1 导言
天线特性参数的丈量有多种办法，现在，首要的办法包括三大类：天线的远场丈量、天线的紧缩场丈量、天线的近场丈量。其间，因天线特性首要是界说在天线的远场区故远场丈量更为直接准确，而紧缩场丈量天线首要是拉近远场所需远场条件：d≥2D2/λ，其一般选用一个抛物面金属反射板，将馈源发送的球面波经反射面反射构成平面波，在必定远距离处构成一个杰出的静区。将天线安顿在静区内，丈量天线的远场特性，其类似于远场丈量，仅仅缩短丈量距离，便于在抱负远场环境(暗室)下进行丈量。
比较而言，天线近场丈量技能使用更为广泛，其对设备要求低，不需求造价贵重的暗室环境，也不需求远场丈量下，对射频体系的较高的要求。
传统的远场丈量因为受地上反射波的影响，难以达到这么高的丈量精度。别的，远场丈量还受周围电磁搅扰、气候条件、有限测验距离、环境污染和物体的凌乱反射等要素的影响，现已越来越难以习惯现代卫星天线的丈量要求。新一代的天线丈量技能是以近场丈量和紧缩场丈量为代表的。近场丈量技能使用探头在天线口面上做扫描运动，丈量口面上的起伏和相位，然后把近场数据转化成远场。因为近场丈量只需丈量天线口面上的场，就可防止远场丈量的许多缺陷，而成为独立的一门丈量技能。
近场丈量技能首要是指频谱近场丈量技能，经过研讨被测信号的频谱结构进行频谱剖析，然后得到近场天线的各项参数。与远场丈量不同的是，其经过搜集天线近场区域辐射场的数据，经近场——远场改换，由核算机得到天线的远场特性。只需确保必定的起伏和相位丈量精度，即可较为准确的得到远场特性。
频域近场丈量中，信号源发射接连信号，适用于频域平面波谱剖析，在时域近场丈量技能中，信号源发射的是脉冲信号，用时域平面波谱剖析比较适宜。
1994来，美国的Rome试验室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Yanghjian提出了时域平面近场测验办法，并推导出时域内的格林函数表达式平和面波普表达式，一起剖析了探头差错剖析与批改公式。国内在此范畴研讨比较少，北京理工大学搭建了国内第一个时域近场测验体系[1]。
天线的丈量阅历了一个从远场丈量到近场丈量的开展过程。远场丈量是直接在天线的近场区对天线的电磁场进行丈量，所以丈量场所和周围规模电磁环境对丈量精度影响比较大，对某些天线来说，要求丈量距离要远大于2D2，其间D为被测天线的口径尺度，λ为作业波长，而且对丈量场所的反射电平、多路径和电磁环境搅扰的按捺都提出了很高的要求，这些要求在远场条件下往往很难满意。跟着丈量设备和核算手法的不断进步，天线的电气特功能够在微波暗室内经过近场丈量更便利、更准确的测得。
近场丈量是在天线近区规模内，求得天线的远场特性。因为其不受远场测验中的距离效应和外界环境的影响，故具有测验精度高、安全保密、能够全天候作业等一系列长处，而且能很好的模仿和操控各种电磁环境，并经过适宜的软件有用的补偿各种丈量差错，其丈量精度乃至优于远场丈量，然后得到越来越多的使用，一向是人们研讨的要点课题，也是当时高功能天线丈量的首要办法之一。
天线近场丈量阅历的阶段：
时刻 研讨内容
1950~1961年 无探头批改探究阶段
1961~1965年 探头批改理论研讨阶段
1965~1975年 试验验证探头批改理论阶段
1975~至今 推行使用阶段
早在20世纪50年代，国外现已开端了天线近场丈量的研讨。国内的近场丈量的理论研讨及试验探究开端于20世纪80年代，西安电子科技大学在1987年成功研发了我国第一套天线近场丈量体系[3]。矢量网络剖析仪作为天线近场丈量体系的中心设备以及射频和微波产品功能的首要测验仪器，多年来在精度、速度、动态规模和操作界面等方面都有较大的改善，对天线近场丈量体系的功能优化起了很大的推进作用。
1 天线近场扫描法丈量体系
近场丈量办法包括：场源散布法、近场扫描法、缩距法、聚集法和外推法等，这些办法各有其优缺陷及习惯规模。本文首要评论近场扫描法来丈量天线各项特性。
近场扫描法是用一个特性已知的探头，在脱离待测天线几个波长的某一外表进行扫描，丈量天线在该外表离散点上的起伏和相位散布，然后使用严厉的形式打开理论，确认天线的远场特性。丈量面能够是平面、柱面或球面，相应的近场扫描法称为平面、柱面或球面近场丈量。从上世纪80 年代初，咱们开端了对近场丈量技能的研讨，于1987年研发出了我国第一套近场丈量体系。尔后一向从事天线近场丈量技能方面的研讨及推行。
任何近场丈量办法，都需在指定的曲面上规矩地搜集起伏和相位数据。给定曲面几许形状，数据和参阅天线(探头)的特性，经过丈量天线的近场特性，经近场-远场改换，由核算机处理、确认待测天线的远场特性。
最常用的扫描技能包括：平面近场(PNF)，柱面近场(CNF)和球面近场(SNF)。每一种都需将平动与滚动组合完结在抱负曲面上的扫描。
近场扫描法丈量体系首要由射频子体系，扫描子体系，数据搜集处理体系等组成。最简略的射频子体系包括能够向AUT供给射频功率的某种类型的信号源以及能够检测探头接纳信号的接纳机。在数据搜集体系中，起伏和相位数据在丈量外表的已知方位(如文中的网格点处)搜集，经过扫描探头对特定方位处场值的记载，核算机存储生成所测得的数据，再由核算机经过傅里叶改换完结近场远场数据转化，然后得到天线的远场特性，再可由matlab软件绘出相应远场的幅值和相位随方位的改变的波形图。整个体系的转台及定位均有数据搜集与操控体系(DCCS)监督并操控，因而，需由电脑全自动操控，这样既确保转台转角的精度，各布景的稳定，以尽或许减小外界额定环境的搅扰，进步丈量准确度。此外，因为对天线近场的丈量点十分多以及每次参量的改变对布景的从头丈量，得到的数据量极大，核算机发送接纳这些数据
2 天线近场丈量机械扫描子体系
任何近场丈量理论中，起伏和相位数据是在某些特殊面上按规则的办法获取。给定面的几许形状，数据和参阅天线(探头)的特性，优先选用一种高效的改换来确认待测天线的远场特性。最常用的扫描技能有平面近场(PNF)，圆柱面近场(CNF)和球面近场(SNF)。每一种都需求将平移与滚动相结合完结抱负面上的扫描。
3.1 PNF近场扫描
PNF扫描要求较小的暗室环境，校准技能和恰当简略的数理剖析。该技能最适合于像碟状或相位阵列这样的高度定向天线，这类天线简直一切的接纳和发射的能量都会经过平面扫描区域。
矩形扫描是一种常用的PNF技能，如图1所示，扫描的数据是在网格上特定的x，y点处搜集得到。探头放置在沿y轴的直线滑轨上。y轴滑轨安放在沿x轴向的第二个滑轨上。
图1 PNF近场扫描
平面近场扫描仪由一对正交设备的导轨组成，其间竖直设备的导轨在水平设备导轨上面，探头设备于竖直导轨上扫描整个平面。扫描平面一般与待测天线的口面平行。扫描架需调整至x轴和y轴笔直。
采样是丈量数据中两相邻数据所需的最短周期。在x和y方向小于λ/2的步进距离一般都能满意采样原则。
当然，理论上假定无限大的扫描平面在实践使用傍边很显然极不实践。为了确认扫描区域是否足够大，一般是将某扫描区域边际之外的数据设置为零，并调查核算出的远场改变多大。当远场改变比较显着时，阐明扫描区域内测得的数据量过少，应恰当的添加扫描点数，然后确保经改变得到的远场近似于待测天线的远场。减小由鸿沟切断带来的丈量差错。
PNF还需考虑各种校对处理，如：电缆颤动、探头方位、阻抗失配、热漂移校准等。这些校对理论的开展很大程度上进步了近场扫描的丈量精度，促进了近场扫描在实践中的使用。
3.2 CNF近场扫描
典型的柱面近场扫描设备是将待测天线设备于转台之上，扫描探头沿平行于转台转轴的直线方向上移动。经过合理地装备这些运动，准确的定位需求丈量的网格点方位，确保探头能够在柱面特定的网格点处获取近场振幅和相位数据。相同经过核算机对数据经近场远场改换处理，来得到天线的远场特性。同平面扫描比较，柱面扫描对转台操控更为杂乱，即对机械体系提出了更高的要求。因为其是对待测天线周围柱面空间的场进行丈量，那么，关于波束俯仰角较小而方位角规模较广的天线，这种丈量的成果相关于平面扫描信息量更大，差错更小，对天线特性的反映更为准确。
图2 CNF近场扫描
柱面丈量体系中，待测天线坐落方位转台之上，其口径面边际笔直于地上，探头沿垂线方向上进行扫描，坐落方位转台之上的待测天线沿圆周运动。滚动待测天线，笔直方向上扫描一次，一周之后，可完结整个柱面的扫描，该体系的示意图如图2所示[4]。二者的组合运动在柱面上构成了Z，互相相关的采样格点。
测验中，需调整扫描轴是其互相对准并确保铅垂到位。探头运动的直线扫描需调整到平行于方位转台的转轴，并笔直于大地。方位转台必需确保在指定的扫描规模内能稳定地圆周运动，而且转轴平行于探头扫描线迹。
相同，柱面扫描的采样也做如下规则：依据奈圭斯特原则，相邻数据的采样距离不该大于最高频率所对应波长的一半λ/2，以确保重要的频谱重量都被包括其间。每行的距离可参照平面扫描，扫描的行数也可经过调查行数改变对远场的改变的影响程度做恰当调整，也可经过核算机对天线辐射特性的数值核算仿真优化丈量规模。
3.3 SNF近场扫描
天线丈量技能的理论基础是传输方程，其是表征一个天线在另一个天线发射状态下的接纳信号。第一个天线的接纳特性和第二个天线的发射特性都表达于传输方程之中。
在SNF扫描中，数据从环绕待测天线的球面上搜集得到。这种办法可用于丈量任何天线，特别是关于全向或近似全向的天线特别有用，这类天线不适合选用平面和圆柱面理论进行丈量。
球面近场扫描中，导轨滚动的精度及操控对丈量成果的影响相关于其他两种办法，其要求较高，完结的难度更大，但球面丈量是对天线周围空间的完好丈量，其最能完好的表现天线的辐射特性，理论上的差错最小，丈量的精度最高，也是未来近场丈量开展首要的趋势。
在丈量球面(A，θ，)的恣意点上，探头必需指向球心并对两个正交极化进行采样。理论上，两个天线谁相对谁运动并不重要。或许待测天线固定、一切旋转由探头完结，或许待测天线两轴旋转、x探头绕轴旋转，或许测天线一轴旋转、探头绕两轴旋转。
球面设备的一个比如是由一个弧形臂和转台的一起组成，该拱形臂使得探头可在一个圆弧上运动，转台可使天线绕方位角轴旋转。圆弧平面或许笔直，方位角轴坐落平面内且笔直此平面。
4 定论
PNF办法对高度定向天线作用最好。其可用于定向天线的增益丈量，但其对掩盖的方向图区域的约束对直接丈量会带来困难。
CNF办法对丈量扇形束型天线最有用，如手机的基站天线，其辐射方向图大部分约束在小规模的高度上。
在SNF办法中，丈量面的切断对错必要的，因而，其用于准确的确认任何类型的天线远处的旁瓣。因为可掩盖广泛的视点规模，其专门用于丈量近各向同性天线，如移动电话、手机的天线，以及丈量天线的定向性。
总的来说，平面近场技能是丈量超低副瓣天线等一系列高功能天线最为抱负的测验手法。面近场丈量所发生的差错进行剖析，提出相应的补偿办法。因而，平面近场丈量差错剖析与补偿技能是平面近场技能丈量超低副瓣天线能否完结的关键技能，其研讨具有十分重要的实用价值[5]。对平面近场丈量而言，其首要差错源有18项，这些差错源大致分为四类，即探头差错、测验外表差错、环境差错以及核算差错。这些差错源所发生的差错对大多数惯例天线丈量的影响简直能够疏忽不记，但对超低副瓣天线等一系列高功能天线的丈量，这些差错源所发生的差错简直每项都必须予以补偿或批改。这些补偿与批改也不断促进着近场扫描法的推行及使用。
因为近场扫描法中近场——远场改换理论中，需求近场的起伏和相位信息，而场的相位信息是难以丈量，最近国内外提出近场无相丈量技能，经过只丈量近场扫描面的起伏散布，可直接获取场的相位信息，从而完结天线的远场特性的丈量。
跟着科技不断进步，天线近场丈量将逐渐成为天线丈量最实效、快捷、精准的丈量技能。
