劉星汛，程先友，黃承祖

（1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039；2.防化研究院國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205）

1 引 言

天線平面近場(chǎng)測(cè)量［1－3］是根據(jù)平面波展開(kāi)理論，采用一個(gè)特性已知的探頭，在待測(cè)天線近場(chǎng)區(qū)的特定口面場(chǎng)進(jìn)行掃描，采集掃描面上的幅度和相位信息，采用付氏算法［4，5］將近場(chǎng)幅度相位還原成遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。 平面近場(chǎng)測(cè)量要求口面場(chǎng)采樣點(diǎn)的定位誤差為λ／50～λ／100 之間，一般機(jī)械掃描架定位精度在（0.02～0.05） mm 左右，目前大部分平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量頻率在110 GHz 以下，北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所研發(fā)了機(jī)械臂平面近場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)［6－8］實(shí)現(xiàn)了（110～170） GHz 的天線平面近場(chǎng)校準(zhǔn)。

2 天線平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

（110～170） GHz 天線平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、毫米波控制器、矢網(wǎng)擴(kuò)頻模塊、六軸機(jī)械臂系統(tǒng)、六自由度平臺(tái)和掃描探頭等硬件組成。

圖1 （110～170）GHz 天線平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna plane near?field measurement system with frequency （110～170）GHz

2.1 射頻系統(tǒng)

射頻硬件系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，毫米波控制器以及（110～170） GHz 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擴(kuò)頻模塊組成，用于發(fā)射和接收（110～170） GHz 天線校準(zhǔn)所需的電磁波信號(hào)。 毫米波控制器將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的本振信號(hào)分為兩路，分別輸出給發(fā)射擴(kuò)頻模塊和接收擴(kuò)頻模塊。 控制器內(nèi)部集成放大器，用于調(diào)整本振鏈路上的信號(hào)增益，為擴(kuò)頻模塊的混頻提供適當(dāng)功率的本振輸入信號(hào)。 （110 ～170） GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擴(kuò)頻模塊，射頻輸入頻率為（9.1～14.2） GHz，經(jīng)過(guò)12 次倍頻，產(chǎn)生（110～170） GHz 射頻信號(hào)，射頻信號(hào)輸入功率必須滿足（8～10） dBm。

2.2 六軸機(jī)械臂系統(tǒng)

六軸機(jī)械臂系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)六自由度的坐標(biāo)位置移動(dòng)，可以自由地實(shí)現(xiàn)三維空間的x，y，z 軸方向的平面運(yùn)動(dòng)，俯仰、旋轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而完成天線近場(chǎng)測(cè)量的特定軌跡掃描。

采用激光跟蹤儀對(duì)機(jī)械臂定位精度進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，將激光跟蹤儀的靶標(biāo)固定在機(jī)械臂的前端，激光跟蹤儀的主機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤靶標(biāo)，如圖2 所示，控制機(jī)械臂按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行平面近場(chǎng)掃描，機(jī)械臂每次移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)靶標(biāo)的位置移動(dòng)，機(jī)械臂按步進(jìn)運(yùn)動(dòng)到新的位置穩(wěn)定后，將機(jī)械臂位置回到機(jī)械零位，激光跟蹤儀捕獲到靶標(biāo)的坐標(biāo)，記錄在SA 軟件中，重復(fù)6 次，記錄6 次機(jī)械臂的機(jī)械零位。 設(shè)置機(jī)械臂人工坐標(biāo)軸，重新調(diào)整機(jī)械臂到一個(gè)固定的位置，將這個(gè)位置設(shè)為零位，記錄此時(shí)靶標(biāo)的坐標(biāo)。 任意運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂一段時(shí)間后，重新讓機(jī)械臂回到人工零位的位置，記錄靶標(biāo)的位置坐標(biāo)，重復(fù)6 次，記錄6 次人工零位的位置，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差作為機(jī)械臂重復(fù)定位誤差。 機(jī)械臂重復(fù)定位在X，Y 方向位置最大偏差均為0.02 mm，滿足小于0.035 mm（λ／50）的要求。

圖2 激光跟蹤儀標(biāo)定場(chǎng)景圖Fig.2 Scene diagram of laser tracker calibration

2.3 軟件控制系統(tǒng)

測(cè)量軟件，控制儀器和六軸機(jī)械臂，配合完成平面近場(chǎng)掃描測(cè)量，該軟件可以調(diào)節(jié)六軸機(jī)械臂每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)位置并實(shí)時(shí)顯示，可以調(diào)節(jié)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)速度以及顯示機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 天線平面近場(chǎng)測(cè)量的核心是近遠(yuǎn)場(chǎng)變換算法以及探頭補(bǔ)償算法，在軟件界面上設(shè)置掃描面X 方向上的掃描位置點(diǎn)數(shù)，設(shè)置掃描步長(zhǎng)，軟件自動(dòng)計(jì)算出掃描面的大小以及掃描總點(diǎn)數(shù)以及所需時(shí)長(zhǎng)，軟件還將實(shí)時(shí)顯示掃描面上近場(chǎng)幅度相位的數(shù)據(jù)采集進(jìn)度以及幅度相位的數(shù)據(jù)曲線，如圖3 所示，為天線方向圖近場(chǎng)測(cè)量后，在后臺(tái)文件夾里自動(dòng)生成各個(gè)測(cè)量頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)表，選擇需要顯示的頻率點(diǎn)將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表導(dǎo)入軟件中，點(diǎn)擊畫(huà)方向圖按鈕，屏幕上將自動(dòng)顯示方向圖曲線。

圖3 測(cè)量軟件界面圖Fig.3 Interface diagram of measurement software

3 天線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)布置及參數(shù)設(shè)置

選擇標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線為待測(cè)天線，天線口徑為210 mm×170 mm，內(nèi)徑為150 mm ×110 mm，按圖4 所示連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，（110～170）GHz 擴(kuò)頻模塊。 根據(jù)待測(cè)天線的口徑尺寸，確定天線的近場(chǎng)測(cè)試距離為5λ。 如果測(cè)試距離太遠(yuǎn)，為了覆蓋所有主瓣能量需要加大掃描面，將導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間加長(zhǎng)，如果測(cè)試距離太近，天線與探頭耦合因素會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。 因此折中確定天線與掃描探頭的正對(duì)距離為50 mm，當(dāng)中心點(diǎn)的幅度比邊沿點(diǎn)幅度大30 dB 以上，表示掃描面能夠覆蓋天線主波束的所有能量，校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置如下：

圖4 天線校準(zhǔn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of antenna calibration

1）待測(cè)天線類(lèi)別：喇叭天線

2）測(cè)試頻率f／GHz：110，140，170；

3）測(cè)試距離d／mm：50；

4）測(cè)試步進(jìn)t／mm：0.8；

5）掃描面范圍S／mm2：96 ×96；

6）采樣點(diǎn)數(shù)N：121 ×121。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

將探頭采集的近場(chǎng)掃描面上采樣點(diǎn)幅度和相位進(jìn)行云圖顯示，如圖5 所示，幅度云圖呈現(xiàn)清晰的單峰狀，中間場(chǎng)強(qiáng)幅度大，往邊沿逐步變小的趨勢(shì)，相位云圖呈現(xiàn)一圈一圈的環(huán)狀，此特征符合標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線典型的口面近場(chǎng)特點(diǎn)。 因此，本次測(cè)量采集的近場(chǎng)幅度相位數(shù)值有效，可以用于近遠(yuǎn)場(chǎng)變換的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖反演。 從相位近場(chǎng)云圖來(lái)看，掃描面邊緣地區(qū)的相位圖形呈現(xiàn)馬賽克似的模糊形態(tài)，是因?yàn)殡S著頻率越高，相位測(cè)量誤差將變大，且這種現(xiàn)象將越來(lái)越明顯。

圖5 掃描面幅度相位分布云圖Fig.5 Cloud chart of amplitude and phase distribution on scanning surface

以上近場(chǎng)測(cè)量的幅度相位數(shù)據(jù)文件，通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)變換算法得到標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，將此圖與遠(yuǎn)場(chǎng)直接測(cè)量的天線方向圖進(jìn)行比較，其對(duì)比曲線如圖6 所示：在（110～170） GHz 頻段內(nèi)，天線主瓣不管在E 面還是H 面平面近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果非常一致，頻率低的點(diǎn)副瓣偏差比頻率高的點(diǎn)要大，因?yàn)樘炀€在頻率低時(shí)，方向圖波束更寬，平面近場(chǎng)掃描面截?cái)嗾`差將導(dǎo)致還原后的副瓣方向圖能量部分丟失，因此平面近場(chǎng)還原的方向圖副瓣位置準(zhǔn)確但在幅度上有一定差別，110 GHz 測(cè)量結(jié)果的第一副瓣幅度偏差大約0.25 dB，第二副瓣幅度偏差較大，140 GHz 和170 GHz 頻點(diǎn)，近場(chǎng)測(cè)量的主瓣和第一第二副瓣與遠(yuǎn)場(chǎng)非常接近。 第三副瓣只有170 GHz 平面近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果相近，頻率相對(duì)較低的測(cè)量差距比較大。 如果要減少平面近場(chǎng)副瓣測(cè)量的偏差，就需要采集更大的采樣面數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖6 平面近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方向圖結(jié)果對(duì)比曲線圖Fig.6 Comparison curves of plane near?field and far?field measurement pattern results

4 結(jié)束語(yǔ)

將平面近場(chǎng)測(cè)量的天線方向圖結(jié)果與采用遠(yuǎn)場(chǎng)方法測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，主瓣方向圖一致性較好，最大偏差0.25 dB 左右，旁瓣由于受平面近場(chǎng)采樣面截?cái)嗾`差的影響，方向圖越寬，其旁瓣受采樣面截?cái)嗾`差影響越大，頻率越高方向圖越窄，近場(chǎng)測(cè)量的反演結(jié)果與遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果越接近。 因此，170 GHz比110 GHz 測(cè)量的結(jié)果更接近遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。 從結(jié)果來(lái)看，采樣面采樣點(diǎn)測(cè)量相位20 °以?xún)?nèi)的偏差并不影響近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，該平面近場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)能用于（110～170） GHz 頻率天線方向圖的測(cè)量。