0 引言

    隨著技術發展，天線的集成度越來越高，很多天線直接將信道集成一起，成為不可以拆離的整體。必須采用一定的算法才能實現對各個通道的幅度和相位信息準確有效的檢測，而現有常見的算法(包括近場校準、FFT算法等)都需要獲得相位信息^[1-6]，那么被測天線上就需要預留參考通道，以提供相位參考。這對天線的設計生產提出了額外要求，同時對于已經裝機的天線，特別是共形天線^[7-14]，無法提供對外接口用作相位參考。這使得傳統的近場測量方案不再適用，本文中提出一種新的近場算法，用于解決高集成天線無相位參考通道的問題，以實現上述天線的測量。

1 基本理論

    近場測量的理論基礎是電磁波傳播中的惠更斯-基爾霍夫原理，基本方法是：首先測量一個包圍被測天線的近場閉合曲面上切線方向場的分布，然后根據電磁波傳播理論推導該天線遠場位置場分布，最后推導天線口面場分布。而天線口面場分布就是相控陣單元的幅相特性。

    在笛卡爾坐標系中，如圖1所示，將待測天線口徑面置于xoy平面上，在z=d₁設置一個掃描平面，且掃描平面上的切向場分布為E_t(x，y，d₁)，則天線的遠場方向圖函數在球坐標系下可以表示為^[15-16]：

    由此可知，在近場掃描測試中，對于天線方向圖的重構，需要得到采樣點的相位才能實現。因此在對于無法參考相位的天線的近場測試中，采用基于自參考的近場算法。

    假設近場探頭的掃描曲面為一個平面β，平面足夠大，使得AUT輻射的電磁波未穿過掃描平面的部分可以被忽略。測量時信號源發出的信號，在每個測量點進行數據采集時，開關做一次切換，保證測試探頭和參考探頭都做一次固定時間長度的信號發射，并且開關切換時長固定^[17-20]。幅相接收機收到信號后，以固定時間長度提取測量探頭發射的經過AUT接收后收到的信號，并計算幅度相位，再以固定的時間間隔和固定的時間長度提取參考探頭發射的經過AUT接收后收到的信號，并計算幅度相位。其時序構成如圖2所示。

    設測試探頭與被測天線的空間距離為R_n，n=1，2，3，…，N。參考探頭與被測天線的空間距離為R₀，信號角頻率為ω₀，信號發射起始時刻為t_n，測試信號起始時刻與參考信號起始時刻時間間隔為T₁，k為ω₀頻率下的空間波數，A_n為測試探頭位置為n時測試探頭發射到被測天線的幅度信息，B_n為測試探頭位置為n時參考探頭發射到被測天線的幅度信息，根據圖1所示時序，測試探頭到達到天線的信號為：

    由式(6)可以看出，由于ω₁和T₁為常數，最后得到的幅度相位信息只與測試探頭的位置相關，即得到參考相位，從而還原出天線方向圖。

2 實驗驗證

2.1 實驗系統搭建

    為了驗證本測試方法的正確性，本文進行了一次驗證實驗，以一個實際天線為例，采用自參考算法近場掃描的方式進行測試，并將測試結果與NSI近場測試系統測得的結果進行比較驗證，搭建如圖3所示測試系統。

    以控制器為控制核心，控制近場掃描架對被測天線進行近場測試。掃描架每移動一個位置，控制器將會對幅相接收機、單刀雙擲開關進行控制，通過PC記錄下在該位置參考探頭和測量探頭接收到的幅度及相位值。

2.2 實驗結果分析

    首先，控制近場掃描架，使測量探頭對齊輔助天線(AUT)中心，在該位置下進行靜態采樣，以驗證自參考算法公式（3）的正確性。對PC記錄下的3組參考探頭和測量探頭的測試數據進行分析，每組數據為1 000個，T₁分別取100 μs、1 ms和10 ms，將測量探頭測試數據與參考探頭測試數據相除，得到結果如圖4所示。

    從圖4中可知，由于采用時鐘存在一定的誤差，隨著采樣間隔的拉長，得到數據的誤差會逐漸變大，具體誤差結果見表1。

    將T₁設定為100 μs，把測試得到數據帶入自參考近場算法進行處理，得到天線的遠場三維方向圖如圖5所示。

    將采用NSI近場測試系統得到的遠場二維方向圖與采用自參考算法得到的遠場二維方向圖進行比較，其比較結果如圖6所示。

    由測試結果可以看出，自參考測試算法與NSI近場測試系統的測試結果有較高的重合度，其具體誤差比較如表2所示。

3 結論

    本文中的自參考近場算法解決了傳統近場測量中需要獨立參考通道的問題，因為無需額外參考通道，使得測試設備和被測設備可以完全獨立設計，因此本算法可以應用于常規天線、含有變頻通道的天線和數字化天線的近場測量領域，且特別適用于設備的現場檢測應用。

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作者信息:

杜  艷，楊順平

(中國西南電子技術研究所，四川 成都610036)