天線工程一問(wèn)世，天線測(cè)量就是人們一直關(guān)注的重要課題之一，方法的精確與否直接關(guān)系到與之配套系統(tǒng)的實(shí)用與否。隨著通訊設(shè)備不斷更新，對(duì)天線的要求愈來(lái)愈高，常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量天線的方法由于實(shí)施中存在著許多困難，有時(shí)甚至無(wú)能為力，于是人們就渴望通過(guò)測(cè)量天線的源場(chǎng)而計(jì)算出其輻射場(chǎng)的方法。然而由于探頭不夠理想和計(jì)算公式的過(guò)多近似，致使這種方法未能賦于實(shí)用。為了減小探頭與被測(cè)天線間的相互影響，Barrett等人在50年代采用了離開天線口面幾個(gè)波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量其波前的幅相特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人大為振奮，由此掀開了近場(chǎng)測(cè)量研究的序幕，這一技術(shù)的出現(xiàn)，解決了天線工程急待解決而未能解決的許多問(wèn)題，從而使天線測(cè)量手段以新的面目出現(xiàn)在世人的面前。

四十多年過(guò)去了，近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)已由理論研究進(jìn)入了應(yīng)用研究階段，并由頻域延拓到了時(shí)域，它不僅能夠測(cè)量天線的輻射特性，而且能夠診斷天線口徑分布，為設(shè)計(jì)提供可靠、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)依據(jù)；與此同時(shí)，人們利用它進(jìn)行了目標(biāo)散射特性的研究，即隱身技術(shù)和反隱身技術(shù)的研究，從而使該技術(shù)的研究有了新的研究手段，進(jìn)而使此項(xiàng)研究進(jìn)入了用近場(chǎng)測(cè)量的方法對(duì)目標(biāo)成像技術(shù)的探索階段。

二、近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)發(fā)展的過(guò)程

近場(chǎng)測(cè)量的技術(shù)研究從五十年代發(fā)展至今，其研究方向大致經(jīng)歷四個(gè)階段，如表1所示。

表1 近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)所經(jīng)歷的時(shí)間

1、理論研究

在Barrett等人的實(shí)驗(yàn)之后，Richnlond等人用空氣和介質(zhì)填充的開口波導(dǎo)分別測(cè)量了微波天線的近場(chǎng)，并把由近場(chǎng)測(cè)量所計(jì)算得到的方向圖與直接遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)得的結(jié)果相比較，其方向圖在主瓣和第一副瓣吻合較好，遠(yuǎn)副瓣和遠(yuǎn)場(chǎng)法相差較大。于是人們就分析其原因，最終歸結(jié)為探頭是非理想起點(diǎn)源所致，因此，出現(xiàn)了各種方法的探頭修正理論。直到1963年Karns等人提出了平面波分析理論才從理論上嚴(yán)格地解決了非點(diǎn)源探頭修正的問(wèn)題。與此同時(shí)，Paris和Leach等人用羅侖茲互易定理也推出了含有探頭修正的平面波與柱面波展開表達(dá)式^[1，2]。Joy等人也給出了含有探頭修正下的球面波展開式及其應(yīng)用^[3]。至此，頻域近場(chǎng)測(cè)量模式展開理論已完全成熟，因此研究者的目光投向了應(yīng)用領(lǐng)域。在隨后的十年里，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)證明此方法的準(zhǔn)確性^[4]，其中取樣間隔、探頭型式的選擇以及誤差分析是研究者們關(guān)心的熱門問(wèn)題。

2、取樣間隔及取樣間距

由于模式展開理論是建立在付里葉變換的基礎(chǔ)上，根據(jù)付里葉變換中抽樣定理^[5]，對(duì)帶寬有限的函數(shù)。用求和代替積分，用增量代替積分元不引人計(jì)算誤差，而平面、柱面、球面的模式展開式對(duì)輻射場(chǎng)而言都是帶寬有限的函數(shù)，忽略探頭與被測(cè)天線間的電抗耦合(取樣間距選取的準(zhǔn)則)，取樣間隔與取樣間距按表2所示的準(zhǔn)則進(jìn)行選取(參看圖1坐標(biāo)系)。

表中：λ?—工作波長(zhǎng)；d—探頭距被測(cè)天線口徑面的距離；α—完全包圍教測(cè)天線最小柱面或球面的半徑；α’—極平面取樣的最大圓半徑．

如果d變小，則取樣間隔可按下式計(jì)算[6]

(1)

若d≤λ/2，則取樣間距應(yīng)取為小于λ/4，這時(shí)可用有限頻譜法[7]修正感應(yīng)場(chǎng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

取樣面尺寸與被測(cè)天線的口徑面大小有關(guān)。對(duì)于一維平面掃描的情況，取樣面的尺寸Lx與口徑面尺寸D有如下關(guān)系，參看圖2。

(2)

只要d選定，θ可由測(cè)量精度求得^[5]，則Lx是確定的。通常工程上要求和幅度方向圖副瓣電平測(cè)量誤差≤0.5dB，在此條件下，取樣面的尺寸可按下式選取(d≥λ)

圖1 表2所用的坐標(biāo)系

圖2一維平面掃描取樣面與被測(cè)天線口面尺寸的幾何關(guān)系

L_x=2X|_E=-40dB (3)

式中，X|_E=-40dB為低于取樣面中心場(chǎng)強(qiáng)40dB處的位置坐標(biāo)，其它情況依次類推。

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天線方向圖的測(cè)量 　圖1是測(cè)量通過(guò)天線相位中心各平面內(nèi)的方向圖的方案之一。圖中天線1為被測(cè)天線，與信號(hào)發(fā)生器相連用作發(fā)射,它裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上能作360°轉(zhuǎn)動(dòng);天線2為輔助天線，它與電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)相連以便測(cè)得離被測(cè)天線一定距離處的場(chǎng)強(qiáng)。兩天線的極化特性要求相同，為了近似滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，兩天線間的距離應(yīng)滿足

,式中λ為測(cè)試工作波長(zhǎng);r和D的意義見圖1。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)天線1時(shí)，可在天線2處測(cè)得以轉(zhuǎn)動(dòng)角θ表示的函數(shù)的電場(chǎng)強(qiáng)度E(θ)，于是就可畫出轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)的天線 1的方向圖。若被測(cè)天線為半波天線，它的子午面內(nèi)的方向圖如圖2a，當(dāng)把天線轉(zhuǎn)動(dòng)90°使之垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)平面時(shí),可測(cè)得赤道面內(nèi)的方向圖(圖2b)。若把天線任意傾斜安裝，則可測(cè)得任意面內(nèi)的方向圖。此外，也可固定被測(cè)天線1，而把輔助天線2沿以被測(cè)天線為中心,距離r為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，同樣可以測(cè)得天線的方向圖。若把收發(fā)條件互換，即把被測(cè)天線用作接收，輔助天線用作發(fā)射，最終測(cè)得的天線方向圖并無(wú)變化，這是符合天線互易定理的。

天線輸入阻抗的電橋法測(cè)量如圖3。圖中的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率的電壓，把它加到電橋的一個(gè)對(duì)角線上，在另一對(duì)角線上接高頻微伏電壓表作平衡指示器。電橋由四個(gè)阻抗構(gòu)成，其中Z1和Z2為固定阻抗，Z3為可變阻抗,Zx為被測(cè)天線的輸入阻抗，即把天線的輸入端作為電橋的一個(gè)臂。調(diào)節(jié)可變阻抗使平衡指示器的讀數(shù)為零，表示電橋已達(dá)到平衡，根據(jù)電橋平衡條件就可計(jì)算出

式中ZC為測(cè)量線的特性阻抗;K為行波系統(tǒng)，，λ為工作波長(zhǎng);z0為第一個(gè)電壓波節(jié)至被測(cè)阻抗連接點(diǎn)的距離。

天線增益系數(shù)的測(cè)量 　天線增益系數(shù)的測(cè)量常用絕對(duì)法和比較法。可按圖5用絕對(duì)法測(cè)天線的增益系數(shù)。首先用功率計(jì)和場(chǎng)強(qiáng)計(jì)分別測(cè)出待測(cè)天線的輸入功率和足夠遠(yuǎn)距離 r處的電場(chǎng)強(qiáng)度，然后用下式求得該天線的增益系數(shù)：

式中E為距離r處最大輻射方向的電場(chǎng)強(qiáng)度;P為輸入功率。

可按圖6用比較法測(cè)天線的增益系數(shù)。信號(hào)發(fā)生器的輸出經(jīng)匹配器先接到被測(cè)天線，此時(shí)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)在距離r處測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度為E1;然后用已知增益為G′倍的標(biāo)準(zhǔn)天線替換被測(cè)天線，并重新調(diào)整匹配，由場(chǎng)強(qiáng)計(jì)測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度為E2。再用下式即可算出被測(cè)天線的增益系數(shù)G：

在自由空間條件下，制作線度因子為Kd的模型天線(即模型天線的尺寸等于實(shí)際天線的尺寸除以Kd)，在測(cè)量時(shí)應(yīng)滿足下列條件：工作頻率f2=Kd·f1,模型天線的電導(dǎo)率σ2=Kd·σ1,此處f1和σ1表示實(shí)際天線的工作頻率和電導(dǎo)率。

在實(shí)際天線的模擬測(cè)量中，往往只能滿足上述第一個(gè)條件，而滿足不了第二個(gè)條件，但這對(duì)于大多數(shù)高效率的天線，不會(huì)引入太大的誤差。

近場(chǎng)測(cè)量 　對(duì)于射電天文、雷達(dá)設(shè)備等應(yīng)用的大口徑天線，測(cè)量時(shí)很難滿足所需的最小距離。如天線口徑 100米，工作波長(zhǎng)10厘米，測(cè)試距離

，這樣大的測(cè)試場(chǎng)地事實(shí)上是無(wú)法辦到的。還由于地球表面曲率的影響,為使電磁波不為球形地球表面所遮擋,收發(fā)天線的高度也將達(dá)到不現(xiàn)實(shí)的程度。對(duì)這樣的大天線，其參量的測(cè)量通常有兩種方法，即利用射電星的測(cè)量技術(shù)和近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。

射電星測(cè)量技術(shù)就是利用輻射穩(wěn)定的射電星作為發(fā)射源，被測(cè)天線用于接收。這樣就可保證收發(fā)間距離遠(yuǎn)大于最小測(cè)試距離。

近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是在天線附近(距天線表面僅幾個(gè)焦距的距離范圍內(nèi))測(cè)量遠(yuǎn)區(qū)的天線參量。近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)包括縮距法、聚焦法和外推解析法。

①　縮距法：利用特定的信號(hào)發(fā)射天線，使收發(fā)天線之間的距離減少后，仍能保證發(fā)射天線在接收天線口徑處產(chǎn)生如同遠(yuǎn)距離時(shí)一樣的平面波。一般的發(fā)射天線在其附近產(chǎn)生的是球面波。為把球面波校正為平面波，可用附加的透鏡或拋物面反射器等。

②　聚焦法：調(diào)整被測(cè)天線，使如拋物面反射器天線、透鏡天線、相控陣天線等有聚焦特性的天線，原來(lái)對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處的聚焦改變?yōu)榫劢褂诮鼒?chǎng)區(qū)(幾個(gè)焦距或幾十個(gè)波長(zhǎng)的距離內(nèi))，然后在焦區(qū)測(cè)取其方向圖。使天線聚焦于近場(chǎng)區(qū)的方法是：對(duì)拋物面反射器天線可把饋源從焦點(diǎn)沿軸外移一小段距離;對(duì)透鏡天線可把饋源安裝在一個(gè)焦距到兩個(gè)焦距的范圍內(nèi);對(duì)相控陣天線則可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整其移相器而達(dá)到。

③　外推解析法：先測(cè)得天線口徑上的場(chǎng)分布或天線導(dǎo)體表面上的電流分布，然后用解析的方法算出遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)分布，即天線的遠(yuǎn)區(qū)方向圖。

微波暗室 　在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行天線參量的測(cè)量時(shí)，周圍環(huán)境使電磁波產(chǎn)生反射、散射和繞射等現(xiàn)象，這些反射、散射和繞射場(chǎng)對(duì)測(cè)量場(chǎng)的“干擾”導(dǎo)致測(cè)量精度的下降，這對(duì)方向圖的零值深度和副瓣等微弱場(chǎng)的測(cè)量，影響尤為嚴(yán)重。建立微波暗室可以解決這個(gè)問(wèn)題。微波暗室就是周圍安裝微波吸收材料的實(shí)驗(yàn)室。暗室不但用于天線測(cè)量，還可用于目標(biāo)散射場(chǎng)和繞射場(chǎng)等弱場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量。使用暗室除能減弱干擾場(chǎng)因而提高測(cè)量精度外，還能保證有一個(gè)保密的、全天候的測(cè)量環(huán)境。從1953年建立第一個(gè)微波暗室以來(lái)，暗室的技術(shù)指標(biāo)已有很大的改進(jìn)。

起初，暗室采用平板型吸收材料，這種材料的吸收頻帶較窄。現(xiàn)代寬帶微波暗室大多使用錐形或楔形吸收材料。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的微波暗室，在測(cè)量區(qū)內(nèi)的干擾場(chǎng)可以做到-40分貝以下。

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