一种低成本平面近场/远场天线测量系统设计与研究

摘要：本文搭建并验证了一种低成本平面近场/远场（NF/FF）天线测量系统。并详细介绍了该系统的设计流程，该测量系统可以加速确定近场/远场辐射图。本论文首先综述了近场天线测量的基本理论。详细介绍了利用傅里叶变换进行NF/FF转换的方法。从近场测量中计算出的远场辐射模式与射频消声室中直接测量的远场辐射模式进行了比较。并在实际天线观测中得到了合理的测量结果。该系统的综合建设成本大约为5000人民币。综合考虑其合理准确的结果和建设开发成本，该测量系统是值得被推广的。

关键词：平面近场;傅里叶变换;远场辐射图;建设成本

1引言

天线远场辐射方向图的测量是复杂天线开发和制造中的一个重要课题。用于测量天线远场辐射方向图的技术可分为两大类：直接测量和间接测量[1]。天线辐射电磁场地分布随天线的距离逐渐变化。测量点与天线的距离大致分为两个主要区域：近场区域和远场区域。天线的直接远场辐射模式测量技术是在远场区域进行的。但是该技术无法确定高精度天线的性能。其测量结果受各种因素干扰，包括天气效应、天线重力畸变等等[2]。间接测量技术是依据远场或计算范围的质量可以由近场区域测量确定，然后这些测量值通过数学公式转换为等效的远场测量值。使用近场天线测量来确定远场辐射方向图已在天线测试中得到广泛应用，该技术可以以非常经济高效的方式精确测量天线辐射图。本论文的研究目标是建造和验证了一种低成本的近场/远场测量系统。

2近场/远场测量基本理论

2.1近场和远场的定义

与天线相关的辐射电磁场地分布随与天线的距离逐渐变化。作为与天线距离的函数，有三个区域需要重点关注：反应性近场、辐射性近场和远场。这些区域之间的过渡非常平缓。近场和远场限制有许多不同的定义。本论文中使用的定义为以下三点：

1.离天线最近的区域是倏逝或反映近场区域。电磁能量的倏逝分量随距离迅速衰减。倏逝区域包括非传播（反应）和传播能量，并从任何导电表面延伸六分之一波长的距离。

2.第二个区域是辐射近场或菲涅耳区域，它延伸到2D2/λ，其中λ为波长，D为天线的最大尺寸。虽然存在局部能量波动，但在距天线不同距离处的平均能量密度保持相对恒定。本文对AUT的辐射近场区域进行了近场测量。

3.距离天线最远的区域是远场区或夫琅和费区。相对角度分布在远场区不随距离变化。远场区天线的功率根据平方反比定律随距离衰减。远场区从2D2/λ延伸到无穷远。

2.2近场测量概念

天线远场方向图技术的测量分为两大类：直接测量和间接测量。在直接测量技术中，远场是被测量的量;而在被称为近场技术的间接测量技术中，远场只是由附近测量的近场构成的副产品。

天线向自由空间辐射一个线性系统，其单频时间依赖性为exp（-iwt）。延伸到无穷远的远场区域是电场和磁场的径向依赖性变化近似为exp（ikr）/r的空间区域。远场的内径可根据矢量势的一般自由空间积分进行估算，对于非超反射天线，通常设置为2D2/λ。从天线表面到远场的自由空间区域称为近场区域。它被分为两个分区，反射区和辐射区近场。反应近场区域通常被认为是从天线表面延伸到λ/2π附近。电场和磁场倾向于以相位传播，在到达远场之前不会表现exp（ikr）/r依赖关系。在反映近场和远场之间的这个传播区域称为辐射近场。

倏逝能量通过电容或电感耦合到近场探头，但不是通过自由空间传播。因此，E和H场不是正交的，也不受自由空间的阻抗的影响，倏逝能量随着距离的增加而迅速衰减，因为倏逝能量是非传播的，但通过电容或电感耦合。通常情况下，在距离导电表面数个波长的距离处，倏逝能量已完全衰减。近场通常在倏逝区域外产生，更高的采样密度以及单独的E和H场测量是必需的。

根據不同的扫描系统，近场测量通常在三个坐标系中的一个进行：平面、球面、圆柱。假设测试天线正在发射，近场可大致分解为反应区域在表面的λ/2π范围内，辐射区域在此范围外，最终合并成一个远场区域。在反应区域内，电场和磁场不同相，也不代表将出现在物体真实空间部分的信号。在辐射近场区域加上探头天线，并记录接收信号的振幅和。探头天线足够小，可以在宽角度上拾取能量，同时对测量场造成最小干扰。探头在平面、圆柱形或球形表面上以较小地步进移动半个波长，并存储数据。每个数据点是由探头方向图确定的天线区域的组合信号。在这种情况下，使用近场/远场转换技术。从探头扫描平面的孔径空间数据集E推导出远场方向图的角空间。高增益航天器天线一般采用平面扫描面，只需简单的探头校正，具有较好的零重力模拟性能。球形扫描用于低增益天线和天线馈电元件，因为能量从AUT视轴的大角度捕获。圆柱面通常用于电视广播天线和某些航天器测控全向天线。

3近场天线测量系统

3.1系统介绍

一个典型的近场测量系统可以方便地用三个子系统来描述：（1）计算机（2）射频源和接收器（3）机械扫描仪和探头定位器。本论文设计的近场测量系统主要由计算机、1.5 m×1.5 m平面扫描仪和Wiltron模型360矢量网络分析仪（VNA）组成。计算机和VNA共同组成射频消声室测量系统。包括相关控制部分的新型平面扫描仪总共成本不到5000元人民币。平面扫描仪上的探头由双电机控制器驱动，在水平和垂直方向上移动。在特定位置，探头将测量AUT辐射的近电场的大小和相位，该近电场与扫描平面保持一定距离，并显示在VNA上。多次测量后，VNA将这些数据量和相位传递给计算机存储器，以便进行进一步处理。

由于涉及大量数据，测量系统的计算机控制至关重要。近场天线测量系统中的计算机执行模具管理任务，控制探头的运动。从VNA收集数据。还管理VNA和计算机之间的通信。管理包是用Quickbasic嵌入式汇编语言编写的。

双端口Wiltron 360型VNA已经是射频暗室测量系统的一部分，用于近场天线测量系统中测量AUT的辐射模式。它由前面板、屏幕、发电机和电源组成，频率范围为40MHz-40GHz，频率分辨率为100KHz。在开始测量之前，需要进行VNA校准。对于近场天线测量，首选全周期校准，包括反射和频率响应校准。

3.2矩形平面扫描仪

机械扫描仪（或探头定位器）由支架、导轨和驱动电机组成，用于将测量探头从平面内给定的x-y坐标移动到某一点，直到读取读数。扫描平面的跨度在垂直和水平方向上均可达到1.5米，扫描器的机械结构包括一个水平轴和一个垂直轴，每个轴都有自己的驱动机构，这样任何一个轴都可以独立于另一个轴进行驱动。电气设计包括与PC的电子接口。一对由计算机驱动的步进电机将测试探针定位在最大平面尺寸为1.5m×1.5m的网格中的预定点。该设计使平面扫描仪能够安装在测试消声室内，消声室体积为4m×2.5m×2.5m。计算机能够在确定的时间间隔停止探头，并允许从VNA进行测量。根据设计，随着电机的增加，移动的步数用于计算垂直或水平线性位移。

3.3系统通信

为了记录探头拾取的近场天线测量数据，在双步进电机控制器、计算机和VNA之间建立通信。不同方案使用不同的通信组件。运行控制程序。探头将由双步进电机控制器驱动，并沿垂直或水平方向移动。在探头返回预定位置后，ST-143向VNA发送触发信号。记录位置上的幅值和相位。记录一条线后，电机将以一个步长驱动另一个方向上的探头垂直支架，同时VNA将数据（包括振幅和相位）传递到计算机。计算机将沿一条线将数据存储到一个文件中，文件名由用户提供。此过程将重新进行，直到完成一个正方形平面采样。近场测量完成后，将获得多个数据文件。

计算机和VNA之间的通信是通过通用接口总线进行的（GPB），一种IEEE 488接口，其高数据传输速率高达1兆字节/秒。这项工作是由汇编语言编写的程序完成的。高数据传输速率满足实时控制需求。有三种可用的VNA图表模式：a）极坐标格式;b）对数幅度和相位;c）极坐标和矩形坐标。在平面近场测量中，我们使用对数幅度和相位。在测量过程中，不允许VNA从前面板输入数据，直到首先操作“清除”。完成近场测量后，VNA将返回本地控制。用户才能在VNA的前面板上输入数据和操作。

计算机通过a总线AR-133控制步进电机控制器ST-143的工作。在系统中，A总线适配器AR-133插入计算机，并与A总线卡ST-143相连。计算机通过软件程序控制步进电机控制器的运动。驱动探头并向VNA发送触发信号的程序用Quickbasic语言编写，并存储在计算机中。

3.4系统操作方法

在近场天线测量系统中，计算机控制探头的运动、VNA和系统中的通信。由于它执行实时控制，因此程序的编写方式使功能在单独的时间序列中执行。首选Quickbasic汇编语言，因为该汇编语言简单、可在大多数情况下运行且可用技术机。程序已被创建为可执行文件。用户只需输入N-F名称即可运行程序。在运行程序之前，探头被放置在扫描平面的中心。并且面对AUT。探头的位置可由名称为move.bas的程序控制，其可执行文件为move。在运行操作程序之前，操作员应检查数据文件“di_x”和“di_y”，这两个文件都是方向文件，并根据扫描仪的状况指示探头是否向左/向右和向上/向下移动。

4近场到远场的转换

4.1从近场测量得到的源分布来确定远场

由于天线是将传输导波转换为空间中辐射波的装置，反之亦然。天线的场强分布是距离天线和角坐标的函数，因此本章的目的是确定天线辐射方向图，并给出适当的远场辐射模式变换方法。给定体积内的完整电场E和磁场H可以用体积内源的电流密度和体积边界上的场本身的值来表示。如果需要分析的体积被定义为不包含源，并且被无穷远处的封闭曲面S和球面所限制，则体积内点P处的e场和H场为：

其中n表示垂直于曲面的单位向量，函数ψ表示曲面的标量部分。当需要确定天线表面上的电流或电荷分布而不是孔径中的场分布时，假设闭合表面S为完全导电和边界条件，

其中，其中K是表面电流密度，ρ是表面电荷密度。此外，还可以利用与电流密度和电荷密度相关的连续性方程。E和H场的方程可以仅用电流密度或电荷密度表示。根據理想导电表面S上的表面电流密度，需要分析的体积中P点处的电场和磁场可以表示为：

在其基本公式中，从源分布中划分场模式的方法包括对孔径分布应用（公式1）或对电流分布应用（公式3）。在第一种情况下。进行了近场测量，以确定天线周围表面的E和H场分布。除了非常简单的几何图形，公式1和公式3如果没有近似值是很难应用的。这些近似通常与进行积分的表面上的场或电流的性质有关。计算表面积分所必需的近似通常分为以下几个方面：（l） 假设电场或电流对地表某部分的影响可以忽略不计;（2） 假设所有辐射都向外归一化到表面;（3） 假设电场和磁场像平面波那样线性相关;（4） 假设小角度近似，从而限制用于定位场点的角度区域。这种近似应与正常的远场近似区分开来，后者简化了计算，但在距离源足够远的距离处产生有效结果，以满足远场条件。

5结论

设计了一种低成本的近场/远场天线测量系统。采用直接远场天线测量系统进行验证。在近场的平面扫描平面上进行一维和二维的近场测量，在远场辐射图的绘制中采用FFT算法。近场/远场测量的数据与暗室测量系统中直接远场测量的数据之间存在合理的一致性。在测量水平辐射图时，首选一维近场天线测量。一维近场天线测量不需要探头校正，使近场/远场测量速度和数据处理速度比二维近场测量快。近场/远场测量获得的数据和直接在舱内测量的数据验证了这两种技术。

参考文献

[1]曹顺锋，稂华清.基于等效磁流源方法的相控阵天线近场到近/远场变换[J].电子质量，2019（03）：72-74.

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[3]刘灵鸽，赵兵.平面近场测试距离及截断对测试结果的影响分析[J].微波学报，2016，32（S2）：436-440.

[4]王丹，高洪青.相控阵天线远场方向图自动测试系统研究[J].电子质量，2021（06）：134-138.

作者简介：马玉丰，男，辽宁省抚顺市，19860506，工程硕士，工程师，，西安空间无线电技术研究所（航天504所），天线电性能测试与天线测试技术与系统集成建设研究。