比較而言，天線近場測量技術應用更為廣泛，其對設備要求低，不需要造價昂貴的暗室環境，也不需要遠場測量下，對射頻系統的較高的要求。

傳統的遠場測量由于受地面反射波的影響，難以達到這么高的測量精度。另外，遠場測量還受周圍電磁干擾、氣候條件、有限測試距離、環境污染和物體的雜亂反射等因素的影響，已經越來越難以適應現代衛星天線的測量要求。新一代的天線測量技術是以近場測量和緊縮場測量為代表的。近場測量技術利用探頭在天線口面上做掃描運動，測量口面上的幅度和相位，然后把近場數據轉換成遠場。由于近場測量只需測量天線口面上的場，就可避免遠場測量的諸多缺點，而成為獨立的一門測量技術。

近場測量技術主要是指頻譜近場測量技術，通過研究被測信號的頻譜結構進行頻譜分析，從而得到近場天線的各項參數。與遠場測量不同的是，其通過采集天線近場區域輻射場的數據，經近場——遠場變換，由計算機得到天線的遠場特性。只要保證一定的幅度和相位測量精度，即可較為準確的得到遠場特性。

頻域近場測量中，信號源發射連續信號，適用于頻域平面波譜分析，在時域近場測量技術中，信號源發射的是脈沖信號，用時域平面波譜分析比較合適。

1994來，美國的Rome實驗室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Yanghjian提出了時域平面近場測試方法，并推導出時域內的格林函數表達式和平面波普表達式，同時分析了探頭誤差分析與修正公式。國內在此領域研究比較少，北京理工大學搭建了國內第一個時域近場測試系統[1]。

天線的測量經歷了一個從遠場測量到近場測量的發展過程。遠場測量是直接在天線的近場區對天線的電磁場進行測量，所以測量場地和周圍范圍電磁環境對測量精度影響比較大，對某些天線來說，要求測量距離要遠大于2D2

λ為工作波長，而且對測量場地的反射電平、多路徑和電磁環境干擾的抑制都提出了很高的要求，這些要求在遠場條件下往往很難滿足。隨著測量設備和計算手段的不斷進步，天線的電氣特性可以在微波暗室內通過近場測量更方便、更精確的測得。

近場測量是在天線近區范圍內，求得天線的遠場特性。由于其不受遠場測試中的距離效應和外界環境的影響，故具有測試精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列優點，并且能很好的模擬和控制各種電磁環境，并通過合適的軟件有效的補償各種測量誤差，其測量精度甚至優于遠場測量，從而得到越來越多的應用，一直是人們研究的重點課題，也是當前高性能天線測量的主要方法之一。

早在20世紀50年代，國外已經開始了天線近場測量的研究。國內的近場測量的理論研究及實驗探索開始于20世紀80年代，西安電子科技大學在1987年成功研制了我國第一套天線近場測量系統[3]。矢量網絡分析儀作為天線近場測量系統的核心設備以及射頻和微波產品性能的主要測試儀器，多年來在精度、速度、動態范圍和操作界面等方面都有較大的改進，對天線近場測量系統的性能優化起了很大的推動作用。

1 天線的遠場測量

近場測量方法包括：場源分布法、近場掃描法、縮距法、聚焦法和外推法等，這些方法各有其優缺點及適應范圍。本文主要討論近場掃描法來測量天線各項特性。

近場掃描法是用一個特性已知的探頭，在離開待測天線幾個波長的某一表面進行掃描，測量天線在該表面離散點上的幅度和相位分布，然后應用嚴格的模式展開理論，確定天線的遠場特性。測量面可以是平面、柱面或球面，相應的近場掃描法稱為平面、柱面或球面近場測量。從上世紀80 年代初，我們開始了對近場測量技術的研究，于1987年研制出了我國第一套近場測量系統。此后一直從事天線近場測量技術方面的研究及推廣。

任何近場測量方法，都需在指定的曲面上規則地采集幅度和相位數據。給定曲面幾何形狀，數據和參考天線（探頭）的特性，通過測量天線的近場特性，經近場-遠場變換，由計算機處理、確定待測天線的遠場特性。

最常用的掃描技術包括：平面近場（PNF），柱面近場（CNF）和球面近場（SNF）。每一種都需將平動與轉動組合實現在理想曲面上的掃描。

近場掃描法測量系統主要由射頻子系統，掃描子系統，數據采集處理系統等組成。最簡單的射頻子系統包含能夠向AUT提供射頻功率的某種類型的信號源以及能夠檢測探頭接收信號的接收機。在數據采集系統中，幅度和相位數據在測量表面的已知位置（如文中的網格點處）采集，通過掃描探頭對特定位置處場值的記錄，計算機存儲生成所測得的數據，再由計算機通過傅里葉變換實現近場遠場數據轉換，從而得到天線的遠場特性，再可由matlab軟件繪出相應遠場的幅值和相位隨位置的變化的波形圖。整個系統的轉臺及定位均有數據采集與控制系統（DCCS）監視并控制，因而，需由電腦全自動控制，這樣既保證轉臺轉角的精度，各背景的恒定，以盡可能減小外界額外環境的干擾，提高測量準確度。此外，由于對天線近場的測量點非常多以及每次參量的變化對背景的重新測量，得到的數據量極大，計算機發送接收這些數據

2 ?天線的緊縮場測量

任何近場測量理論中，幅度和相位數據是在某些特殊面上按規律的方式獲取。給定面的幾何形狀，數據和參考天線（探頭）的特性，優先選用一種高效的變換來確定待測天線的遠場特性。最常用的掃描技術有平面近場（PNF），圓柱面近場（CNF）和球面近場（SNF）。每一種都需要將平移與轉動相結合完成理想面上的掃描。

3 天線的近場測量

PNF掃描要求較小的暗室環境，校準技術和相當簡單的數理分析。該技術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射的能量都會通過平面掃描區域。

矩形掃描是一種常用的PNF技術[4]，如圖1所示[4]，掃描的數據是在網格上特定的x，y點處收集得到。探頭放置在沿y軸的直線滑軌上。y軸滑軌安放在沿x軸向的第二個滑軌上。

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

采樣是測量數據中兩相鄰數據所需的最短周期。

當然，理論上假定無限大的掃描平面在實際應用當中很顯然極不現實。為了確定掃描區域是否足夠大，通常是將某掃描區域邊緣之外的數據設置為零，并觀察計算出的遠場變化多大。當遠場變化比較明顯時，說明掃描區域內測得的數據量過少，應適當的增加掃描點數，從而保證經變化得到的遠場近似于待測天線的遠場。減小由邊界截斷帶來的測量誤差。

4.結論

PNF方法對高度定向天線效果最好。其可用于定向天線的增益測量，但其對覆蓋的方向圖區域的限制對直接測量會帶來困難。

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

在SNF方法中，測量面的截斷是非必要的，因而，其用于精確的確定任何類型的天線遠處的旁瓣。因為可覆蓋寬泛的角度范圍，其專門用于測量近各向同性天線，如移動電話、手機的天線，以及測量天線的定向性。

總的來說，平面近場技術是測量超低副瓣天線等一系列高性能天線最為理想的測試手段。面近場測量所產生的誤差進行分析，提出相應的補償措施。因此，平面近場測量誤差分析與補償技術是平面近場技術測量超低副瓣天線能否實現的關鍵技術，其研究具有十分重要的實用價值[5]。對平面近場測量而言，其主要誤差源有18項，這些誤差源大致分為四類，即探頭誤差、測試儀表誤差、環境誤差以及計算誤差。這些誤差源所產生的誤差對大多數常規天線測量的影響幾乎可以忽略不記，但對超低副瓣天線等一系列高性能天線的測量，這些誤差源所產生的誤差幾乎每項都必須予以補償或修正。這些補償與修正也不斷促進著近場掃描法的推廣及應用。

由于近場掃描法中近場——遠場變換理論中，需要近場的幅度和相位信息，而場的相位信息是難以測量，最近國內外提出近場無相測量技術，通過只測量近場掃描面的幅度分布，可直接獲取場的相位信息，進而完成天線的遠場特性的測量。

隨著科技不斷進步，天線近場測量將逐步成為天線測量最實效、便捷、精準的測量技術。

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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的方向圖的方案之一。圖中天線1為被測天線，與信號發生器相連用作發射,它裝在旋轉平臺上能作360°轉動;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，為了近似滿足遠場條件，兩天線間的距離應滿足

,式中λ為測試工作波長;r和D的意義見圖1。當轉動被測天線1時，可在天線2處測得以轉動角θ表示的函數的電場強度E(θ)，于是就可畫出轉動平面內的天線 1的方向圖。若被測天線為半波天線，它的子午面內的方向圖如圖2a，當把天線轉動90°使之垂直于轉動平面時,可測得赤道面內的方向圖(圖2b)。若把天線任意傾斜安裝，則可測得任意面內的方向圖。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。若把收發條件互換，即把被測天線用作接收，輔助天線用作發射，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。圖中的信號發生器產生所需頻率的電壓，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。調節可變阻抗使平衡指示器的讀數為零，表示電橋已達到平衡，根據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，，λ為工作波長;z0為第一個電壓波節至被測阻抗連接點的距離。

天線增益系數的測量 　天線增益系數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。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距離 r處的電場強度，然后用下式求得該天線的增益系數：

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。信號發生器的輸出經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′倍的標準天線替換被測天線，并重新調整匹配，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)，在測量時應滿足下列條件：工作頻率f2=Kd·f1,模型天線的電導率σ2=Kd·σ1,此處f1和σ1表示實際天線的工作頻率和電導率。

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、雷達設備等應用的大口徑天線，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,收發天線的高度也將達到不現實的程度。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和近場測量技術。

射電星測量技術就是利用輻射穩定的射電星作為發射源，被測天線用于接收。這樣就可保證收發間距離遠大于最小測試距離。

近場測量技術是在天線附近(距天線表面僅幾個焦距的距離范圍內)測量遠區的天線參量。近場測量技術包括縮距法、聚焦法和外推解析法。

①　縮距法：利用特定的信號發射天線，使收發天線之間的距離減少后，仍能保證發射天線在接收天線口徑處產生如同遠距離時一樣的平面波。一般的發射天線在其附近產生的是球面波。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，原來對無窮遠處的聚焦改變為聚焦于近場區(幾個焦距或幾十個波長的距離內)，然后在焦區測取其方向圖。使天線聚焦于近場區的方法是：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;對相控陣天線則可通過適當調整其移相器而達到。

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

微波暗室 　在普通實驗室內進行天線參量的測量時，周圍環境使電磁波產生反射、散射和繞射等現象，這些反射、散射和繞射場對測量場的“干擾”導致測量精度的下降，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、全天候的測量環境。從1953年建立第一個微波暗室以來，暗室的技術指標已有很大的改進。

起初，暗室采用平板型吸收材料，這種材料的吸收頻帶較窄。現代寬帶微波暗室大多使用錐形或楔形吸收材料。一個設計良好的微波暗室，在測量區內的干擾場可以做到-40分貝以下。

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