天线近场测量
天线_RCS近场测量系统的研究
天线/RCS 近场测量系统的研究a张士选,郑会利,尚军平(西安电子科技大学,710071)摘要:给出了由HP 8530B 组成的天线/RCS 近场测量系统的有关技术指标。
利用该系统对典型天线进行了分析测量。
结果表明,所研制的近场系统可提供各种天线的精确测量结果。
关键词:近场测量;天线;采样;收发系统;精度中图分类号:T N957.2 文献标识码:B文章编号:1005-0388(1999)01-0092-5Study on Antenna /RCS Near Field Test SystemZHANG Shi -xuan ,ZHENG Hui -li ,SHANG Jun -ping(Xidian University,Xian 710071Chian)Abstract :Antenna/RCS near field test system w ith HP8530B m icrow ave rceiv-er is intro duced in this paper.Som e pr oblem in the desig ning and realizing the sy s-tem are analy sised.The technolo gical index of the sy stem is g iven.So me ty piced an-tenna are tested w ith this sysem .It is concluded that the accurate testing results of various antenna can be prov ided with this system .Key words :Near field test;Antenna ;Sam ple;T ransmitter and receiver sy s-tem Accuracy1 引言天线近场测试技术越来越受到人们的重视。
天线测量第六章
12°
0°
12°
24°
36°
聚焦技术
A
x
B
o
o'
' F F
z
e
P
A'
R
0
相对功率（dB）
近场聚焦测量 远场测量
10 20 30 40 30° 24°18° 12° 6°
0° 6° 12°18° 24° 30°
解析技术
解析技术是由近场测试数据解析计算远场方向图的技术
测取待测天线表面上的电流密度和电荷分布，或者测取天线孔径 上的电磁场分布，或者在近场区内离开待测天线适当而方便的任 意距离上测取电磁场分布；然后，将近场测取得到的数据进行数 学转换，推算出远场方向图。推算的基本方法有三种：波动光学 法，电流分布法和模式展开法。
接收到的卫星噪声功率
接收系统的噪声功率
PW PNS PN Y PN
噪声温度表示
PW kTS B kTB Y kTB
EIRP PW G Lp
试装置的有效噪声带宽
卫星的等效全向辐射功率 待测地面站天线接收增益 自由空间的传输损耗
TS G Lp kB (Y 1) T EIRP T
1
2
N 2
N sec 2r 2 2 (hr hs ) ( F1 1)r 2 (hr hs ) ( F1 1)r 2
2 2 2 2
椭圆方程
中心坐标 长轴 短轴
1 F2 x 0, y 0, z r 2
LN rF1 (1 F2 2 F3 )
2 1 2
(rr rr 0 )
y
hi
天线近场测试原理
天线近场测试是一种用来测试天线性能的方法，它可以在不远离天线的距离范围内进行测试，而不需要使用远场测试的大型测试距离。
其基本原理如下：
近场测试通常在天线距离测试点的距离范围内进行，一般在天线直径的2-3倍距离内。
这样可以使测试过程中电磁场的变化足够缓慢，可以认为电磁场是静态的，从而方便进行测试和分析。
在测试过程中，使用测试天线和信号源，将电磁波信号输送到待测天线中，观察待测天线输出的电信号强度和相位等特性，并将这些信息传递给测试设备进行分析。
通过在不同位置进行测试，可以获取天线在不同方向的辐射图。
这些数据可以用于优化天线设计和调整其性能。
总之，天线近场测试是一种简便、高效、准确的测试方法，可以在相对较小的空间范围内进行测试，并获得有关天线性能的详细信息。
天线近远场测量及应用的开题报告
天线近远场测量及应用的开题报告一、选题背景及意义随着通信和雷达技术的发展，天线工程变得越来越重要。
天线的近场测量和远场测量是天线工程中的两个重要方面，近场测量技术主要用于天线的设计和优化，远场测量则是天线性能的验证和调整。
在天线设计过程中，近场测量可以帮助设计师更好地理解天线结构和特性，从而更好地优化天线的性能。
远场测量则可以验证设计的性能是否符合要求，并对天线的性能进行调整，以达到最佳性能。
因此，对天线的近场测量和远场测量技术的研究具有重要的理论和实践意义。
二、主要研究内容本次开题报告将探讨天线近场测量和远场测量的相关技术和应用。
具体包括：1.天线近场测量技术（1）天线近场测量原理及基础理论（2）天线近场测量系统组成（3）天线近场测量系统的操作流程2.天线远场测量技术（1）天线远场测试原理及基础理论（2）天线远场测试系统组成（3）天线远场测试系统的操作流程3.天线近远场测量的应用（1）天线性能参数的分析与优化（2）天线电磁辐射规律的研究（3）天线阵列的优化设计（4）其他天线应用的研究三、研究方法和技术路线本次研究将采用文献调研和实验方法相结合的方式。
通过查阅相关文献了解天线近场测量和远场测量的技术原理，同时在实验室内建立天线测量系统进行实验验证。
具体的技术路线如下：1.文献调研（1）收集国内外相关文献（2）分析文献中的技术原理2.实验验证（1）建立天线近场测量系统（2）进行天线近场测量实验（3）建立天线远场测量系统（4）进行天线远场测量实验3.数据处理和分析（1）对实验数据进行处理（2）分析天线性能参数（3）优化天线设计方案四、预期成果和创新性本次研究的预期成果和创新性如下：1.深入探讨天线近场测量和远场测量技术的理论和实践应用2.建立和优化天线测量系统，提高测试准确度3.实验数据分析和优化设计，为天线工程提供参考4.本研究将为后续研究提供基础数据和技术支持。
五、研究难点和解决措施本研究的主要难点在于天线测量系统的建立和测试过程中对实验数据的处理和分析。
天线近场测试、远场测试、紧缩场测试、天线罩测试 简介
近场测试所谓近场天线测试的近场是指从测试探头到被测天线口平面的距离约为3λ 5λ. 符合这样条件的天线测试即为近场测试.近场天线测试系统主要由这么几部分组成：1. 多轴扫描架子系统（包括控制驱动器及电缆组件）。
2. 被测天线定位子系统，通常由一个单轴或多轴转台，控制驱动器及电缆组件组成。
3. 射频子系统，包括发射源，接收机及射频电缆组件。
4. 系统主控器及一个负责给扫描架及转台子系统发定位指令，采集测试数据，近远场变换计算和分析测试结果的系统软件。
每个天线测试应用都有自己的独立特点，而我们提供的近场天线测试系统也有很多不同规格的选择。
具体的系统需要根据用户的具体情况进行配置。
远场测试所谓远场天线测试的远场就是指符合r=2D2/λ条件的天线测试, 其中r 就是测试场的收发间距离, D 就是被测天线的最大口径, 而λ 测试频率的波长.远场天线测试系统主要由这么几部分组成;1. 接收端单轴或多轴转台子系统（包括控制驱动器及电缆组件）。
2. 发射子系统，通常由一个单轴转台，控制驱动器及电缆组件组成。
3. 射频子系统，包括发射源，接收机及射频电缆组件。
4. 系统主控器及一个负责给转台子系统发定位指令，采集测试数据和分析测试结果的系统软件。
每个天线测试应用都有自己的独立特点，而我们提供的远场天线测试系统也有很多不同规格的选择。
具体的系统需要根据用户的具体情况进行配置。
紧缩场测试紧缩场天线测试的紧缩场意思是指在一个相对小(紧缩)的空间里产生出传统远场天线测试所需要的平面波. 产生这种一致性很好的平面波的设备就需要在有限空间里增设双曲反射面来延伸辐射空间.紧缩场天线测试系统主要由这么几部分组成;1. 被测天线的单轴或多轴转台子系统（包括控制驱动器及电缆组件）。
2. 馈源子系统，通常由一个单轴或多轴转台，控制驱动器及电缆组件组成。
3. 双曲单反射面或双曲双反射面，用于在有限空间里产生符合远场测试条件的平面波。
4.射频子系统，包括发射源，接收机及射频电缆组件。
天线近场测量报告
总 结——近场测量技术
总的来说，平面近场技术是测量超低副瓣天线等一系列高性能天线 最为理想的测试手段。针对面近场测量所产生的误差进行分析，提出相 应的补偿措施。因此，平面近场测量误差分析与补偿技术是平面近场技 术测量超低副瓣天线能否实现的关键技术，其研究具有十分重要的实用 价值.对平面近场测量而言，其主要误差源有18项，这些误差源大致分为 四类，即探头误差、测试仪表误差、环境误差以及计算误差。这些误差 源所产生的误差对大多数常规天线测量的影响几乎可以忽略不记，但对 超低副瓣天线等一系列高性能天线的测量，这些误差源所产生的误差几 乎每项都必须予以补偿或修正。这些补偿与修正也不断促进着近场扫描 法的推广及应用。 由于近场扫描法中近场——远场变换理论中，需要近场的幅度和相 位信息，而场的相位信息是难以测量，最近国内外又提出 ，只需测量记录近场扫描面的幅度分布，直接获取场的相位信息， 进而完成天线的远场特性的测量。 随着科技不断进步，天线近场测量将逐步成为天线测量最实效、便 捷、精准的测量技术。
天线近场测量
学号：**
姓名：**
报告框架
• 天线测量的主要方法
• 近场扫描法 • 天线近场扫描系统组成 • 平面扫描法 • 柱面扫描法 • 球面扫描法 • 天线近场扫描法总结
• 天线近场测量技术总结
• 致谢
01 天线远场测量技术
天 线 测 量 主 要 方 法
02 紧缩场测量技术
原理：在电磁环境与外界隔离的暗室中，将待测天线做为馈源，发送球面波，再经 高精度抛物面金属板的反射面反射，而在一定远距离处会形成近似平面波区域（静 区）。将扫描探头放臵在静区内，可直接测量待测天线远场得到其远场特性。 优缺点：理想远场环境（暗室）下进行测量，能很好的模拟和控制各种电磁环境。 但是，暗室造价昂贵，一般情况下不会专门采用，对各机械系统的精度要求非常。
天线的近场和远场的判定条件
天线的近场和远场的判定条件
天线的近场和远场是根据电磁场的特性来区分的。
近场是指天线周围存在的电磁场，它的条件是：天线测量时的距离d小于天线的最大物理口径尺寸D与工作波长λ的平方根之比的2倍，即$d <
\frac{2D^2}{\lambda}$。
在近场中，电磁场能量在天线周围空间及天线之间周期性地来回流动，不向外发射。
远场是指电磁场能量脱离天线以电磁波的形式向外辐射的区域，它的条件是：天线测量时的距离d大于天线的最大物理口径尺寸D与工作波长λ的平方
根之比的2倍，即$d > \frac{2D^2}{\lambda}$。
希望以上内容对您有帮助，如需了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
近场天线测量作业
作业一：分别采用直接求和与快速Fourier 变换（FFT ）两种方法计算出)(ωF ，并与理论计算结果比较，并比较两种方法所用时间。
1. 已知xe xf -=)(求 dx e eF x j xπωω2)(⎰∞∞--=直接积分：2)2(12)(πωω+=F (1-1)当ω很大时，0)(≈ωF 取100=Ω时，010)(5≈<-ωF故近似认为当Ω>ω时，0)(≈ωF ，即可以近似认为f （x ）是一个谱宽有限得函数，带限为2Ω，取005.02=Ω≤∆ππx ，则由取样定理有 2()m xj m x m F ee xπωω∞-∆∆=-∞=⋅⋅∆∑令xN n∆=ω， ∑--=∆-∆≈1222)(N N m Nmn jxm x eeF πω令,2k Nm =+则有 ∑-=-∆--∆≈∆10)2(2)2()(N k Nk N n jx Nk x ee x N n F π∑-=∆--∆-=102)2()1(N k Nknj x N k nexeπ∑-=-=12)1(N k Nkn jknefπ (1,,1,0-=N n ) <FFT 形式> (1-2)其中： ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=∆-=∆=∆-∆-1,,212,,1,0)2()2(N Nk xe Nk xe f xk Nx N k k (1-3)取N=2048，则1024*0.005≈5，12<<∆-x N e2.Matlab 程序清单如下： clcclear all Wp=100;dx=1/(2*Wp); N=2048; n=0:N-1;w1=n./(N*dx);%%%理论值 w=0:.001:Wp ticFP=2./(1+(2*pi*w).^2); toc%%%直接求和 ticfor n1=0:N-1 FS1=0;for k=0:N-1;FS2=dx.*exp(-abs((k-N/2).*dx)).*exp(i*2*pi*k*n1/N); FS1=FS2+FS1; endFS(1,n1+1)=(-1).^n1.*FS1; endFS=abs(FS); toc%%%FFT k=0:N-1;w_=n./(N*dx);Fk=dx.*exp(-abs((k-N/2).*dx)); ticFF=fft(Fk,N); FF=abs(FF); tocfigure(1)subplot(1,2,1)plot(w,FP,'--',w_,FS,'s');grid on;title('直接求和计算结果与理论结果')legend('理论值','直接求和')axis([0 3 0 2]);subplot(1,2,2)plot(w,FP,'--',w_,FF,'s');grid on;title('FFT计算结果与理论结果')legend('理论值','FFT计算')axis([0 3 0 2])figure(2)plot(w,FP,'--',w_,FS,'s',w_,FF,'o');grid on; legend('理论值','直接求和','FFT计算')axis([0 3 0 2]);Elapsed time is 0.006355 seconds. （理论值计算见式（1-1）） Elapsed time is 10.422329 seconds. （直接求和计算见式（1-2）） Elapsed time is 0.001044 seconds. （FFT 见式（1-3）） 4.结果与讨论由计算结果图可以看出：用直接求和计算和FFT 算法得到的结果均与理论结果吻合很好，几乎重合；由计算所用时间可以得出：FFT 算法比直接求和法具有明显的优势，当N=1024时，直接计算需要N 2=1 048 576次乘法，然而FFT 算法只需要51202)1024(log 10242 次乘法，算法次数减小自然能节约系统资源缩短计算时间，从而比直接求和法更实用。
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天线近场测量--(**，北京100191)摘要本文介绍了天线测量的发展历程，对近场扫描系统的组成、三种测量方案以及各方案的实施做了系统的叙述。
最后，集中分析了这三种近场扫描测量方法的适用情况，以根据实际适当选择。
关键词天线测量，平面近场测量，圆柱面近场测量，球面近场测量Near-Field Antenna Measurements**(**, Beijing 100191)Abstract:This paper introduced the development of antenna measuring technologies, the consistent of near field measuring system and practices of three measuring were discussed as well. At last, the best situated method of some type of antenna were analyzed in detail to choose them conveniently.Keywords: Antenna measurements; PNF;CNF;SNF1 引言天线特性参数的测量有多种方法，目前，主要的方法包括三大类：天线的远场测量、天线的紧缩场测量、天线的近场测量。
其中，因天线特性主要是定义在天线的远场区故远场测量更为直接准确，而紧缩场测量天线主要是拉近远场所需远场条件：22d Dλ≥，其通常采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形成平面波，在一定远距离处形成一个良好的静区。
将天线安置在静区内，测量天线的远场特性，其类似于远场测量，只是缩短测量距离，便于在理想远场环境（暗室）下进行测量。
比较而言，天线近场测量技术应用更为广泛，其对设备要求低，不需要造价昂贵的暗室环境，也不需要远场测量下，对射频系统的较高的要求。
传统的远场测量由于受地面反射波的影响，难以达到这么高的测量精度。
另外，远场测量还受周围电磁干扰、气候条件、有限测试距离、环境污染和物体的杂乱反射等因素的影响，已经越来越难以适应现代卫星天线的测量要求。
新一代的天线测量技术是以近场测量和紧缩场测量为代表的。
近场测量技术利用探头在天线口面上做扫描运动，测量口面上的幅度和相位，然后把近场数据转上的场，就可避免远场测量的诸多缺点，而成为独立的一门测量技术。
近场测量技术主要是指频谱近场测量技术，通过研究被测信号的频谱结构进行频谱分析，从而得到近场天线的各项参数。
与远场测量不同的是，其通过采集天线近场区域辐射场的数据，经近场——远场变换，由计算机得到天线的远场特性。
只要保证一定的幅度和相位测量精度，即可较为准确的得到远场特性。
频域近场测量中，信号源发射连续信号，适用于频域平面波谱分析，在时域近场测量技术中，信号源发射的是脉冲信号，用时域平面波谱分析比较合适。
1994来，美国的Rome实验室的Thorkild R.Hasen和Arthur D.Y anghjian提出了时域平面近场测试方法，并推导出时域内的格林函数表达式和平面波普表达式，同时分析了探头误差分析与修正公式。
国内在此领域研究比较少，北京理工大学搭建了国内第一个时域近场测试系统[1]。
天线的测量经历了一个从远场测量到近场测量的发展过程。
远场测量是直接在天线的近场区对天线的电磁场进行测量，所以测量场地和周围范围电磁环境对测量精度影响比较大，对某些天线来说，要求测量距离要远大于22Dλ，其中D为被测天线的口径尺寸，λ为工作波长，而且对测量场地的反射电平、多路径和电磁环境干扰的抑制都往往很难满足。
随着测量设备和计算手段的不断进步，天线的电气特性可以在微波暗室内通过近场测量更方便、更精确的测得。
近场测量是在天线近区范围内，求得天线的远场特性。
由于其不受远场测试中的距离效应和外界环境的影响，故具有测试精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列优点，并且能很好的模拟和控制各种电磁环境，并通过合适的软件有效的补偿各种测量误差，其测量精度甚至优于远场测量，从而得到越来越多的应用，一直是人们研究的重点课题，也是当前高性能天线测量的主要方法之一。
表一天线近场测量经历的阶段[2]线近场测量的研究。
国内的近场测量的理论研究及实验探索开始于20世纪80年代，西安电子科技大学在1987年成功研制了我国第一套天线近场测量系统[3]。
矢量网络分析仪作为天线近场测量系统的核心设备以及射频和微波产品性能的主要测试仪器，多年来在精度、速度、动态范围和操作界面等方面都有较大的改进，对天线近场测量系统的性能优化起了很大的推动作用。
1天线近场扫描法测量系统近场测量方法包括：场源分布法、近场扫描法、缩距法、聚焦法和外推法等，这些方法各有其优缺点及适应范围。
本文主要讨论近场扫描法来测量天线各项特性。
近场扫描法是用一个特性已知的探头，在离开待测天线几个波长的某一表面进行扫描，测量天线在该表面离散点上的幅度和相位分布，然后应用严格的模式展开理论，确定天线的远场特性。
测量面可以是平面、柱面或球面，相应的近场扫描法称为平面、柱面或球面近场测量。
从上世纪80 年代初，我们开始了对近场测量技术的研究，于1987年研制出了我国第一套近场测量系统。
此后一直从事天线近场测量技术方面的研究及推广。
任何近场测量方法，都需在指定的曲面上规则地采集幅度和相位数据。
给定曲面几何形状，数据和参考天线（探头）的特性，通过测量天线的近场特性，经近场-远场变换，由计算机处理、确定待测天线的远场特性。
最常用的扫描技术包括：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转动组合实现在理想曲面上的扫描。
近场扫描法测量系统主要由射频子系统，扫描子系统，数据采集处理系统等组成。
最简单的射频子系统包含能够向AUT提供射频功率的某种类型的信号源以及能够检测探头接收信号的接收机。
在数据采集系统中，幅度和相位数据在测量表面的已知位置（如文中的网格点处）采集，通过扫描探头对特定位置处场值的记录，计算机存储生成所测得的数据，再由计算机通过傅里叶变换实现近场远场数据转换，从而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位置的变化的波形图。
整个系统的转台及定位均有数据采集与控制系统（DCCS）监视并控制，因而，需由电脑全自动控制，这样既保证转台转角的精度，各背景的恒定，以尽可能减小外界额外环境的干扰，提高测量准确度。
此外，由于对天线近场的测量点非常多以及每次参量的变化对背景的重新测量，得到的数据量极大，计算机发送接收这些数据2天线近场测量机械扫描子系统任何近场测量理论中，幅度和相位数据是在某些特殊面上按规律的方式获取。
给定面的几何形状，数据和参考天线（探头）的特性，优先选用一种高效的变换来确定待测天线的远场特性。
最常用的扫描技术有平面近场（PNF），圆柱面近场（CNF）和球面近场（SNF）。
每一种都需要将平移与转动相结合完成理想面上的扫描。
3.1 PNF近场扫描PNF扫描要求较小的暗室环境，校准技术和相当简单的数理分析。
该技术最适合于像碟状或相位阵列这样的高度定向天线，这类天线几乎所有的接收和发射的能量都会通过平面扫描区域。
矩形扫描是一种常用的PNF技术[4]，如图1所示[4]，扫描的数据是在网格上特定的x，y点处收集得到。
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安装的导轨组成，其中竖直安装的导轨在水平安装导轨上面，探头安装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轴垂直。
采样是测量数据中两相邻数据所需的最短周期。
在x和y方向小于/2λ的步进间隔一般都能满足采样准则。
当然，理论上假定无限大的扫描平面在实际应用当中很显然极不现实。
为了确定扫描区域是否足够大，通常是将某扫描区域边缘之外的数据设置为零，并观察计算出的远场变化多大。
当远场变化比较明显时，说明扫描区域内测得的数据量过少，应适当的增加扫描点数，从而保证经变化得到的远场近似于待测天线的远场。
减小由边界截断带来的测量误差。
PNF还需考虑各种校正处理，如：电缆抖动、探头位置、阻抗失配、热漂移校准等。
这些校正理论的发展很大程度上提高了近场扫描的测量精度，促进了近场扫描在实际中的应用。
3.2 CNF近场扫描典型的柱面近场扫描设备是将待测天线安装于转台之上，扫描探头沿平行于转台转轴的直线方向上移动。
通过合理地配置这些运动，准确的定位需要测量的网格点位置，保证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。
同样通过计算机对数据经近场远场变换处理，来得到天线的远场特性。
同平面扫描相比，柱面扫描对转台控制更为复杂，即对机械系统提出了更高的要求。
由于其是对待测天线周围柱面空间的场进行测量，那么，对于波束俯仰角较小而方位角范围较广的天线，这种测量的结果相对于平面扫描信息量更大，误差更小，对天线特性的反映更为准确。
图2 CNF近场扫描柱面测量系统中，待测天线位于方位转台之上，其口径面边缘垂直于地面，探头沿垂线方向上进行扫描，位于方位转台之上的待测天线沿圆周运动。
转动待测天线，垂直方向上扫描一次，一周之后，可完成整个柱面的扫描，该系统的示意图如图2所示[4]。
二者的组合运动在柱面上形成了,zϕ相互关联的采样格点。
测试中，需调整扫描轴是其彼此对准并保证铅垂到位。
探头运动的直线扫描需调整到平行于方位转台的转轴，并垂直于大地。
方位转台必需保证在指定的扫描范围内能稳定地圆周运动，并且转轴平行于探头扫描线迹。
同样，柱面扫描的采样也做如下规定：根据奈圭斯特准则，相邻数据的采样间隔不应大于最高频率所对应波长的一半/2λ，以保证重要的频谱分量都被囊括其中。
每行的间隔可参照平面扫描，扫描的行数也可通过观察行数变化对远场的变化的影响程度做适当调整，也可通过计算机对天线辐射特性的数值计算仿真优化测量范围。
3.3 SNF近场扫描天线测量技术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收信号。
第一个天线的接收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，数据从围绕待测天线的球面上采集得到。
这种方法可用于测量任何天线，特别是对于全向或近似全向的天线特别有用，这类天线不适合采用平面和圆柱面理论进行测量。
球面近场扫描中，导轨转动的精度及控制对测量结果的影响相对于其他两种方法，其要求较高，实现的难度更大，但球面测量是对天线周围空间的完整测量，其最能完整的体现天线的辐射特性，理论上的误差最小，测量的精度最高，也是未来近场测量发展主要的趋势。