1 引言
隨著現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展，對天線的尺寸要求越來越大，現(xiàn)有的仿真計算手段可以很容易地計算出其理論的電性能，但是如何測出這種天線的實際方向圖和電性能參數(shù)，是當(dāng)前天線測量的一個難題。傳統(tǒng)的天線方向圖測量方法有遠場測量方法和近場測量方法。
對于遠場測試而言，對于較大口徑的天線，測量其天線特性有許多困難：首先需要較大的測試場地：按照遠場測試條件(R=2D²/λ,D為天線直徑，λ為波長)，測試場地需要使發(fā)射和接收天線之間的距離達千米甚至幾千米；其次，在外場測試還存在運輸、安裝及環(huán)境影響等方面的困難，最后，對于非筆形波束天線，需要在測試過程中改變天線的姿態(tài)，并需要承載性能好的三維轉(zhuǎn)臺；另外，對于容易變形的天線，還需要確保天線姿態(tài)改變過程中安全的保型結(jié)構(gòu)工裝。這將導(dǎo)致天線測試成本高昂、測試時間較長，并存在一定的安全風(fēng)險。
用近場測量來解決這些大型天線的測試，就具有重要的現(xiàn)實意義。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，世界各地相繼建立了大小不同、形式各異的天線近場測量系統(tǒng)，在各種近場掃描技術(shù)中，平面近場測量受到重視。據(jù)悉，目前絕大部分的平面近場都是單探頭型，測試速度慢。然而，對于尺寸較大的天線，一方面現(xiàn)有的垂直掃描高度不能滿足其采樣范圍需求，另一方面，按照Nyquest采樣定理進行掃描測試一次時間太長且工作量太大。法國的Satimo公司,研制成功一種多探頭的近場測量系統(tǒng),西安海天天線公司對引進的SG128球面近場多探頭測試系統(tǒng)進行了創(chuàng)新改造工作，這種系統(tǒng)測試速度比傳統(tǒng)的二維遠場測試法速度提高約40倍，但是這種測試系統(tǒng)適應(yīng)于小型寬波束天線系統(tǒng)測試；另外，這一測試系統(tǒng)的軟件和硬件與平面近場掃描系統(tǒng)有根本的區(qū)別，且軸向尼龍推力軸承承載的重量有限，不能承載重量達到噸級的天線。
如何利用現(xiàn)有的暗室和平面近場測試系統(tǒng)，采用較低的成本、精確、快速、高效的方法，完成一些特定天線的測試，是當(dāng)前的一個重要的研究方向。為此，我們開展了多探頭多區(qū)域測試方法探討。
2 多探頭多區(qū)域測試方法介紹
現(xiàn)有的近場測試系統(tǒng)見圖1，習(xí)慣上平面近場測量用矩形網(wǎng)格進行采樣。本文的多探頭多區(qū)域就是在此基礎(chǔ)上，對圖1中的掃描架（承載探頭）部分進行局部改造實現(xiàn)的。所謂多探頭，就是在原來單探頭的基礎(chǔ)上，增加探頭的數(shù)量，使得天線測試過程中可以通過微波開關(guān)的控制，將單個探頭的任務(wù)分配給多個探頭與掃描架的運行同步完成，從而提高測試效率，有效地縮短測試周期。所謂多區(qū)域，就現(xiàn)有的平面近場測試系統(tǒng)而言，可以根據(jù)被測天線的掃描范圍需求，將掃描平面在水平和\或垂直方向上進行區(qū)域分割（或擴展后再分割），不同的區(qū)域由不同的探頭進行掃描，這些探頭通過結(jié)構(gòu)過渡件安裝在掃描架上，并且通過伺服機構(gòu)的控制實現(xiàn)同步采樣。各個探頭在不同區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過誤差分析與數(shù)據(jù)處理后，進行拼接成為一個完整的同一平面上的二維采樣數(shù)據(jù)，然后根據(jù)近場推遠場波瓣的公式推算出天線的遠場波瓣性能。
圖1 近場測試系統(tǒng)
2.1雙探頭雙區(qū)域測試
為了實現(xiàn)對較大口徑反射面天線的二維方向圖的測試，充分利用現(xiàn)有的暗室頂空資源，確保天線垂直向較高的測試范圍，并提高測試效率，開展了雙探頭雙區(qū)域測試。下面給出該測試方法的介紹。
采用現(xiàn)有的單掃描架，通過對掃描架安裝探頭的部分進行局部改造，設(shè)計加工一個安裝雙探頭的結(jié)構(gòu)過渡件，可以實現(xiàn)雙探頭雙區(qū)域測試。該測試方法是通過將兩個電性能一致的探頭裝在過渡件的上下兩端，探頭后面接幅相一致性良好且穩(wěn)幅穩(wěn)相的電纜（幅相一致性要求與被測天線的頻段有關(guān)），從而構(gòu)成兩個采樣性能一致性良好的采樣通道；探頭之間的距離Dy或D為垂直采樣間距的整數(shù)倍；結(jié)構(gòu)過渡件的機械尺寸和穩(wěn)定及形變參數(shù)滿足電性能要求，以確保兩個探頭在掃描運行過程中采樣點為同一平面上矩形網(wǎng)格點。兩個探頭與掃描架同步運行，在伺服機構(gòu)的控制和驅(qū)動下，分別完成各自運行區(qū)域的采樣。然后對采樣得到的兩組數(shù)據(jù)進行誤差補償與數(shù)據(jù)處理，然后拼接成同一掃描平面上的近場采樣數(shù)據(jù)，最后根據(jù)近場推遠場的公式計算得到遠場波瓣圖及電性能參數(shù)。
圖2 單掃描架雙探頭垂直雙區(qū)域示意圖
圖3 單掃描架多探頭多區(qū)域示意圖
常用雙探頭垂直雙區(qū)域的測試方法有兩種，具體示例見圖2和3。圖2的雙探頭雙區(qū)域測試可以充分利用現(xiàn)有的暗室掃描架頂部的空間，拓展垂直面掃描區(qū)域，從而滿足垂直面掃描范圍大于現(xiàn)有垂直掃描范圍的需求，具體可以擴展的空間大小，取決于暗室的高度和安裝探頭的結(jié)構(gòu)過渡件的尺寸，這種情況下的結(jié)構(gòu)過渡件尺寸較大，需要優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)過渡件，以確保其結(jié)構(gòu)參數(shù)性能滿足測試過程中采樣點的位置要求。圖3的雙探頭雙區(qū)域測試可以充分將需要掃描的空間分成高度相等的上下兩部分區(qū)域，分別由兩個探頭進行同步采樣完成，這種情況的結(jié)構(gòu)過渡件的尺寸明顯小于圖2情況，其設(shè)計和結(jié)構(gòu)性能容易控制和實現(xiàn)。該方法可以將采樣時間縮短一半。從而提高一倍的測試效率。
該方法也可以擴展至雙探頭水平雙區(qū)域測試。
2.2多探頭多區(qū)域測試
借鑒雙探頭雙區(qū)域方法的原理，可以將整個掃描空域分為采樣面積相等的左、右、上、下四個區(qū)域，分別由四個探頭分別承擔(dān)采樣任務(wù)，最后將采樣數(shù)據(jù)進行誤差分析和數(shù)據(jù)處理，并將四組采樣數(shù)據(jù)拼接成同一掃描平面上的近場采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)近場推遠場的公式計算得到遠場波瓣圖及電性能參數(shù)。但是四區(qū)域四探頭的結(jié)構(gòu)過渡件的復(fù)雜度大大提高，對其結(jié)構(gòu)精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等要求也有所提高，其成本相對雙區(qū)域雙探頭測試法有所提高；但這種測試方法明顯可以節(jié)省四分之三的測試時間。從理論上，更多探頭和更多區(qū)域的測試方法，也可以進行拓展。
3 實例
下面給出一個賦形反射面天線的雙區(qū)域雙探頭測試實例。
3.1測試范圍需求分析
為了保證采樣數(shù)據(jù)的完整性，測出天線的實際方向圖和電性能參數(shù)，需要首先確定天線的采樣范圍。通常，對于一維平面掃描的情況，參見圖4（a），近場測量的取樣面的尺寸L與口徑面尺寸D的關(guān)系如下（d為取樣平面到被測天線口面的距離）：
公式1 近場測量的取樣面的尺寸L與口徑面尺寸D的關(guān)系
通常工程上要求與幅度方向圖副瓣電平誤差≤0.5dB,在此條件下，取樣面的尺寸可按公式2選取。式中，X|E=40dB為低于取樣面中心場強40dB處的位置坐標。
公式2 取樣面尺寸的計算公式
根據(jù)上述理論公式分析，對于被測天線為扇形波束情況，垂直面采樣范圍不低于21米。但是該被測天線不是簡單的扇形波束，而是俯仰面40°范圍內(nèi)的賦形；另外，現(xiàn)有的微波暗室可用凈高為15米左右（水平尺寸可以滿足被測天線需求）。針對現(xiàn)有的測試條件和被測天線需求，確定具體的測試范圍（即圖4（b）中的AA’和BB’），以確保測試數(shù)據(jù)的有效性，這是測試工作的首要前提。
圖4 被測天線采樣范圍圖示
為此對天線取樣范圍采用進行了理論分析，下圖給出了采樣范圍的變化與天線波瓣形狀的對比，根據(jù)下圖可以進行測試有效范圍的分析和確定，并預(yù)測出測試范圍對天線波瓣性能的影響。由下圖可以看出：垂直面采樣范圍在15米左右時，實測數(shù)據(jù)的有效俯仰面范圍為-5°～38°。
圖5 被測天線垂直采樣范圍與波瓣性能對比圖示
3.2測試示例
本例是對被測賦形天線進行雙區(qū)域雙探頭測試，見下圖所示。具體方法是通過對現(xiàn)有暗室的掃描架局部改造，有效利用了掃描架上方的7.8米的空間，實現(xiàn)了垂直面掃描15.18米的范圍；基本滿足了天線對俯仰面測試范圍的需求（見3.1節(jié)）；再將兩個區(qū)域的數(shù)據(jù)（計入幅相補償誤差）進行拼接；最后，將拼接后的近場測試數(shù)據(jù)推算并分析天線的遠場波瓣。
圖6 單掃描架雙探頭垂直雙區(qū)域測試實例及系統(tǒng)框圖
3.3實測結(jié)果及分析
實測結(jié)果見下圖。需要說明的是：采用FEKO6.2進行理論仿真時，未計入實際加工公差和暗室中被測天線左右兩側(cè)其它產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件影響，這些因素對方位面波瓣影響較大，尤其會引起方位副瓣區(qū)域的起伏，而這些因素對天線俯仰面波瓣影響較小。因此，圖7中方位面實測波瓣與FEKO仿真結(jié)果有所出入；而在俯仰面測試有效范圍內(nèi)，俯仰面波瓣實測值和理論仿真值基本吻合。對比結(jié)果表明：該天線測試數(shù)據(jù)有效。該技術(shù)可推廣用于相同測試需求的天線測試。
圖7 天線方位面和俯仰面波瓣實測值與理論值對比
4 結(jié)論與展望
多區(qū)域多探頭測試方法是在現(xiàn)有的暗室資源的基礎(chǔ)上，主要通過對掃描架和探頭部分進行改造實現(xiàn)的。該方法改造成本較低，可以降低測試時間，并可以拓展測試的空間區(qū)域，有效地解決有較大測試范圍需求的天線測試問題。因此，開展多探頭雙區(qū)域測試方法的研究和搭建將具有重要的科研和工程價值。
然而，近場測量系統(tǒng)是個復(fù)雜的系統(tǒng)，對單探頭天線測量有影響的誤差源有18項之多。對于多區(qū)域多探頭測試方法，存在的誤差更多。如何對被測天線采樣平面的近場信息進行正確的計算仿真，合理的給出最小的有效測試范圍，是實現(xiàn)低成本、高效率測試并確保測試有效的首要之沖；另外，如何對多探頭通道的誤差（幅相誤差、探頭一致性誤差、采樣位置誤差）進行仿真評估，最終在數(shù)據(jù)處理時進行合理補償，是一個需要深入研究的問題。這些問題的研究和開展，有助推動天線測試技術(shù)的發(fā)展，在工程上具有降本增效的重要意義。
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