天線工程一問世，天線測量就是人們一直關(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)的實用與否。隨著通訊設(shè)備不斷更新，對天線的要求愈來愈高，常規(guī)遠(yuǎn)場測量天線的方法由于實施中存在著許多困難，有時甚至無能為力，于是人們就渴望通過測量天線的源場而計算出其輻射場的方法。然而由于探頭不夠理想和計算公式的過多近似，致使這種方法未能賦于實用。為了減小探頭與被測天線間的相互影響，Barrett等人在50年代采用了離開天線口面幾個波長來測量其波前的幅相特性，實驗結(jié)果令人大為振奮，由此掀開了近場測量研究的序幕，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題，從而使天線測量手段以新的面目出現(xiàn)在世人的面前。

四十多年過去了，近場測量技術(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域，它不僅能夠測量天線的輻射特性，而且能夠診斷天線口徑分布，為設(shè)計提供可靠、準(zhǔn)確設(shè)計依據(jù)；與此同時，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)而使此項研究進(jìn)入了用近場測量的方法對目標(biāo)成像技術(shù)的探索階段。

二、近場測量技術(shù)發(fā)展的過程

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

表1 近場測量技術(shù)所經(jīng)歷的時間

1、理論研究

在Barrett等人的實驗之后，Richnlond等人用空氣和介質(zhì)填充的開口波導(dǎo)分別測量了微波天線的近場，并把由近場測量所計算得到的方向圖與直接遠(yuǎn)場法測得的結(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)格地解決了非點源探頭修正的問題。與此同時，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，頻域近場測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，美國標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)等研究機構(gòu)進(jìn)行大量的實驗證明此方法的準(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算誤差，而平面、柱面、球面的模式展開式對輻射場而言都是帶寬有限的函數(shù)，忽略探頭與被測天線間的電抗耦合(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；d—探頭距被測天線口徑面的距離；α—完全包圍教測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算[6]

(1)

若d≤λ/2，則取樣間距應(yīng)取為小于λ/4，這時可用有限頻譜法[7]修正感應(yīng)場對測量數(shù)據(jù)的影響。

取樣面尺寸與被測天線的口徑面大小有關(guān)。對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強40dB處的位置坐標(biāo)，其它情況依次類推。

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天線方向圖的測量 　圖1是測量通過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為被測天線，與信號發(fā)生器相連用作發(fā)射,它裝在旋轉(zhuǎn)平臺上能作360°轉(zhuǎn)動;天線2為輔助天線，它與電場強度計相連以便測得離被測天線一定距離處的場強。兩天線的極化特性要求相同，為了近似滿足遠(yuǎn)場條件，兩天線間的距離應(yīng)滿足

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

天線輸入阻抗的電橋法測量如圖3。圖中的信號發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率的電壓，把它加到電橋的一個對角線上，在另一對角線上接高頻微伏電壓表作平衡指示器。電橋由四個阻抗構(gòu)成，其中Z1和Z2為固定阻抗，Z3為可變阻抗,Zx為被測天線的輸入阻抗，即把天線的輸入端作為電橋的一個臂。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算出

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

天線增益系數(shù)的測量 　天線增益系數(shù)的測量常用絕對法和比較法。可按圖5用絕對法測天線的增益系數(shù)。首先用功率計和場強計分別測出待測天線的輸入功率和足夠遠(yuǎn)距離 r處的電場強度，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強度;P為輸入功率。

可按圖6用比較法測天線的增益系數(shù)。信號發(fā)生器的輸出經(jīng)匹配器先接到被測天線，此時場強計在距離r處測得電場強度為E1;然后用已知增益為G′倍的標(biāo)準(zhǔn)天線替換被測天線，并重新調(diào)整匹配，由場強計測得電場強度為E2。再用下式即可算出被測天線的增益系數(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際天線的尺寸除以Kd)，在測量時應(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表示實際天線的工作頻率和電導(dǎo)率。

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

近場測量 　對于射電天文、雷達(dá)設(shè)備等應(yīng)用的大口徑天線，測量時很難滿足所需的最小距離。如天線口徑 100米，工作波長10厘米，測試距離

，這樣大的測試場地事實上是無法辦到的。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)實的程度。對這樣的大天線，其參量的測量通常有兩種方法，即利用射電星的測量技術(shù)和近場測量技術(shù)。

射電星測量技術(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)大于最小測試距離。

近場測量技術(shù)是在天線附近(距天線表面僅幾個焦距的距離范圍內(nèi))測量遠(yuǎn)區(qū)的天線參量。近場測量技術(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，原來對無窮遠(yuǎn)處的聚焦改變?yōu)榫劢褂诮鼒鰠^(qū)(幾個焦距或幾十個波長的距離內(nèi))，然后在焦區(qū)測取其方向圖。使天線聚焦于近場區(qū)的方法是：對拋物面反射器天線可把饋源從焦點沿軸外移一小段距離;對透鏡天線可把饋源安裝在一個焦距到兩個焦距的范圍內(nèi);對相控陣天線則可通過適當(dāng)調(diào)整其移相器而達(dá)到。

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

微波暗室 　在普通實驗室內(nèi)進(jìn)行天線參量的測量時，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、散射和繞射場對測量場的“干擾”導(dǎo)致測量精度的下降，這對方向圖的零值深度和副瓣等微弱場的測量，影響尤為嚴(yán)重。建立微波暗室可以解決這個問題。微波暗室就是周圍安裝微波吸收材料的實驗室。暗室不但用于天線測量，還可用于目標(biāo)散射場和繞射場等弱場強的測量。使用暗室除能減弱干擾場因而提高測量精度外，還能保證有一個保密的、全天候的測量環(huán)境。從1953年建立第一個微波暗室以來，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。一個設(shè)計良好的微波暗室，在測量區(qū)內(nèi)的干擾場可以做到-40分貝以下。

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