陳玉林， 李輝煌

(孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

·工程應(yīng)用·

平面近場(chǎng)測(cè)試中誤差的分析

陳玉林， 李輝煌

(孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

首先介紹了暗室中主要的誤差項(xiàng)，然后通過實(shí)際測(cè)試的方式，分析了其中四項(xiàng)誤差對(duì)超低副瓣天線-50dB副瓣的不確定度。結(jié)果對(duì)超低副瓣天線副瓣的誤差分析有一定的參考意義，有助于天線設(shè)計(jì)師了解超低副瓣天線測(cè)試中誤差項(xiàng)對(duì)副瓣的影響量級(jí)。

平面近場(chǎng)測(cè)試；誤差分析；超低副瓣天線

0 引言

低副瓣尤其是超低副瓣天線的測(cè)量技術(shù)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者十分關(guān)注的重大課題。天線近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)作為一種將自動(dòng)化測(cè)試與現(xiàn)代分析技術(shù)密切結(jié)合的方法，具有所獲信息量大、測(cè)試效率高、測(cè)試精度高、可全天候工作、易于保密等一系列的優(yōu)點(diǎn)，代表著未來天線測(cè)量技術(shù)的主要發(fā)展方向，其研究進(jìn)展情況一直為廣大天線測(cè)量工作者所關(guān)注。平面近場(chǎng)測(cè)量是近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)中研究最早、應(yīng)用最多的測(cè)量方法，已被廣泛用于測(cè)量天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性。如今，平面近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)已被用來測(cè)量高性能天線以及超低副瓣天線，并且已被證實(shí)具有良好的測(cè)量精度[1]。

但任何測(cè)量技術(shù)都不可避免地會(huì)受到這樣或那樣的誤差源的影響，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果必然會(huì)存在著或多或少的誤差，平面近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)也不例外[2]。為了保證平面近場(chǎng)測(cè)量的測(cè)量精度，必須找出影響它的誤差源并對(duì)各誤差源所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，以便給出定量化的結(jié)果。本文基于上述要求，主要分析了平面近場(chǎng)測(cè)試中的四項(xiàng)誤差項(xiàng)對(duì)超低副瓣天線-50dB副瓣影響的不確定度。

1 平面近場(chǎng)測(cè)試中的誤差項(xiàng)介紹

影響平面近場(chǎng)天線測(cè)量的誤差源可歸結(jié)為18項(xiàng)，大致可分為四大部分，即探頭誤差、測(cè)量系統(tǒng)的誤差、測(cè)試環(huán)境的誤差及隨機(jī)誤差。

在平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)中的18種誤差項(xiàng)為[3]：

1)探頭相對(duì)方向圖；2)探頭極化比；3)探頭或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭增益；4)探頭對(duì)準(zhǔn)誤差；5)歸一化常數(shù)；6)阻抗失配因子；7)被測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)誤差；8)采樣間距；9)有限面截?cái)啵?0)探頭XY位置誤差；11)探頭Z位置誤差；12)探頭與被測(cè)天線的互耦；13)接收機(jī)幅度線性；14)系統(tǒng)相位誤差；15)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍；16)微波暗室雜散；17)泄漏和串?dāng)_；18)隨機(jī)誤差。

確定方向圖不確定度的常規(guī)方法是改變一個(gè)參數(shù)，比較它引起的方向圖變化。這種變化可以通過誤差/信號(hào)比來表示。誤差/信號(hào)比與不確定度(Uncertainty)之間的關(guān)系如下[4]：

不確定度= ±20lg(1-10(誤差/信號(hào)比)/20) (dB)

誤差/信號(hào)比= 20lg(1-10不確定度/20) (dB)

對(duì)于常規(guī)天線的平面近場(chǎng)測(cè)量，18項(xiàng)誤差源中的多項(xiàng)誤差源所產(chǎn)生的誤差對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的主瓣和副瓣的測(cè)量精度影響不大；而對(duì)于超低副瓣天線平面近場(chǎng)測(cè)量，幾乎每項(xiàng)誤差源所產(chǎn)生的誤差都不可忽略，為了保證測(cè)量精度，必須對(duì)各項(xiàng)誤差源所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行嚴(yán)格的誤差分析。本文主要通過實(shí)際測(cè)試的方式分析了18項(xiàng)誤差的5～8項(xiàng)，下文給出具體分析結(jié)果。

2 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行于某大型微波暗室，首先對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，然后基于遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖對(duì)每項(xiàng)誤差進(jìn)行分析，其中測(cè)試得到的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖1所示。

圖1 主極化和交叉極化遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

1)歸一化常數(shù)

歸一化常數(shù)是近遠(yuǎn)場(chǎng)變換中的常數(shù)值，這項(xiàng)誤差只影響增益，在用直接法計(jì)算天線增益時(shí)需要精確的考慮，但計(jì)算天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖時(shí)可以忽略，所以對(duì)副瓣沒有影響，如表1所示。

表1 誤差項(xiàng)5

2)阻抗失配因子

阻抗失配因子是由探頭或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭與饋電網(wǎng)絡(luò)之間阻抗的不完全匹配，以及天線與饋電網(wǎng)絡(luò)之間阻抗的不完全匹配等引入的。假如測(cè)得的阻抗為復(fù)數(shù)形式，則失配損耗的不確定度是非常小的[5]。

失配損耗

此項(xiàng)對(duì)副瓣沒有影響，如表2所示。

表2 誤差項(xiàng)6

3)被測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)誤差

此項(xiàng)誤差主要為被測(cè)天線在方位、俯仰和極化等方向的架設(shè)誤差。被測(cè)天線在方位和俯仰上的誤差對(duì)天線方向圖不產(chǎn)生直接影響，它將影響天線波束指向的測(cè)量精度。對(duì)于在極化向的誤差，用精密儀器測(cè)得極化的偏差為φ=0.01°，它對(duì)交叉極化的抑制為20 lg (sinφ)=-75.2dB，由測(cè)得天線方向圖(圖1)分析計(jì)算得到，副瓣區(qū)域的誤差均方根為-59.75dB，因此誤差/信號(hào)比=-75.2-59.75-(-50)=-84.95dB，不確定度為0dB。如表3所示。

表3 誤差項(xiàng)7

4)采樣間距

當(dāng)采樣間距不滿足采樣準(zhǔn)則或者在有用采樣區(qū)域出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混疊誤差。一般來說，采樣間距需要稍微小于λ/2。采樣間距引起誤差的情況主要有2種。

①插值法引起的誤差

FFT變換得到的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)均勻地分布在k空間。遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖是通過在k空間進(jìn)行插值而得到的。插值產(chǎn)生的誤差是關(guān)于FFT空間的密度和范圍的函數(shù)。密度和范圍通過在FFT中補(bǔ)零的方式來控制。在測(cè)試范圍外補(bǔ)充的零值越多，則k空間的柵格越稀疏。這是由于近場(chǎng)數(shù)據(jù)的柵格密度與k空間的范圍是成反比。對(duì)于同樣的補(bǔ)零范圍，k空間的范圍越大，則k空間的柵格越稀疏。對(duì)于不同的補(bǔ)零范圍，在原理上說，會(huì)有不一樣的方向圖精度。

插值法引起的誤差可以通過改變不同的補(bǔ)零范圍來評(píng)估，可以分別取補(bǔ)零后采樣點(diǎn)數(shù)為512×512和1024×1024，得到2組方向圖，對(duì)它們進(jìn)行比較。不同的插值點(diǎn)數(shù)對(duì)副瓣幾乎沒有影響，可以忽略不計(jì)。

②采樣間距不同引起的誤差

為了評(píng)估此項(xiàng)誤差，把不同采樣間距所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較?？梢詫⒉蓸娱g距分別為0.48λ與0.24λ的2組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖2所示。

圖2 0.48波長(zhǎng)與0.24波長(zhǎng)

對(duì)圖2中副瓣區(qū)域誤差曲線求得其對(duì)-50dB副瓣誤差/信號(hào)比為-25dB，則不確定度為0.5dB。如表4所示。

表4 誤差項(xiàng)8

消除采樣間距誤差可以采用減小采樣間距的方式，但其代價(jià)是犧牲了測(cè)試時(shí)間。

3 結(jié)束語

針對(duì)平面近場(chǎng)測(cè)試中的誤差，本文通過實(shí)際測(cè)試的方式分析了其中四項(xiàng)對(duì)-50dB副瓣的不確定度，并給出最終結(jié)果?？梢钥闯?，誤差項(xiàng)歸一化常數(shù)、阻抗失配因子及被測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)副瓣沒有影響，而采樣間距對(duì)副瓣影響較大，對(duì)-50dB副瓣不確定度為0.5 dB。結(jié)果表明進(jìn)行超低副瓣測(cè)試時(shí)，在不犧牲過多測(cè)試時(shí)間的前提下，應(yīng)盡量減小采樣間距，以提高副瓣測(cè)試精度。■

[1] 倪育才.實(shí)用測(cè)量不確定評(píng)定[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2012.

[2] 林洪樺.測(cè)量誤差與不確定度評(píng)估[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 李勇.平面近場(chǎng)天線測(cè)量誤差分析[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2010，24(11)：987-992．

[4] 吳石林.誤差分析與數(shù)據(jù)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5] Yaghjian AD.Techniques for reducing the effect of measurement errors in near-field antenna measurements [R].Nat.Bur.stand.Internal.Rep., 2011：83-1689.

Analysis of errors in PNF measurements

Chen Yulin， Li Huihuang

(Key Laboratory of Aperture Array and Space Application，Hefei 230088，Anhui，China)

The main errors in chamber are introduced firstly. Then, the uncertainty of -50dB sidelobe caused by the four errors in chamber is obtained by the means of actual measurements. The results have some reference meaning to the error analysis of ultra-low sidelobe antenna, and can help the antenna designer to know the effect of errors on the sidelobe in ultra-low sidelobe antenna measurements.

PNF measurements；error analysis；ultra-low sidelobe antenna

2017-06-18；2017-07-22修回。

陳玉林(1982-)，女，高工,主要研究方向?yàn)槲炀€技術(shù)與平面近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。

TN971；TN965+．2

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