。

（2）假定幅度理想无误差，天线单元相位分别加随机误差（±1°、±2°、±3°、±4°、±5°、±8°） ，仿真结果如图3 所示。

每次仿真时，近场幅相随机误差的分布都是不同的，就多次仿真结果不难发现，天线幅度、相位误差越大，副瓣的总误差越大，且相位误差对副瓣的影响较大。在幅度误差超过±0.5dB、相位误差±5°的数量级以上时，副瓣电平产生1 ～2dB 及以上的浮动，这在实际测试时是不允许的。

4 实验数据分析

工程实验中选取系统随机幅相误差最主要的产生因素：传输电缆运动、弯曲会带来附加的幅度和相位变化。误差分析和诊断过程中可将输入和输出电缆进行对接，使测试系统通过电缆互联与矢网形成闭环回路。通过定位精确，位置采样准确的伺服控制系统控制电缆运动，判定电缆的幅相稳定性，对整个测试回路进行诊断分析。观察测试电缆实际运行完全程时的幅相数据，如图4 所示出某频点的测试数据。

由上图可看出，幅度变化1dB 左右，相位变化范围较大，达到16°以上。对于这样数量级的幅相抖动，我们通过计算机模拟可看出它对副瓣电平的影响，图5 是正常情况下测试时和分别引入±0.5dB 随机幅度值、±8°随机相位值时的最大副瓣电平分布图：

该仿真结果表明，电缆的相位抖动会严重影响副瓣电平指标，整个频带内最大副瓣电平由-32.2dB 变为-29.3dB，变化范围较大。经过多次仿真发现，每次副瓣电平的最大值都不同，而且对应的频点也不一样，这与模拟的结果也相吻合。

基于以上分析，电缆的幅相不稳定直接影响副瓣电平不稳定，尤其是相位抖动对副瓣影响更大。因此对于近场测试时电缆运动造成的相位大范围抖动是不允许的，为了减小电缆运动造成的系统随机幅相误差，工程上一般选取性能好、高品质的稳相电缆，结合合理的电缆走线，有效减小该误差对测试造成的影响。

暗室测试时，电缆不可避免地会会受弯曲、扭转、冲击、震动等机械应力的长期作用，电缆的结构稳定性和相位随着环境和时间推移会产生变化，由此，为了排查电缆抖动及性能影响，工程上可以将整个测试电缆回路对接，通过仪表测试观察回路的幅相变化范围得出实际测试时电缆相位抖动量级，从而进行指标影响的定量分析，这对于工程上各类天线的近场测试分析也通用。

5 总结

天线的高性能测试依赖于稳定可靠的测试系统和良好的测试环境，除了理论计算进行补偿修正之外，工程上对于主要的误差都有相应的解决办法，文中结合主要误差源的系统因素和随机因素，给出具体的解决措施，对于生产、调试具有一定的借鉴作用，为工程应用提供思路。