一、引言
天线工程一问世，天线测量就是人们一直关注的重要课题之一，方法的精确与否直接关系到与之配套系统的实用与否。随着通讯设备不断更新，对天线的要求愈来愈高，常规远场测量天线的方法由于实施中存在着许多困难，有时甚至无能为力，于是人们就渴望通过测量天线的源场而计算出其辐射场的方法。然而由于探头不够理想和计算公式的过多近似，致使这种方法未能赋于实用。为了减小探头与被测天线间的相互影响，Barrett等人在50年代采用了离开天线口面几个波长来测量其波前的幅相特性，实验结果令人大为振奋，由此掀开了近场测量研究的序幕，这一技术的出现，解决了天线工程急待解决而未能解决的许多问题，从而使天线测量手段以新的面目出现在世人的面前。
四十多年过去了，近场测量技术已由理论研究进入了应用研究阶段，并由频域延拓到了时域，它不仅能够测量天线的辐射特性，而且能够诊断天线口径分布，为设计提供可靠、准确设计依据；与此同时，人们利用它进行了目标散射特性的研究，即隐身技术和反隐身技术的研究，从而使该技术的研究有了新的研究手段，进而使此项研究进入了用近场测量的方法对目标成像技术的探索阶段。
二、近场测量技术发展的过程
近场测量的技术研究从五十年代发展至今，其研究方向大致经历四个阶段，如表1所示。
表1 近场测量技术所经历的时间
| 时间 | 研究方向 |
| 1950-1961 | 无探头修正的实验探索阶段 |
| 1961-1965 | 探头修正理论的研究阶段 |
| 1965-1975 | 实验验证探头修正理论阶段 |
| 1975-至今 | 技术推广阶段 |
1、理论研究
在Barrett等人的实验之后，Richnlond等人用空气和介质填充的开口波导分别测量了微波天线的近场，并把由近场测量所计算得到的方向图与直接远场法测得的结果相比较，其方向图在主瓣和第一副瓣吻合较好，远副瓣和远场法相差较大。于是人们就分析其原因，最终归结为探头是非理想起点源所致，因此，出现了各种方法的探头修正理论。直到1963年Karns等人提出了平面波分析理论才从理论上严格地解决了非点源探头修正的问题。与此同时，Paris和Leach等人用罗仑兹互易定理也推出了含有探头修正的平面波与柱面波展开表达式[1，2]。Joy等人也给出了含有探头修正下的球面波展开式及其应用[3]。至此，频域近场测量模式展开理论已完全成熟，因此研究者的目光投向了应用领域。在随后的十年里，美国标准局(NBS)等研究机构进行大量的实验证明此方法的准确性[4]，其中取样间隔、探头型式的选择以及误差分析是研究者们关心的热门问题。
2、取样间隔及取样间距
由于模式展开理论是建立在付里叶变换的基础上，根据付里叶变换中抽样定理[5]，对带宽有限的函数。用求和代替积分，用增量代替积分元不引人计算误差，而平面、柱面、球面的模式展开式对辐射场而言都是带宽有限的函数，忽略探头与被测天线间的电抗耦合(取样间距选取的准则)，取样间隔与取样间距按表2所示的准则进行选取(参看图1坐标系)。
表2 取样间隔与取样问距的准则
表中：λ —工作波长；d—探头距被测天线口径面的距离；α—完全包围教测天线最小柱面或球面的半径；α'—极平面取样的最大圆半径．
如果d变小，则取样间隔可按下式计算[6]
(1)
若d≤λ/2，则取样间距应取为小于λ/4，这时可用有限频谱法[7]修正感应场对测量数据的影响。
取样面尺寸与被测天线的口径面大小有关。对于一维平面扫描的情况，取样面的尺寸Lx与口径面尺寸D有如下关系，参看图2。
(2)
只要d选定，θ可由测量精度求得[5]，则Lx是确定的。通常工程上要求和幅度方向图副瓣电平测量误差≤0.5dB，在此条件下，取样面的尺寸可按下式选取(d≥λ)
图1 表2所用的坐标系
图2一维平面扫描取样面与被测天线口面尺寸的几何关系
Lx=2X|E=-40dB (3)
式中，X|E=-40dB为低于取样面中心场强40dB处的位置坐标，其它情况依次类推。
3、探头型式的选择
无论是采用何种扫描形式，测量常规非扫描天线方向图，都希望探头的极化纯度高、弱方向性且前向无零点。满足这几个条件的理想探头为偶极子和开口波导[9]。由于测试系统动态范围限制，因此用这种探头测量低副瓣天线会引入较大的测量误差。所以Grimm 等人[10]提出了用“零探头” 的方法进行测量，Hannssen等人[11]用此方法对副瓣为-49dB的天线进行了测量，并与直接远场法测量结果进行了比较，其结论是“零探头” 的测量结果更接近于理论值。
4、误差分析
近场测量系统是个复杂的系统，对天线测量有影响的误差源有18项之多，按其产生的原因可分为四个方面：
· 理论计算式及数值计算所产生的误差；
· 测试仪表及设备产生的误差；
· 环境产生的误差；
·探头天线所产生的误差，
对于平面扫描的情况，这些误差对天线参数影响的上界已由Newell等人给出了解析表达式[7,12-14]，并由Jensen等人进行计算机模拟[10,15]；
对于柱面和球面扫描，过些误差源对天线电参数的影响的误差上界尚未完成。表3给出了平面近场测量系统的典型的误差值及影响的电参数。其中理论公式和计算引入的误差只要按表2准则进行选取取样间隔和间距，则这些误差可以忽略不计。
表3 平面近场测量的误差(平均值)
| 误差的类型 | 典型值 | 最优值 | 影响的电参数 | ||
| 探 头 | 定位 | 0.50mm | 0.13mm | 副瓣 | |
| 位置 | 0.25mm | 0.05mm | 副瓣 | ||
| 振动 | 0.13mm | 0.01mm | 副瓣 | ||
| 被测天线瞄准 | 0.1度 | 0.01度 | 瞄准 | ||
| 增益 | 0.5dB | 0.1dB | 副瓣 | ||
| 瞄准 | 1度 | 0.25度 | 副瓣 | ||
| 方向图 | 1.0dB | 0.25dB | 副瓣 | ||
| 散射 | -35dB | -50dB | 副瓣 | ||
| 仪 器 | 相位 | 渐变 | 5度 | 0.5度 | 瞄准 |
| 随机 | 5度 | 0.5度 | 副瓣 | ||
|
幅 度 |
非线性 | 1.0dB | 0.2dB | 副瓣 | |
| 随机 | 0.3dB | 0.1dB | 副瓣 | ||
| 动态范围 | 40dB | 60dB | 增益 | ||
| 截断 | ±60度 | ±75度 | 副瓣 | ||
|
环 境 |
室内散射 | -45dB | -60dB | 副瓣 | |
| 泄漏 | -40dB | -65dB | 副瓣 | ||
| 混叠 | 0.5dB | 0.1dB | 副瓣 | ||
三、近场测量技术的现状
分布及性能指标
从70年代后期，近场测量技术已走向适用化，据不完全统计世界已有五十多家研究机构相继建立了近场测量系统，如表4所示，它们的功能和部分技术指标如表5所示。
表4 近场测量系统的分布
| 平面 | 球面 | 柱面 |
|
乔治亚理工学院 马丁公司 赖特--帕特森空军研究所 休斯飞机公司 德克萨斯仪表公司 联邦政府通用电气公司 得力芬肯通用电气公司 奈唯斯NASA 奈唯斯航天工程中心 桑得斯协会 通用动力研究所 马可吉尔大学 埃克里森无线电研究所 MIT林肯实验室 NTO物理实验室 BDM有限公司 汤姆逊协会 Chun Shao科技大学 NASA约翰逊空间中心 国家军事航空站 西屋电气公司 |
乔冶亚理工学院 NIST 亚太兰大科学公司 马可尼电气公司 马可尼空间防御研究所 休斯飞机公司 欧洲空间技术研究所 全国通讯研究中心 波音飞机公司 波尼斯顿无线电中心 埃利托勒飞机公司 通用动力公司 通用电气公司空间部 联邦航空局 奈托肯尼航空站 科学咨询中心 路易斯研究发展中心 丹麦技术大学 |
英国飞机公司 康奈尔大学 哈里斯有限公司 |
| 平面/柱面 | ||
|
乔治亚理工学院 NIST 兵器发展研究所 |
||
|
平面/柱面/球面 德克萨斯仪表公司 墨西哥州物理实验室 西安电子科技大学 南京14所 航天部504所 电子部39所 兵器部206所 |
||
| 柱面/球面 | ||
| 埃里克森无线电中心 | ||
| 极平面 | ||
| 喷气动力公司 |
表5 近场测量系统的部分技术指标和功能
|
电 指 标 |
频 率 |
单频 | 0.045～140GHz |
| 扫频 | 0.045～140GHz | ||
|
幅 度 |
动态范围 | ≥95dBm | |
| 灵敏度 | ≤-110dBm | ||
| 精度 | 0.05dB/10dB±0.2dB | ||
|
相 位 |
范围 | ±180° | |
| 精度 | 0.4°/10dB±1个字 | ||
| 计算精度 | 相当于-90dBm的反射电平 | ||
| 测量的最大电尺寸 | D/λ≤5000 | ||
| 扫描面尺寸 | 1m×1m～25m×25m | ||
| 速度 | 运动 | ≤20cm/s | |
| 转动 | ≤10圈/分 | ||
| 精度 | 运动 | ≤0.01mm | |
| 转动 | ≤0.18' | ||
| 运动的轴数 | ≤8 | ||
| 功能 | 辐射测量和散射测量 | ||
频域近场测量四种取样方式的特点如表7所示，从这个表格可以看出，部分应用研究方向仍是未来研究继续探讨的方向。
表7 频域四种取样方式特点
| 特点 | 扫描方式 | ||
| 平面/极平面 | 柱面 | 球面 | |
| 理论公式计算 | 简单 | 复杂 | 复杂 |
| 探头校准 | 简单 | 稍难 | 较难 |
| 取样方式的控制算法 | 简单 | 稍复杂 | 复杂 |
| 采样时间 | 短 | 较长 | 长 |
| 计算时间 | 短 | 较长 | 长 |
| 测试环境要求 | 一般 | 中 | 高 |
| 各种误差分析 | 已完成 | 未完成 | 未完成 |
| 计算远场局限性 | 0＜计算角域＜180° | 0＜θ＜180° | 除球心外的任意角域 |
| 适用测量对象 | 笔形波束天线 | 扇形波束天线 | 各种形式的天线 |
近场测量的分类
根据近场测量的研究方向和应用方向，近场测量可大致归为下面三类，如表6所示。
表6 近场测量的分类
| 分法 | 研究域 | 测量功能 | 取样面形式 | |
|
类 别 |
频域 | 辐射 | 平面/极平面 | |
| 柱面 | ||||
| 时域 | 散射 | |||
| 球面 |
五、展望
回顾过去的前人所做的工作，可以看出未来研究工作应集中以下几个方向：
1、柱面、球面各项误差的分析．这方面虽有进展，但截止目前尚未见公开报导。
2、低或超低副瓣天线的实时检测口径诊断虽然有了可喜的进展[21-24]，但距实用还相差较远。
3、目标散射特性的研究目前仅限于简单目标的特性实验研究[17.20]，复杂目标的实验研究尚处于探索时期，近场散射测量的探头型式还须进一步的探讨。
4、目标成像的研究虽刚刚起步[25,26]，但应用前景非常广阔。
5、测试环境引入的误差研究，虽然有了时域理论[17]，但尚未推广使用，其原因是工程实施较困难，简单已行的工程实用研究仍是研究的主要课题之一。
参考文献
1 D. T. Prais．Basic theory of probe compensated measurement，IEEE Trans．AP-26(3)．May 1978
2 W．M. Leach．Probe compensated near field measurement on a cylinder，IEEE Trans．．AP-21．July 1973
3 E. B. Joy．Application of probe compensated near-field measurement, IEEE Trans. AP 26(6)，May 1978
4 A．D．Yaghjian．An over view of field near-field antenna measurement, IEEE Trans．AP-34(1). Jan．1986
5 E.O．布赖姆．快速付里叶变按．上海．上海科学技术出版社，1972
6 E．B Joy．Spatial sampling and filtering in near measurement，IEEE Trans ,AP 20,May 1972
7 A．D．Yaghjian．The planar near field reconstruction approch to high resolution remote sensing of subsurface anomalies，AD-79-62，Jan 1979
8 A．D．Yaghjian Planar near field measurement techniques On high performance arrays— part: Error analysis for no scanning beam patterns AD14397，July 1976
9 A．D Yaghjian. Approximate formulas for the far field and gain of open-ended rectangular waveguide，IEEE Trans．．AP-32，Aprol 1984
10 K．R Grimm Ultraslow side lobe planar near field measurement study．Antenna application symp．1982
11 R．C．Hanssen．Measurement distance effects On low side lobe patters ，IEEE Trans．AP-32，June 1984
12 A. C. Newel1．Error analysis techniques for planar near field measurement IEEE Trans．AP-36(6)．1988
13 A．C．Newel1．Effect of random errors in planar near field measurement，IEEE Trans．AP 36(6)，1988
14 J．R Hoffman and K．R．Grimm. Far field uncertainty due to random near field measurement error．IEEE Trans AP 36(6)．1988
15 F．Jensen．Computer simulations as a design tool in near field testing．Inst．Elee Eng．Conf．Nov.1978
16 L．E．Corey．On computation of electromagnetic fields on planar surfaces from field specified on near-by surfaces. IEEE Trans. AP-29, March 1981
17 付禧民等关于导体球的空间散射特性．中国天线年会论文集，1995年，安徽
18 林海．近场散射测量研究，硕士论文，西安电子科技大学，1989年
19 郑廷军．近场散射测量方法与系统．硕士论文，西安电子科技大学，1991年
20 Zhang Jin Min etc．A study on biostatic scattering property by near field measurement far field，ISAE， 1989．Shang Hai
21 张士选等．低副天线的设计途径，第四届天线测量年会论文集，1990年，哈尔滨
22 郑会利等．相控阵天线的检测研究．中国天线年会论文集，1995年, 安徽
23 李俊沛．低副瓣天线平面近场测量系统，第四届天线测量年会论文集，1990年，哈尔滨
24 付德民等．近场诊断的研究．第六届天线测量年会论文集，1994年，成都
25 扬丽捷．近场区导体目标微波像重构与建议，硕士论文．西安电子科技大学．1994
26 马金平．近场微波分集成像的理论与实验．博士论文，西安电子科技大学．1994
27 T．R Hansen．Near field scanning in the time domain，IEEE Trans．AP-42，Sept．1994
