平面近場測試中誤差的分析

陳玉林， 李輝煌

(孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

·工程應(yīng)用·

平面近場測試中誤差的分析

陳玉林， 李輝煌

(孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

首先介紹了暗室中主要的誤差項，然后通過實際測試的方式，分析了其中四項誤差對超低副瓣天線-50dB副瓣的不確定度。結(jié)果對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)計師了解超低副瓣天線測試中誤差項對副瓣的影響量級。

平面近場測試；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量技術(shù)是國內(nèi)外學(xué)者十分關(guān)注的重大課題。天線近場測量技術(shù)作為一種將自動化測試與現(xiàn)代分析技術(shù)密切結(jié)合的方法，具有所獲信息量大、測試效率高、測試精度高、可全天候工作、易于保密等一系列的優(yōu)點，代表著未來天線測量技術(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量工作者所關(guān)注。平面近場測量是近場測量技術(shù)中研究最早、應(yīng)用最多的測量方法，已被廣泛用于測量天線的遠(yuǎn)場輻射特性。如今，平面近場測量技術(shù)已被用來測量高性能天線以及超低副瓣天線，并且已被證實具有良好的測量精度[1]。

但任何測量技術(shù)都不可避免地會受到這樣或那樣的誤差源的影響，從而導(dǎo)致測量結(jié)果必然會存在著或多或少的誤差，平面近場測量技術(shù)也不例外[2]。為了保證平面近場測量的測量精度，必須找出影響它的誤差源并對各誤差源所產(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測試中的四項誤差項對超低副瓣天線-50dB副瓣影響的不確定度。

1 平面近場測試中的誤差項介紹

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

在平面近場測量系統(tǒng)中的18種誤差項為[3]：

1)探頭相對方向圖；2)探頭極化比；3)探頭或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭增益；4)探頭對準(zhǔn)誤差；5)歸一化常數(shù)；6)阻抗失配因子；7)被測天線對準(zhǔn)誤差；8)采樣間距；9)有限面截斷；10)探頭XY位置誤差；11)探頭Z位置誤差；12)探頭與被測天線的互耦；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/信號比來表示。誤差/信號比與不確定度(Uncertainty)之間的關(guān)系如下[4]：

不確定度= ±20lg(1-10(誤差/信號比)/20) (dB)

誤差/信號比= 20lg(1-10不確定度/20) (dB)

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

2 不確定度分析

實驗測試進(jìn)行于某大型微波暗室，首先對天線進(jìn)行測試，得到天線的遠(yuǎn)場方向圖，然后基于遠(yuǎn)場方向圖對每項誤差進(jìn)行分析，其中測試得到的遠(yuǎn)場方向圖如圖1所示。

圖1 主極化和交叉極化遠(yuǎn)場方向圖

1)歸一化常數(shù)

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

表1 誤差項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

此項對副瓣沒有影響，如表2所示。

表2 誤差項6

3)被測天線對準(zhǔn)誤差

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

表3 誤差項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)干擾信號時，就會產(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)場數(shù)據(jù)均勻地分布在k空間。遠(yuǎn)場方向圖是通過在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。這是由于近場數(shù)據(jù)的柵格密度與k空間的范圍是成反比。對于同樣的補(bǔ)零范圍，k空間的范圍越大，則k空間的柵格越稀疏。對于不同的補(bǔ)零范圍，在原理上說，會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)零范圍來評估，可以分別取補(bǔ)零后采樣點數(shù)為512×512和1024×1024，得到2組方向圖，對它們進(jìn)行比較。不同的插值點數(shù)對副瓣幾乎沒有影響，可以忽略不計。

②采樣間距不同引起的誤差

為了評估此項誤差，把不同采樣間距所測得的數(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組測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖2所示。

圖2 0.48波長與0.24波長

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

表4 誤差項8

消除采樣間距誤差可以采用減小采樣間距的方式，但其代價是犧牲了測試時間。

3 結(jié)束語

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

[1] 倪育才.實用測量不確定評定[M].北京:中國計量出版社，2012.

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

[3] 李勇.平面近場天線測量誤差分析[J].電子測量與儀器學(xué)報，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,主要研究方向為微帶天線技術(shù)與平面近場測量技術(shù)。

TN971；TN965+．2

： A