暗室近場(chǎng)測(cè)試誤差源分析及工程診斷應(yīng)用

席文群 翁永軍

（南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039）

由于近場(chǎng)測(cè)量的高精度、全天候工作和保密的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外普遍采用近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)來確定天線的特性[1]，但由于各種原因會(huì)帶來較大誤差，導(dǎo)致暗室測(cè)量結(jié)果的不確定性。如果誤差超過一定范圍，可能會(huì)歪曲測(cè)量結(jié)果，工程上可通過重復(fù)測(cè)量或者改變測(cè)量條件及環(huán)境來進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)外有大量文獻(xiàn)對(duì)各種誤差提出誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，通常需要?jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行量化修正來實(shí)現(xiàn)[2]。為提高平面近場(chǎng)測(cè)量精度，本文從工程應(yīng)用角度提出如何解決各類誤差帶來的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確問題，并通過對(duì)某典型線陣系統(tǒng)的近場(chǎng)測(cè)試的幅相誤差展開分析和討論，結(jié)合仿真結(jié)果給出誤差診斷思路及工程解決方法。

1 天線近場(chǎng)測(cè)試原理及誤差源簡(jiǎn)介

近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)龐大復(fù)雜，它的工作原理是將被測(cè)天線作為發(fā)射天線，用一小型接收天線即探頭在被測(cè)天線口徑面附近測(cè)量其場(chǎng)的分布，經(jīng)電纜送入接收機(jī)（矢網(wǎng)）獲得探頭所在處的幅相值，利用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出天線方向圖。測(cè)試的工作原理如圖1 所示。

就近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)而言，對(duì)天線測(cè)試結(jié)果有影響的誤差有二十多項(xiàng)，根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）研究的誤差預(yù)估現(xiàn)狀分析，平面輻射近場(chǎng)測(cè)量的主要誤差源為18 項(xiàng)[3]，大致分為四類：探頭誤差、機(jī)械掃描定位誤差、測(cè)量系統(tǒng)誤差、測(cè)量環(huán)境誤差。從研究結(jié)果可得出各誤差源對(duì)天線副瓣所產(chǎn)生的誤差數(shù)量級(jí)，其中部分誤差源所產(chǎn)生的誤差對(duì)天線測(cè)試影響不大。對(duì)于低副瓣天線系統(tǒng)測(cè)量來說，根據(jù)國(guó)外研究水平給出的18 項(xiàng)誤差數(shù)據(jù)的量級(jí)可知影響比較大的是：探頭與待測(cè)天線間的多次反射誤差，接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍誤差，探頭定位誤差和系統(tǒng)隨機(jī)幅相誤差。

2 測(cè)試誤差源分析及工程定位方法

圖1：天線近場(chǎng)測(cè)試原理

圖2：幅度誤差對(duì)副瓣影響仿真結(jié)果

圖3：相位誤差對(duì)副瓣影響仿真結(jié)果

下面從上述四類誤差進(jìn)行分析，討論其產(chǎn)生的誤差源，通過改變測(cè)量條件或環(huán)境定性分析，通過工程驗(yàn)證提出相應(yīng)的解決方法。

2.1 多次反射誤差

由于多次反射誤差與探頭天線、待測(cè)天線、微波暗室的電特性都有關(guān)，難以從理論上嚴(yán)格地進(jìn)行建模分析補(bǔ)償。

從工程應(yīng)用角度，可將這三個(gè)相關(guān)要素進(jìn)行隔離分析，即探頭天線尺寸、探頭和待測(cè)天線間的距離、暗室特性。為了減小探頭與待測(cè)天線之間的多次反射，可減小探頭天線尺寸、增加探頭和天線間的距離、使用有效的吸波材料來遮擋掃描區(qū)域來消除誤差。工程上，探頭尺寸在測(cè)試時(shí)是固有不變的，待測(cè)天線的擺放位置隨架設(shè)狀態(tài)存在一定偏差，首先確保待測(cè)天線與探頭的平面度要求，可嘗試將探頭向后移一段距離，降低探頭與待測(cè)天線的耦合度，通過對(duì)比法進(jìn)行多次測(cè)試，分析測(cè)試指標(biāo)是否仍存在不穩(wěn)或隨機(jī)變動(dòng)的現(xiàn)象。暗室環(huán)境中吸波材料的擺放和遮擋區(qū)域的變動(dòng)也是其中的變量因素，在工程調(diào)試和測(cè)試中，應(yīng)確保吸波材料完全遮擋掃描區(qū)域，同時(shí)在地面選擇合適的距離鋪設(shè)吸波材料降低反射誤差。

圖4：電纜回路幅相數(shù)據(jù)

圖5：電纜幅相抖動(dòng)對(duì)副瓣的影響

2.2 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍引入的誤差

接收機(jī)在它的動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)，會(huì)引起近場(chǎng)幅相測(cè)量的誤差。當(dāng)接收機(jī)在低電平工作時(shí)，由于測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍小會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)噪聲誤差，這種噪聲電平對(duì)弱信號(hào)的干擾疊加使得誤差在低電平狀態(tài)下一般比較大，影響天線測(cè)量精度。

工程上采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來采集探頭接收的信號(hào)，測(cè)試時(shí)，一般采用高性能儀表作為接收設(shè)備，排除儀表性能下降或損壞的因素，不同型號(hào)儀表對(duì)測(cè)試性能影響微乎其微。另外，考慮到采集信號(hào)能量較弱的問題，可在探頭和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間插入一個(gè)同頻段的低噪聲放大器，觀察能否改善測(cè)試的副瓣指標(biāo)進(jìn)而排查低電平影響。

2.3 探頭定位誤差

理想情況下，掃描面是完全平直的，而且沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)給定點(diǎn)的位置信息也是精確固定的，但實(shí)際工程中由于采樣架導(dǎo)軌面的平面度誤差、導(dǎo)軌直線誤差以及掃描過程中系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差和控制誤差的存在，可能導(dǎo)致探頭定位不準(zhǔn)，造成掃描面與預(yù)定的掃描面之間有誤差。這等效于線陣的單元位置誤差，這樣會(huì)破壞傅里葉變換取樣點(diǎn)間距分布的要求，從而導(dǎo)致形成的待測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)圖存在誤差，直接影響測(cè)試的副瓣電平精度。

由于測(cè)試系統(tǒng)中的伺服控制系統(tǒng)隨著溫度、濕度的改變可能會(huì)產(chǎn)生變化，工程上一般采用光學(xué)干涉儀精確測(cè)量坐標(biāo)并進(jìn)行定位修正，每隔一段周期對(duì)掃描架運(yùn)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，以保證其機(jī)械誤差在指標(biāo)范圍內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)確保伺服系統(tǒng)定位精確，位置采樣準(zhǔn)確，排除探頭定位帶來的測(cè)試問題。

2.4 系統(tǒng)隨機(jī)幅相誤差

在影響平面近場(chǎng)測(cè)量精度的各種因素中, 相位誤差主要是由電纜擺動(dòng)和接頭旋轉(zhuǎn)造成的[4]，電纜擺動(dòng)帶來的相位誤差給天線的測(cè)量( 特別是超低副瓣和頻率較高時(shí)) 造成很大的誤差,這種誤差主要是射頻信號(hào)從探頭經(jīng)電纜傳輸?shù)浇邮諜C(jī)（矢網(wǎng)）所引起，由于探頭掃描采樣過程中傳輸電纜運(yùn)動(dòng)、彎曲會(huì)帶來附加的幅度和相位變化，從而產(chǎn)生系統(tǒng)幅相誤差，造成測(cè)試精度降低，一般情況下，電纜運(yùn)動(dòng)對(duì)信號(hào)幅度影響不會(huì)太嚴(yán)重，但對(duì)相位影響比較顯著。

有些工程應(yīng)用中通過引入新的器件和元件來對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償修正，如文獻(xiàn)[5]中提到利用分頻器和倍頻器件在有擺動(dòng)的電纜段降低頻率來降低電纜擺動(dòng)的影響實(shí)現(xiàn)減小相位誤差的方法，文獻(xiàn)[6]中利用定向耦合器來對(duì)相位誤差進(jìn)行修正，在實(shí)際應(yīng)用中，由于新元件的引入也會(huì)引入新的誤差，這些都要按照泄漏誤差進(jìn)行處理。

前面我們定性分析了前三種誤差的工程解決措施，針對(duì)最后一種隨機(jī)幅相誤差，重點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)誤差仿真、定量分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 隨機(jī)幅相誤差模擬仿真

幅相誤差對(duì)副瓣電平有重要的影響，通過用MATLAB 語言編寫計(jì)算程序，對(duì)某典型線陣的幅相隨機(jī)誤差對(duì)天線方向圖和副瓣電平的影響進(jìn)行仿真。

根據(jù)等距的線陣方向圖函數(shù)：

式中，f1(θ)為單元方向圖，Ai、pi分別為第i個(gè)單元的幅度、相位，d 為單元間距，θ 為輻射方向與線陣法線的夾角。采用FFT 方法計(jì)算線陣的波瓣，假定幅度誤差和相位誤差獨(dú)立存在，分別進(jìn)行模擬。程序中通過引入隨機(jī)分布的幅相隨機(jī)誤差，改變隨機(jī)誤差的起伏度，對(duì)同一條線陣進(jìn)行仿真，得出整個(gè)頻帶內(nèi)的最大副瓣電平曲線。

（1）假定相位理想無誤差，天線單元幅度加均勻隨機(jī)誤差（隨機(jī)函數(shù)rand）（±0.1dB、±0.2dB、±0.3dB、±0.4dB、±0.5dB、±1dB），由于誤差是隨機(jī)的，因此每次仿真結(jié)果均有不同，如圖2所示。

（2）假定幅度理想無誤差，天線單元相位分別加隨機(jī)誤差（±1°、±2°、±3°、±4°、±5°、±8°） ，仿真結(jié)果如圖3 所示。

每次仿真時(shí)，近場(chǎng)幅相隨機(jī)誤差的分布都是不同的，就多次仿真結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，天線幅度、相位誤差越大，副瓣的總誤差越大，且相位誤差對(duì)副瓣的影響較大。在幅度誤差超過±0.5dB、相位誤差±5°的數(shù)量級(jí)以上時(shí)，副瓣電平產(chǎn)生1 ～2dB 及以上的浮動(dòng)，這在實(shí)際測(cè)試時(shí)是不允許的。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

工程實(shí)驗(yàn)中選取系統(tǒng)隨機(jī)幅相誤差最主要的產(chǎn)生因素：傳輸電纜運(yùn)動(dòng)、彎曲會(huì)帶來附加的幅度和相位變化。誤差分析和診斷過程中可將輸入和輸出電纜進(jìn)行對(duì)接，使測(cè)試系統(tǒng)通過電纜互聯(lián)與矢網(wǎng)形成閉環(huán)回路。通過定位精確，位置采樣準(zhǔn)確的伺服控制系統(tǒng)控制電纜運(yùn)動(dòng)，判定電纜的幅相穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)測(cè)試回路進(jìn)行診斷分析。觀察測(cè)試電纜實(shí)際運(yùn)行完全程時(shí)的幅相數(shù)據(jù)，如圖4 所示出某頻點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

由上圖可看出，幅度變化1dB 左右，相位變化范圍較大，達(dá)到16°以上。對(duì)于這樣數(shù)量級(jí)的幅相抖動(dòng)，我們通過計(jì)算機(jī)模擬可看出它對(duì)副瓣電平的影響，圖5 是正常情況下測(cè)試時(shí)和分別引入±0.5dB 隨機(jī)幅度值、±8°隨機(jī)相位值時(shí)的最大副瓣電平分布圖：

該仿真結(jié)果表明，電纜的相位抖動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響副瓣電平指標(biāo)，整個(gè)頻帶內(nèi)最大副瓣電平由-32.2dB 變?yōu)?29.3dB，變化范圍較大。經(jīng)過多次仿真發(fā)現(xiàn)，每次副瓣電平的最大值都不同，而且對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)也不一樣，這與模擬的結(jié)果也相吻合。

基于以上分析，電纜的幅相不穩(wěn)定直接影響副瓣電平不穩(wěn)定，尤其是相位抖動(dòng)對(duì)副瓣影響更大。因此對(duì)于近場(chǎng)測(cè)試時(shí)電纜運(yùn)動(dòng)造成的相位大范圍抖動(dòng)是不允許的，為了減小電纜運(yùn)動(dòng)造成的系統(tǒng)隨機(jī)幅相誤差，工程上一般選取性能好、高品質(zhì)的穩(wěn)相電纜，結(jié)合合理的電纜走線，有效減小該誤差對(duì)測(cè)試造成的影響。

暗室測(cè)試時(shí)，電纜不可避免地會(huì)會(huì)受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、震動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力的長(zhǎng)期作用，電纜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和相位隨著環(huán)境和時(shí)間推移會(huì)產(chǎn)生變化，由此，為了排查電纜抖動(dòng)及性能影響，工程上可以將整個(gè)測(cè)試電纜回路對(duì)接，通過儀表測(cè)試觀察回路的幅相變化范圍得出實(shí)際測(cè)試時(shí)電纜相位抖動(dòng)量級(jí)，從而進(jìn)行指標(biāo)影響的定量分析，這對(duì)于工程上各類天線的近場(chǎng)測(cè)試分析也通用。

5 總結(jié)

天線的高性能測(cè)試依賴于穩(wěn)定可靠的測(cè)試系統(tǒng)和良好的測(cè)試環(huán)境，除了理論計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償修正之外，工程上對(duì)于主要的誤差都有相應(yīng)的解決辦法，文中結(jié)合主要誤差源的系統(tǒng)因素和隨機(jī)因素，給出具體的解決措施，對(duì)于生產(chǎn)、調(diào)試具有一定的借鑒作用，為工程應(yīng)用提供思路。