天线近场测试系统概述

一般而言，天线近场测量系统是一套在中心计算机控制下进行天线近场扫描、数据采集、测试数据处理及测试结果显示与输出的自动化测量系统。整个天线近场测试系统由硬件分系统和软件分系统两大部分构成，其系统组成如图1所示。硬件分系统又可进一步分为测试暗室子系统-包括无反射测试室及附属机构，采样架子系统-包括多轴采样架及多轴步进电机、多轴运动控制器、伺服驱动器、近场测试探头、工业控制计算机及外设等，信号链路子系统-包括矢量网络分析仪系统（或者时域信号源及时域接收机）、数据处理计算机及外设等。核心是采样架子系统。软件分系统又包括测试控制与数据采集子系统、数据处理子系统和结果显示与输出子系统三个组成部分，核心是数据处理子系统。

由于每个近场测试系统根据测试功能需求都有各自的特点，统一地介绍近场测试系统而又能够适应于各个不同个体是比较困难的，脱离开某一具体系统要想描述清楚近场测试系统的一般情况也是困难的，因此这里主要以笔者自己单位组建的近场测试系统为背景和样本介绍近场测试系统，特别注意了对一般规律和一般要求的归纳，回避了个性特色的地方，力求使读者能够对近场测试系统的全貌有所了解，而不仅是一个具体实例。笔者自己单位的近场测试系统是以时域测试为基本框架组建的，当然由于时域近场测试是由频域近场测试发展而来的，其系统是可以向下兼容到频域近场测试系统的，实际上也确是如此，在这套系统上是时域测试功能和频域测试功能兼有的，仅是在进行具体测试时根据需求更换测试仪表和测试探头，调整采样控制方式而已，因此这里的介绍是时频域兼具的。此外还要说明的是，天线近场测试系统组建的理论和技术领域已经比较深入和广泛，已经有不少技术文章和专著加以详尽介绍和讨论，鉴于本书的主要宗旨，这里仅是加以初步介绍，本章不可能、也无必要把近场测试系统设计的全部理论和技术完整介绍，有需求的读者可以进一步参考更为深入的资料。

图1天线近场测试系统组成

天线近场测试系统硬件分系统

硬件分系统又可进一步分为测试暗室子系统-包括无反射测试室及附属机构，采样架子系统-包括多轴采样架及多轴步进电机、多轴运动控制器、伺服驱动器、工业控制计算机及外设等，信号链路子系统-包括矢量网络分析仪系统（或者时域信号源及时域接收机）、数据处理计算机及外设等。核心是采样架子系统。

根据执行的是频域测试还是时域测试，硬件分系统存在明显的区别。时域近场测量系统是在频域近场测量系统的基础上发展起来的。时域近场测量系统同频域近场测量系统的不同之处在于信号源、接收设备、探头方面。频域测试系统的信号链路一般以矢量网络分析仪系统为中心组织，测试探头一般选用各个波段标准波导开口天线，而时域系统一般采用窄脉冲发生器作为测试信号源，以采样接收机作为近场测试信号接收设备，在信号源与接收机之间采用外触发同步方式，测试探头则需采用超宽带天线。

测试暗室子系统主要承担着测试系统电磁环境保障的任务；采样架子系统是硬件系统的核心，它的任务是根据用户的设置或指令，带动探头按预设的方式运动，并实时反馈位置和速度信息，在中心计算机的控制下，与信号链路子系统相配合，完成采样任务；信号链路子系统完成信号的产生、传输、辐射、接收和采集。

以笔者单位组建的天线时域近场测试系统为例，其硬件系统组成如图2所示。

1．测试暗室子系统

近场测量通常在暗室内进行。暗室又称为电波暗室，有的暗室又被称为微波暗室、无反射室等。暗室的作用首先是防止外来电磁波的干扰，使测量活动不受外界电磁环境的影响，防止测试信号向外辐射形成干扰源，污染电磁环境，对其他电子设备造成干扰。第二，在暗室中进行测试可以做到保密和避免外来电磁干扰，工作稳定可靠。第三，在暗室这一室内测试环境下执行测试可以做到全天候工作，不受环境因素干扰。

一般电波暗室可分为两类：电磁兼容测试的电波暗室和天线测试电波暗室。

就天线测试电波暗室来说，主要功能是模拟自由空间环境，因此电波暗室的六个面全部粘贴吸波材料，在主反射区粘贴比其他区域性能更优质的吸波材料。在理想状态下暗室各个方向都应无电磁波反射，这是建造天线测试电波暗室的原则。虽然无论设计得多么合理，建造得多么完善，在各个方向上都没有电磁波反射显然是不可能的。因此设计天线测试暗室时，首先需要根据待测天线的口径尺寸、频率范围、辐射特性等设计一个“静区”，静区内的电磁环境应符合待测天线的测试需要。

一般来说，进行天线测试的暗室对电磁屏蔽没有严格的要求，有的甚至不需要单独设计屏蔽体进行屏蔽，直接在墙壁上粘贴吸波材料即可，利用建筑墙壁和吸波材料对电磁波的屏蔽和吸收效果即可满足要求。不过，这当然还要看建造暗室地点的电磁环境如何，电磁环境不同其要求也不一样。如果建造暗室的地点周边电磁环境较差，可能影响到测试结果时，或者在天线测试时辐射功率较大，可能影响到周围的电磁环境时，则需考虑建造合适的屏蔽体进行屏蔽。

图2 时域近场测量硬件系统框图

天线测试暗室其性能要求无统一标准，以屏蔽测试暗室为例，其主要技术指标包括以下若干项。

表1 屏蔽测试暗室的主要技术指标

一般来说频率范围应满足测试需要，在设计的天线测试暗室静区内反射电平值相对主波束电平值低于45dB，横向和纵向场强均匀性优于1.5dB。当然，表1所列出的和前述的指标数值只是一般小型天线测试暗室的性能要求，对于高性能天线、低副瓣天线或者有特殊要求的天线，还应根据实际需要计算设计暗室的性能要求。例如，对于一个测量雷达天线所用的大型微波暗室来说，还需主要考虑吸波材料的功率容量等问题。就暗室规模来说，用于进行远场测试的电波暗室，当然应该考虑暗室空间符合远场测试条件。不过，用于近场测试的暗室其尺寸一般远小于远场测试，基本上只取决于待测天线口径和采样架规模。除此以来，设计天线测试的电波暗室还需考虑包括电源与信号通路、通风、照明、空调、安全与消防等诸多因素。

目前暗室设计已经成为一个独立的研究和应用方向，其专业化和工程化程度都很高，感兴趣的读者可以参看这方面的许多专著。

图3即为一个为近场测量服务的屏蔽测试暗室。该暗室内部贴满屏蔽材料，外部为钢壳六面全包并良好接地，因此该暗室既是一个天线测量暗室又是一个电磁兼容测试暗室。暗室内配备空调、通风口和电源，其中电源的引入需经由电源滤波器。连接暗室内设备的各种电缆通过两个截止波导进入暗室，以防止电磁波的泄漏。暗室内还配备照明设备、烟感探头和视频监视器。

图3屏蔽测试暗室

在时域近场测量的三个硬件分系统中，暗室与传统的频域近场测量所用的暗室相比无甚差别。

2．采样架子系统

采样架子系统是近场测量硬件系统的核心，其主要包含采样架本体和伺服系统两部分。采样架的功能是带动近场测试探头在待测天线近场范围内进行扫描取样，典型的多轴采样架有水平、垂直、伸缩、极化四个自由度，每个自由度可由程序独立控制。

目前绝大多数平面近场测量都采用垂直面采样模式，因为这种模式最易使采样架实现高精度和大的采样范围。垂直面采样模式要求被测天线的口径也是垂直放置的，但在一些特殊情况下，被测天线的口径无法垂直放置（如星载大口径编织型反射面天线在地面测量时其口径只能水平张开，又如一些车载或舰载相控阵天线的口径只能是倾斜的），此时就要求采样架迁就被测天线。目前已开发出了水平面采样架和任意倾斜面采样架，对于任意倾斜面采样架来说（当然其可以进行垂直面和水平面采样），一种高效的设计就是高精度的摇臂和大承载固定面采样架的组合。在这种设计中，原来装载探头的位置用来装载摇臂，摇臂可以在正交的两轴自由旋转，而探头装载在摇臂上。

一个典型的自立式平面近场测试采样架如图4所示。美国NSI公司的两款平面近场采样架如图5和图6所示。

图4自立式平面近场测试采样架

图5NSI300V-6´6采样架

图6NSI300V-18´18采样架

采样架的各轴是在控制系统的统一指挥下按照预定轨迹运动的。举例来说，可以采用PMAC卡构成控制系统的核心。PMAC卡即多轴可编程控制卡，是美国DELTATAU数字系统公司生产的功能强大的运动控制器。借助于Motorola的DSP56001数字信号处理器，它可同时操控8轴，并且每一轴的运动都是独立的，因而可实现多轴联动。PMAC具有的伺服控制功能，20MHz的CPU处理速度，准确平滑的轨迹特性，良好的输入带宽特性，使其优于其他非DSP控制器。

时域近场测试的采样架从结构与机械精度方面也与频域近场测量的采样架相似。

近场测试中的理想探头应该具有弱方向性甚至无方向性、强极化性且前向无零点等特征，典型的近场测试探头采用波导开口天线。例如：用八付开口波导探头覆盖L波段到Ku波段：

—HD-9OEWG开口波导探头0.1～1.2GHz；

—HD-14OEWG开口波导探头1.1～1.8GHz；

—HD-22OEWG开口波导探头1.8～2.6GHz；

—HD-32OEWG开口波导探头2.6～4.0GHz；

—HD-48OEWG开口波导探头4.0～6.0GHz；

—HD-70OEWG开口波导探头6.0～8.0GHz；

—HD-100OEWG开口波导探头8.0～12.0GHz；

—HD-140OEWG开口波导探头12.0～18.0GHz。

从理论上说，时域近场测量所用的探头应与频域近场测量所用的探头不同，除了应具备频域探头所具有的小口径、增益适中、前半空间方向图均匀无零点这些特点外，还应具有超宽带和无色散（或尽量小的色散）特性。图7所示HD-10180DRHA（T）加板双脊喇叭探头是一种时域近场测试超宽带探头的实例，其覆盖频率范围可达1～18GHz。

在本章的前一节已经指出，由于时域探头修正在实际测量中非常困难，所以时域探头应是不需修正就能达到比较高的测量精度，尤其要避免色散修正。但是满足这样要求的天线难以设计，所以时域探头是天线时域近场测量配套技术中一个亟待攻克的难点。目前时域近场测量采样频域近场测量所用的矩形开口波导探头（对于一般的天线来说，开口波导探头的带宽大于被测天线的带宽，故可用），相应地采用时频域结合法进行数据处理，这样探头修正可在频域内完成。

图71~18GHz加板双脊喇叭探头

3．信号链路分系统

对于频域近场测试而言，构成信号链路的核心是矢量网络分析仪系统。在待测天线和探头之间，形成了一个由开放空间联系起来的一个广义二端口系统，对应于每一个采样点，通过矢量网络分析仪测试得到一个参数，遍历到所有采样点后，即可获知待测天线近场扫描面上的近场幅度分布和相位分布。这一矢量网络分析仪系统的设计与远场测试系统非常类似，这里不再赘述。

而对时域近场测试来说，是用一个时域脉冲去激励被测天线，与时域接收设备相连的探头在采样架的带动下在一个采样面上（一般来说是平面）采集被测天线的时域近场，进而利用所采得的时域近场通过近远场变换算出被测天线的远场，以及再通过口面反演算出被测天线的口径场。其中信号链路分系统担负着信号由产生、传输、辐射、接收直至采集的任务。信号链路分系统的框图如图8所示。

图8信号链路分系统框图

在图8中，信号链路的源即为一窄脉冲信号源，信号源的脉冲频谱应能覆盖被测天线的全通带，为了提高信号源输出能量的利用效率，脉冲信号源能有波形设计的能力，即是一个任意波形发生器。但目前市场上宽频带的（达到5GHz以上带宽）任意波形发生器的价格十分昂贵，所以在一般情况下，我们可以退而求其次，采用一种突波发生器作为激励源。突波发生器可以看成是一种粗糙的脉冲信号源，其信号的波形形状不像一般的脉冲信号源一样有明确而又严格的指标，一般只能对其信号幅度和脉冲宽度进行界定，并且其输出波形是单一固定的，只能对其幅度和重复周期进行控制。突波信号源虽然不如脉冲信号源精细，但其同脉冲信号源相比具有脉宽窄幅度高的优点，一个性能稳定的突波信号源可以满足天线时域近场测量的最基本要求。图9便是一个突波信号源的照片。

图9AVH-S-1-B突波信号源

图9所示为AVH-S-1-B突波信号源，其产生的脉冲宽度为130ps，输出电平0～10V可调，脉冲重复频率为1MHz。

因为时域信号源的输出能量是有限的，同时天线近场测量的信号链路中必然包含被测天线到探头之间的自由空间的传播损耗，所以其信号能量是非常宝贵的，因此信号链路中的有线传输部分，应采用优质的低损耗电缆，并尽量缩短传输距离。

信号由被测天线辐射，并由探头在采样面上接收。信号由探头接收后，经由电缆传到时域采样设备的接收端。在图8中，时域采样设备部分标出的是数字示波器和采样示波器两种选择，这两种选择各有各的特点，当数字示波器的带宽能覆盖信号带宽时，数字示波器是。因为数字示波器能在一次触发中采下一个完整的波形，此时基修正技术就能达到比较良好的数据采集效果。同时数字示波器采集数据的时间仅仅是信号在一个触发周期内存在的时间，所以其采样速度很快，显然快速的采样能够支持探头更高的运动速度。此外，由于采集数据的时间短，这使得如果信号源的输出在一个触发周期内是良好的，那么采集的波形就是良好的，这对信号源的压力也是最小。但是同采样示波器相比，数字示波器的带宽远小于采样示波器的等效带宽，目前的数字示波器其带宽能达到20GHz甚至80GHz，且价格十分昂贵。

选择采样示波器作为时域采样设备是一种经济并且在大多数场合下可行的方案。采样示波器工作在一种等效采样方式，如采集的波形由n个时间点构成，则需要信号重复出现n个周期，在每个周期采样示波器只采集信号的一个点，这样n个周期之后即完成了整个波形的采样。同数字示波器相比，采样示波器采集一个波形所用的时间是数字示波器的n倍，当采样的时间点数很多时，探头将不得不采用步进运动的方式采样，即在每一个采样点等待足够的时间以使采样示波器完成采集一个波形的工作。同时采样示波器对信号源的时基稳定性和波形稳定性的要求也是十分苛刻的。采样示波器针对的是干净稳定的重复信号，如果在信号重复n个周期的过程中，信号时基不稳或波形发生变化，就会造成采集波形的错误，即便有时基修正技术（进行时基修正所用的参考通道信号也是由采样示波器接收的）也无济于事。采用采样示波器可以大大降低成本、提高工作带宽，但其付出的是采样效率下降的代价，同时对信号源的压力也大大增加。目前的采样示波器的等效带宽可达80GHz。图10便是一个采样示波器的照片：

图10为TDS8000B采样示波器，该示波器带宽12.5GHz，最小采样间隔可达到1fs。

图10TDS8000B采样示波器

天线近场测试系统软件分系统

软件分系统包括采样控制子系统、数据处理子系统和结果显示子系统三部分，均由中心计算机掌握。采样控制软件子系统包括GPIB卡控制程序和运动卡控制程序。GPIB卡控制天线转台、测试仪表的工作；运动卡控制采样架的运行。数据处理软件子系统在频域功能下包括测试数据编组、数据预处理、近场到远场变换、近场到口径场反演、探头修正与其他误差修正等功能，在时域功能下包括时域信号预处理程序、纯时域近远场变换程序、时域到频域傅里叶变换程序、时基（即相位）修正程序、频域近场重建程序、频域近远场变换程序、频域口径场反演程序、频域到时域傅里叶变换程序。结果显示软件子系统包括三维功能和二维功能两部分。其中三维功能包括三维球坐标显示功能、三维极坐标显示功能和三维直角坐标显示功能，以及三种坐标系下的动画显示功能。二维功能包括二维直角坐标显示功能，二维极坐标显示功能和二维平面显示功能。下面就采样控制软件、数据处理软件和结果显示软件三个子系统分别加以介绍。

1．采样控制软件子系统

自动化的采样系统要求实现用工控机对采样架和发射、接收设备的控制。具体来说，就是通过工控机对插在工控机底板扩展槽上的GPIB卡发送指令，进而控制与GPIB卡相连的测试仪表的工作状态；还有就是通过工控机对插在工控机底板扩展槽上的PAMC卡（多轴运动控制卡）发送运动指令，PMAC卡根据所接收的指令计算出驱动步进电机的脉冲数，进而向控制电机运动的电机控制器（亦称变频器）发送脉冲输出指令，由电机控制器产生出驱动步进电机转动的高功率脉冲，电机转动带动相应的传动设备，由此实现对采样架运动的控制。采样控制软件框图如图11所示。

采样控制程序储存在工控机内，该程序通过某种语言（如VC++等）一方面对GPIB卡编程，控制测试仪表的工作状态；另一方面要生成用户所需要的采样模式的运动指令组并控制PMAC卡。将运动指令转化为脉冲数的工作由PMAC卡内部的程序完成，无需采样控制程序考虑。

以时域测试控制脉冲信号源和数字示波器（或采样示波器）为例，采样控制程序对GPIB卡编程所要实现的基本功能如表2所示。

图11采样控制软件框图

表2 时域测试采样控制程序对GPIB卡编程所要实现的基本功能

在频域测试状态下，采样控制程序对GPIB卡编程所要实现的基本功能如表3所示。

表3 频域测试采样控制程序对GPIB卡编程所要实现的基本功能

采样控制程序对PMAC卡编程所要实现的基本功能如表4所示。

表4 采样控制程序对PMAC卡编程所要实现的基本功能

续表

以时域测试为例，图12即为采样控制软件的主要界面。频域测试与此非常相似。

图12采样控制软件部分界面

图13采样控制软件部分界面（续）

2．数据处理软件子系统

数据处理软件子系统是近场测量系统的核心和灵魂。

频域测试状态下，数据处理功能相对比较单纯，就是完成近场测试数据的排列和编组，进行近远场变换和口径反演，进行各种误差修正，然后输出处理结果。

时域测试的数据处理相对比较复杂，总的来说数据处理软件包含数据预处理、纯时域方法数据处理和时域频域结合法数据处理三部分。由于纯时域数据处理方法对系统噪声和时基精度要求过于苛刻，同时其计算量又过于庞大，所以只用来计算单点的远场时域波形。数据处理的主要任务由时域频域结合法完成。

时域数据处理软件总框图如图14所示。

图14数据处理软件总框图

在图14中采样系统采集的原始信号首先经过数据预处理，将数字示波器（或数字采样示波器）输出的原始数据转化成适合程序处理的格式。这一部分工作到底包含哪些内容要视具体的时域采样设备而定，一般来说应包含有效数据提取，加配时间轴等。此外采样数据排序也要在这一部分完成，因为原始的采样数据是按照探头的运动轨迹排列的，排序就是要为每一个采样点的数据配上空间坐标，并按空间坐标顺序重新排列。然后，数据处理的主要计算任务是由时频域结合的数据处理完成的，其包含一系列基本流程如图15所示。

图15时频域结合数据处理软件框图

3．结果显示软件子系统

在结果显示层面，频域测试与时域测试基本相同。只是时域测试需要额外考虑时域测试结果的显示与输出，因而时域测试的数据显示是兼容包含频域测试的，这里仅以时域测试为例加以简要说明。

时域近场测量技术既能得到被测天线的频域方向图又能得到被测天线的时域辐射场，因此其结果显示软件应包含静态显示和动态显示两种功能。结果显示软件包括三维功能和二维功能两部分。其中三维功能包括三维球坐标显示功能、三维极坐标显示功能和三维直角坐标显示功能；二维功能包括二维直角坐标显示功能，二维极坐标显示功能和二维平面图显示功能。在三维功能中还包括三种坐标系下的动画显示功能。各种结果显示方式的功能如表5所示。

表5 各种结果显示方式的基本功能

续表

图16即为结果显示软件的用户界面，其中三维球坐标系界面中包含静态三维球坐标显示功能和动态三维球坐标显示功能，三维极坐标系界面中包含静态三维极坐标显示功能和动态三维极坐标显示功能，三维直角坐标系界面中包含静态三维直角坐标显示功能和动态三维直角坐标显示功能。

图16结果显示软件的用户界面