比較而言，天線近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，其對(duì)設(shè)備要求低，不需要造價(jià)昂貴的暗室環(huán)境，也不需要遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量下，對(duì)射頻系統(tǒng)的較高的要求。

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量由于受地面反射波的影響，難以達(dá)到這么高的測(cè)量精度。另外，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量還受周圍電磁干擾、氣候條件、有限測(cè)試距離、環(huán)境污染和物體的雜亂反射等因素的影響，已經(jīng)越來(lái)越難以適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星天線的測(cè)量要求。新一代的天線測(cè)量技術(shù)是以近場(chǎng)測(cè)量和緊縮場(chǎng)測(cè)量為代表的。近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)利用探頭在天線口面上做掃描運(yùn)動(dòng)，測(cè)量口面上的幅度和相位，然后把近場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)。由于近場(chǎng)測(cè)量只需測(cè)量天線口面上的場(chǎng)，就可避免遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的諸多缺點(diǎn)，而成為獨(dú)立的一門測(cè)量技術(shù)。

近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)主要是指頻譜近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，通過(guò)研究被測(cè)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻譜分析，從而得到近場(chǎng)天線的各項(xiàng)參數(shù)。與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量不同的是，其通過(guò)采集天線近場(chǎng)區(qū)域輻射場(chǎng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)近場(chǎng)——遠(yuǎn)場(chǎng)變換，由計(jì)算機(jī)得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。只要保證一定的幅度和相位測(cè)量精度，即可較為準(zhǔn)確的得到遠(yuǎn)場(chǎng)特性。

頻域近場(chǎng)測(cè)量中，信號(hào)源發(fā)射連續(xù)信號(hào)，適用于頻域平面波譜分析，在時(shí)域近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)中，信號(hào)源發(fā)射的是脈沖信號(hào)，用時(shí)域平面波譜分析比較合適。

1994來(lái)，美國(guó)的Rome實(shí)驗(yàn)室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Yanghjian提出了時(shí)域平面近場(chǎng)測(cè)試方法，并推導(dǎo)出時(shí)域內(nèi)的格林函數(shù)表達(dá)式和平面波普表達(dá)式，同時(shí)分析了探頭誤差分析與修正公式。國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域研究比較少，北京理工大學(xué)搭建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)時(shí)域近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)[1]。

天線的測(cè)量經(jīng)歷了一個(gè)從遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量到近場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展過(guò)程。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量是直接在天線的近場(chǎng)區(qū)對(duì)天線的電磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，所以測(cè)量場(chǎng)地和周圍范圍電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量精度影響比較大，對(duì)某些天線來(lái)說(shuō)，要求測(cè)量距離要遠(yuǎn)大于2D2

λ為工作波長(zhǎng)，而且對(duì)測(cè)量場(chǎng)地的反射電平、多路徑和電磁環(huán)境干擾的抑制都提出了很高的要求，這些要求在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下往往很難滿足。隨著測(cè)量設(shè)備和計(jì)算手段的不斷進(jìn)步，天線的電氣特性可以在微波暗室內(nèi)通過(guò)近場(chǎng)測(cè)量更方便、更精確的測(cè)得。

近場(chǎng)測(cè)量是在天線近區(qū)范圍內(nèi)，求得天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。由于其不受遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中的距離效應(yīng)和外界環(huán)境的影響，故具有測(cè)試精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且能很好的模擬和控制各種電磁環(huán)境，并通過(guò)合適的軟件有效的補(bǔ)償各種測(cè)量誤差，其測(cè)量精度甚至優(yōu)于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，從而得到越來(lái)越多的應(yīng)用，一直是人們研究的重點(diǎn)課題，也是當(dāng)前高性能天線測(cè)量的主要方法之一。

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始了天線近場(chǎng)測(cè)量的研究。國(guó)內(nèi)的近場(chǎng)測(cè)量的理論研究及實(shí)驗(yàn)探索開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，西安電子科技大學(xué)在1987年成功研制了我國(guó)第一套天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)[3]。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的核心設(shè)備以及射頻和微波產(chǎn)品性能的主要測(cè)試儀器，多年來(lái)在精度、速度、動(dòng)態(tài)范圍和操作界面等方面都有較大的改進(jìn)，對(duì)天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的性能優(yōu)化起了很大的推動(dòng)作用。

1 天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量

近場(chǎng)測(cè)量方法包括：場(chǎng)源分布法、近場(chǎng)掃描法、縮距法、聚焦法和外推法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)范圍。本文主要討論近場(chǎng)掃描法來(lái)測(cè)量天線各項(xiàng)特性。

近場(chǎng)掃描法是用一個(gè)特性已知的探頭，在離開(kāi)待測(cè)天線幾個(gè)波長(zhǎng)的某一表面進(jìn)行掃描，測(cè)量天線在該表面離散點(diǎn)上的幅度和相位分布，然后應(yīng)用嚴(yán)格的模式展開(kāi)理論，確定天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。測(cè)量面可以是平面、柱面或球面，相應(yīng)的近場(chǎng)掃描法稱為平面、柱面或球面近場(chǎng)測(cè)量。從上世紀(jì)80 年代初，我們開(kāi)始了對(duì)近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的研究，于1987年研制出了我國(guó)第一套近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。此后一直從事天線近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)方面的研究及推廣。

任何近場(chǎng)測(cè)量方法，都需在指定的曲面上規(guī)則地采集幅度和相位數(shù)據(jù)。給定曲面幾何形狀，數(shù)據(jù)和參考天線（探頭）的特性，通過(guò)測(cè)量天線的近場(chǎng)特性，經(jīng)近場(chǎng)-遠(yuǎn)場(chǎng)變換，由計(jì)算機(jī)處理、確定待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。

最常用的掃描技術(shù)包括：平面近場(chǎng)（PNF），柱面近場(chǎng)（CNF）和球面近場(chǎng)（SNF）。每一種都需將平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)在理想曲面上的掃描。

近場(chǎng)掃描法測(cè)量系統(tǒng)主要由射頻子系統(tǒng)，掃描子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。最簡(jiǎn)單的射頻子系統(tǒng)包含能夠向AUT提供射頻功率的某種類型的信號(hào)源以及能夠檢測(cè)探頭接收信號(hào)的接收機(jī)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，幅度和相位數(shù)據(jù)在測(cè)量表面的已知位置（如文中的網(wǎng)格點(diǎn)處）采集，通過(guò)掃描探頭對(duì)特定位置處場(chǎng)值的記錄，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)生成所測(cè)得的數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)通過(guò)傅里葉變換實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性，再可由matlab軟件繪出相應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)的幅值和相位隨位置的變化的波形圖。整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)及定位均有數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)（DCCS）監(jiān)視并控制，因而，需由電腦全自動(dòng)控制，這樣既保證轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角的精度，各背景的恒定，以盡可能減小外界額外環(huán)境的干擾，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。此外，由于對(duì)天線近場(chǎng)的測(cè)量點(diǎn)非常多以及每次參量的變化對(duì)背景的重新測(cè)量，得到的數(shù)據(jù)量極大，計(jì)算機(jī)發(fā)送接收這些數(shù)據(jù)

2 ?天線的緊縮場(chǎng)測(cè)量

任何近場(chǎng)測(cè)量理論中，幅度和相位數(shù)據(jù)是在某些特殊面上按規(guī)律的方式獲取。給定面的幾何形狀，數(shù)據(jù)和參考天線（探頭）的特性，優(yōu)先選用一種高效的變換來(lái)確定待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。最常用的掃描技術(shù)有平面近場(chǎng)（PNF），圓柱面近場(chǎng)（CNF）和球面近場(chǎng)（SNF）。每一種都需要將平移與轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合完成理想面上的掃描。

3 天線的近場(chǎng)測(cè)量

PNF掃描要求較小的暗室環(huán)境，校準(zhǔn)技術(shù)和相當(dāng)簡(jiǎn)單的數(shù)理分析。該技術(shù)最適合于像碟狀或相位陣列這樣的高度定向天線，這類天線幾乎所有的接收和發(fā)射的能量都會(huì)通過(guò)平面掃描區(qū)域。

矩形掃描是一種常用的PNF技術(shù)[4]，如圖1所示[4]，掃描的數(shù)據(jù)是在網(wǎng)格上特定的x，y點(diǎn)處收集得到。探頭放置在沿y軸的直線滑軌上。y軸滑軌安放在沿x軸向的第二個(gè)滑軌上。

平面近場(chǎng)掃描儀由一對(duì)正交安裝的導(dǎo)軌組成，其中豎直安裝的導(dǎo)軌在水平安裝導(dǎo)軌上面，探頭安裝于豎直導(dǎo)軌上掃描整個(gè)平面。掃描平面一般與待測(cè)天線的口面平行。掃描架需調(diào)整至x軸和y軸垂直。

采樣是測(cè)量數(shù)據(jù)中兩相鄰數(shù)據(jù)所需的最短周期。

當(dāng)然，理論上假定無(wú)限大的掃描平面在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中很顯然極不現(xiàn)實(shí)。為了確定掃描區(qū)域是否足夠大，通常是將某掃描區(qū)域邊緣之外的數(shù)據(jù)設(shè)置為零，并觀察計(jì)算出的遠(yuǎn)場(chǎng)變化多大。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)變化比較明顯時(shí)，說(shuō)明掃描區(qū)域內(nèi)測(cè)得的數(shù)據(jù)量過(guò)少，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾訏呙椟c(diǎn)數(shù)，從而保證經(jīng)變化得到的遠(yuǎn)場(chǎng)近似于待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)。減小由邊界截?cái)鄮?lái)的測(cè)量誤差。

4.結(jié)論

PNF方法對(duì)高度定向天線效果最好。其可用于定向天線的增益測(cè)量，但其對(duì)覆蓋的方向圖區(qū)域的限制對(duì)直接測(cè)量會(huì)帶來(lái)困難。

CNF方法對(duì)測(cè)量扇形束型天線最有用，如手機(jī)的基站天線，其輻射方向圖大部分限制在小范圍的高度上。

在SNF方法中，測(cè)量面的截?cái)嗍欠潜匾模蚨溆糜诰_的確定任何類型的天線遠(yuǎn)處的旁瓣。因?yàn)榭筛采w寬泛的角度范圍，其專門用于測(cè)量近各向同性天線，如移動(dòng)電話、手機(jī)的天線，以及測(cè)量天線的定向性。

總的來(lái)說(shuō)，平面近場(chǎng)技術(shù)是測(cè)量超低副瓣天線等一系列高性能天線最為理想的測(cè)試手段。面近場(chǎng)測(cè)量所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的補(bǔ)償措施。因此，平面近場(chǎng)測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償技術(shù)是平面近場(chǎng)技術(shù)測(cè)量超低副瓣天線能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，其研究具有十分重要的實(shí)用價(jià)值[5]。對(duì)平面近場(chǎng)測(cè)量而言，其主要誤差源有18項(xiàng)，這些誤差源大致分為四類，即探頭誤差、測(cè)試儀表誤差、環(huán)境誤差以及計(jì)算誤差。這些誤差源所產(chǎn)生的誤差對(duì)大多數(shù)常規(guī)天線測(cè)量的影響幾乎可以忽略不記，但對(duì)超低副瓣天線等一系列高性能天線的測(cè)量，這些誤差源所產(chǎn)生的誤差幾乎每項(xiàng)都必須予以補(bǔ)償或修正。這些補(bǔ)償與修正也不斷促進(jìn)著近場(chǎng)掃描法的推廣及應(yīng)用。

由于近場(chǎng)掃描法中近場(chǎng)——遠(yuǎn)場(chǎng)變換理論中，需要近場(chǎng)的幅度和相位信息，而場(chǎng)的相位信息是難以測(cè)量，最近國(guó)內(nèi)外提出近場(chǎng)無(wú)相測(cè)量技術(shù)，通過(guò)只測(cè)量近場(chǎng)掃描面的幅度分布，可直接獲取場(chǎng)的相位信息，進(jìn)而完成天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性的測(cè)量。

隨著科技不斷進(jìn)步，天線近場(chǎng)測(cè)量將逐步成為天線測(cè)量最實(shí)效、便捷、精準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)。

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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(jiàn)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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