引言

要確定天線的實(shí)際性能，例如增益、方向圖、極化、頻帶寬度等，精確的測(cè)量是必不可少的。天線在不同的應(yīng)用場(chǎng)合各有其嚴(yán)格的指標(biāo)要求。例如，多普勒導(dǎo)航雷達(dá)的天線，需要精確測(cè)量天線波束在以天線相位中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)軸內(nèi)的指向角。第1頁，共27頁。主要內(nèi)容天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量天線近場(chǎng)測(cè)量多普勒導(dǎo)航雷達(dá)天線波束指向角測(cè)量誤差分析第2頁，共27頁。天線輻射場(chǎng)區(qū)劃分

在緊鄰天線的空間，坡印亭矢量是虛數(shù)，電場(chǎng)或磁場(chǎng)同距離的高次冪成反比，隨著離開天線距離的增加迅速減小，稱此區(qū)域?yàn)殡娍菇鼒?chǎng)區(qū)。越過電抗區(qū)就到了輻射場(chǎng)區(qū)，此時(shí)坡印亭矢量是實(shí)數(shù)且場(chǎng)隨距離成反比，按離開天線距離的遠(yuǎn)近又把輻射場(chǎng)區(qū)分為輻射近場(chǎng)區(qū)或菲涅爾區(qū)，以及輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)或夫瑯和費(fèi)區(qū)。第3頁，共27頁。天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量

天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量是在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，借助輔助天線根據(jù)天線互易定理測(cè)量待測(cè)天線的電性能參數(shù)的方法，在大多數(shù)場(chǎng)合下，待測(cè)天線工作在接收狀態(tài)，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量可以在室外進(jìn)行，也可以在室內(nèi)。室外測(cè)試場(chǎng)為避免地面反射波的影響，把收發(fā)天線架設(shè)在水泥塔或相鄰高大建筑物的頂上，主要分為：零點(diǎn)偏離地面的高架測(cè)試場(chǎng)、零點(diǎn)指向地面的高架測(cè)試場(chǎng)和斜天線測(cè)試場(chǎng)。室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)在無反射室內(nèi)工作——微波暗室，它是以吸波材料作襯里的房間，能吸收入射到六個(gè)壁上的大部分電磁能量，較好地模擬自由空間測(cè)試條件。室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)又分為：室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)和緊縮場(chǎng)。第4頁，共27頁。室外測(cè)試場(chǎng)

零點(diǎn)偏離地面的高架測(cè)試場(chǎng)

采用銳方向的發(fā)射天線，使方向圖的第一零點(diǎn)剛好指向待測(cè)天線塔的底部，待測(cè)天線的架高至少為其直徑D的5倍，hr≥5D。第5頁，共27頁。室外測(cè)試場(chǎng)

零點(diǎn)指向地面的高架測(cè)試場(chǎng)

采用銳方向發(fā)射天線，使方向圖的第一個(gè)零點(diǎn)指向地面反射點(diǎn)，此時(shí)。第6頁，共27頁。室外測(cè)試場(chǎng)

斜天線測(cè)試場(chǎng)

斜天線測(cè)試場(chǎng)就是收發(fā)天線架設(shè)高度不等的一種測(cè)試場(chǎng)。通常把待測(cè)天線架設(shè)在比較高的塔上，且作接收使用，把輔助發(fā)射天線靠近地面架設(shè)，由于發(fā)射天線相對(duì)待測(cè)天線有一定仰角，適當(dāng)調(diào)整它的高度，使自由空間方向圖的最大輻射方向?qū)?zhǔn)待測(cè)天線口面中心，零輻射方向?qū)?zhǔn)地面，就能有效抑制地面反射。第7頁，共27頁。天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量

室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)

相對(duì)于室外測(cè)試場(chǎng)，室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)具有全天候、保密、對(duì)昂貴待測(cè)系統(tǒng)起到保護(hù)作用以及能夠避免外界電磁干擾等眾多優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)許多高校、研究所、天線公司都配備有高精度的暗室測(cè)量系統(tǒng)。第8頁，共27頁。緊縮場(chǎng)室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試需要很大的空間，如果采用射線光學(xué)原理，就可以在較小空間產(chǎn)生理想的平面波照射，根據(jù)這個(gè)原理，緊縮場(chǎng)應(yīng)運(yùn)而生。大多數(shù)緊縮場(chǎng)天線由一架或多架反射鏡組成，測(cè)試場(chǎng)通常設(shè)置在暗室內(nèi)，但特別大的緊縮場(chǎng)天線也會(huì)被置于室外，如射電望遠(yuǎn)鏡。第9頁，共27頁。天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量第10頁，共27頁。天線近場(chǎng)測(cè)量

近場(chǎng)測(cè)量是在小于最小遠(yuǎn)區(qū)距離內(nèi)，求得天線遠(yuǎn)場(chǎng)特性的測(cè)量。其不需要龐大的室外、室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)，具有測(cè)試精度高、可全天候工作以及一次測(cè)量可得到全部遠(yuǎn)場(chǎng)信息等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直是天線測(cè)量領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題。近場(chǎng)測(cè)量包括場(chǎng)源分布法、縮距法、聚焦法、外推法和近場(chǎng)掃描法，目前最常用的是近場(chǎng)掃描法。

第11頁，共27頁。03°，最大回差，轉(zhuǎn)臺(tái)平行度為。測(cè)速原理以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，基于測(cè)量雷達(dá)輻射的電磁波與回波之間的頻率差異來得到速度信息，頻率上的差異即多普勒頻率偏移。由于多普勒頻移的解算與天線波束指向角密切相關(guān)，而測(cè)速精度又與多普勒頻移測(cè)量密切相關(guān)，因此精確測(cè)量多普勒雷達(dá)天線的波束指向角極其關(guān)鍵。δ---波束中心線在YOZ平面的投影與Y軸夾角這種測(cè)量技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：采用銳方向的發(fā)射天線，使方向圖的第一零點(diǎn)剛好指向待測(cè)天線塔的底部，待測(cè)天線的架高至少為其直徑D的5倍，hr≥5D。例如，多普勒導(dǎo)航雷達(dá)的天線，需要精確測(cè)量天線波束在以天線相位中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)軸內(nèi)的指向角。室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)測(cè)試工裝誤差，天線安裝在測(cè)試工裝并固定于轉(zhuǎn)臺(tái)，主要有以下幾點(diǎn)誤差：室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)又分為：室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)和緊縮場(chǎng)。例如，多普勒導(dǎo)航雷達(dá)的天線，需要精確測(cè)量天線波束在以天線相位中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)軸內(nèi)的指向角。波束指向角高精度測(cè)量要求±°。近場(chǎng)掃描法是在離開被測(cè)天線3一10入距離上，用一個(gè)電特性已知的探頭在被測(cè)天線近區(qū)某一平面或曲面上掃描抽樣(按照取樣定理進(jìn)行抽樣)電磁場(chǎng)的幅度和相位數(shù)據(jù)，再經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換(快速傅立葉變換)計(jì)算出被測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的電特性。1）天線口徑面與轉(zhuǎn)臺(tái)垂直誤差為±0.遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)的方位面轉(zhuǎn)軸與發(fā)射天線相位中心軸的對(duì)準(zhǔn)存在隨機(jī)誤差。近場(chǎng)測(cè)量是在小于最小遠(yuǎn)區(qū)距離內(nèi)，求得天線遠(yuǎn)場(chǎng)特性的測(cè)量。天線近場(chǎng)測(cè)量

近場(chǎng)掃描法是在離開被測(cè)天線3一10入距離上，用一個(gè)電特性已知的探頭在被測(cè)天線近區(qū)某一平面或曲面上掃描抽樣(按照取樣定理進(jìn)行抽樣)電磁場(chǎng)的幅度和相位數(shù)據(jù)，再經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換(快速傅立葉變換)計(jì)算出被測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的電特性。若被測(cè)體是輻射體(通常是天線)，則稱之為輻射近場(chǎng)測(cè)量，當(dāng)被測(cè)體是散射體時(shí)，則稱之為散射近場(chǎng)測(cè)量。根據(jù)取樣表面的不同，可分為平面掃描技術(shù)，柱面掃描技術(shù)和球面掃描技術(shù)。第12頁，共27頁。天線近場(chǎng)測(cè)量第13頁，共27頁。多普勒導(dǎo)航雷達(dá)簡(jiǎn)介

測(cè)速原理以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，基于測(cè)量雷達(dá)輻射的電磁波與回波之間的頻率差異來得到速度信息，頻率上的差異即多普勒頻率偏移。當(dāng)雷達(dá)參數(shù)確定之后，多普勒頻率fd僅僅與雷達(dá)載體相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。通過三波束天線測(cè)量得到的雷達(dá)載體速度矢量的各個(gè)分量（即沿著航向的縱向速度、與航向垂直的橫向速度和垂直速度）供導(dǎo)航使用。第14頁，共27頁。

天線波束具有一定寬度，因此，從地面返回的回波有一定的頻譜寬度，由于多普勒效應(yīng)，中心頻率相對(duì)發(fā)射頻率有一個(gè)偏移，偏移量fd與速度在信號(hào)輻射方向上的投影成正比

式中：V—地速矢量

λ—發(fā)射信號(hào)波長

γ—波束中心線與地速矢量之間的夾角多普勒雷達(dá)天線為固定多波束斜指向波導(dǎo)縫隙陣，采用三個(gè)波束Y型配置，能連續(xù)測(cè)量三個(gè)波束的多普勒頻移fd1、fd2、fd3

第15頁，共27頁。多普勒雷達(dá)波束配置圖第16頁，共27頁。

坐標(biāo)軸各方向上的速度矢量可按下列公式計(jì)算：γ---波束中心線與X軸的夾角δ---波束中心線在YOZ平面的投影與Y軸夾角φ---波束中心線與Z軸的夾角PL---偏流角第17頁，共27頁。

由于多普勒頻移的解算與天線波束指向角密切相關(guān)，而測(cè)速精度又與多普勒頻移測(cè)量密切相關(guān)，因此精確測(cè)量多普勒雷達(dá)天線的波束指向角極其關(guān)鍵。波束指向角高精度測(cè)量要求±°。以下從遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量、近場(chǎng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行波束角測(cè)量誤差分析。

第18頁，共27頁。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法天線安裝及測(cè)量示意圖第19頁，共27頁。測(cè)試工裝誤差，天線安裝在測(cè)試工裝并固定于轉(zhuǎn)臺(tái)，主要有以下幾點(diǎn)誤差：

1）天線口徑面與轉(zhuǎn)臺(tái)垂直誤差為±0.05°2)天線的方位面中心線與轉(zhuǎn)臺(tái)平面平行度為3）天線與工裝的安裝定位誤差測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)精度

以色列ORBIT公司AL-4270-1型轉(zhuǎn)臺(tái)，在方位和俯仰面的同步性精度為0.03°，最大回差，轉(zhuǎn)臺(tái)平行度為。雙軸對(duì)準(zhǔn)誤差遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)的方位面轉(zhuǎn)軸與發(fā)射天線相位中心軸的對(duì)準(zhǔn)存在隨機(jī)誤差。第20頁，共27頁。

歸納起來，方向圖角度測(cè)量誤差概括為：角度測(cè)量裝置產(chǎn)生的角度誤差?θ1，功率測(cè)量不精確產(chǎn)生的角度誤差?θ2，待測(cè)天線相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的角度誤差?θ3

由于?θ1，?θ2是隨機(jī)且相互獨(dú)立的，?θ3是系統(tǒng)誤差，總誤差角可表示為第21頁，共27頁。第22頁，共27頁。室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)多普勒導(dǎo)航雷達(dá)天線波束指向角測(cè)量誤差分析2）確定天線的架設(shè)高度，掃描探頭作為接收，被測(cè)天線作為發(fā)射，確定收發(fā)之間的距離，將探頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)天線的幾何中心；大多數(shù)緊縮場(chǎng)天線由一架或多架反射鏡組成，測(cè)試場(chǎng)通常設(shè)置在暗室內(nèi)，但特別大的緊縮場(chǎng)天線也會(huì)被置于室外，如射電望遠(yuǎn)鏡。其不需要龐大的室外、室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)，具有測(cè)試精度高、可全天候工作以及一次測(cè)量可得到全部遠(yuǎn)場(chǎng)信息等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直是天線測(cè)量領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題。2)天線的方位面中心線與轉(zhuǎn)臺(tái)平面平行度為這種測(cè)量技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：1）天線口徑面與轉(zhuǎn)臺(tái)垂直誤差為±0.δ---波束中心線在YOZ平面的投影與Y軸夾角因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以確定天線增益方向圖的能量中心及對(duì)應(yīng)角度，以此作為天線的波束指向角。δ---波束中心線在YOZ平面的投影與Y軸夾角例如，多普勒導(dǎo)航雷達(dá)的天線，需要精確測(cè)量天線波束在以天線相位中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)軸內(nèi)的指向角。近場(chǎng)掃描法示意圖第23頁，共27頁。這種測(cè)量技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：

1）測(cè)量在待測(cè)天線的近場(chǎng)進(jìn)行，沒有遠(yuǎn)場(chǎng)距離、轉(zhuǎn)臺(tái)精度等要求；

2）考慮了探頭對(duì)待測(cè)天線的天線輻射的場(chǎng)影響；

3）根據(jù)測(cè)量可以計(jì)算天線完整的空間方向圖；

4）一種有用的診斷工具，逆推口徑場(chǎng)分布，容易找出陣列中有缺陷的單元；

5）只要仔細(xì)測(cè)量，可以準(zhǔn)確的確定超低旁瓣（-55dB）天線的遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣圖。近場(chǎng)掃描的步驟：

1）對(duì)探頭特性進(jìn)行校準(zhǔn)，即測(cè)出探頭的方向圖并對(duì)算法進(jìn)行補(bǔ)償；

2）確定天線的架設(shè)高度，掃描探頭作為接收，被測(cè)天線作為發(fā)射，確定收發(fā)之間的距離，將探頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)天線的幾何中心；

3）在待測(cè)天線近區(qū)某一選定表面上，用探頭兩種獨(dú)立的取向（如相互正交的兩種取向）以合適的抽樣間隔抽樣測(cè)量各個(gè)網(wǎng)格位置的場(chǎng)的幅度、相位分布；

4）用快速傅里葉變換（FFT）完成天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖計(jì)算。第24頁，共27頁。近場(chǎng)掃描法采用光學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)將待測(cè)天線的電軸坐標(biāo)系與掃描平面坐標(biāo)系校準(zhǔn)，這樣可較精確測(cè)得多波束斜指向天線的各波束相對(duì)于天線電軸的偏角。測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)中接收機(jī)的靈敏度為，即增益最大值及對(duì)應(yīng)角度的測(cè)量存在一定誤差。此外，天線歸一化增益方向圖主瓣不完全對(duì)稱，增益最大值通常不在主瓣的能量中心。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以確定天線增益方