近场天线测量综述外文翻译资料

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近场天线测量综述

ARTHUR D. YAGHJW, IEEE 高级会员

摘要：本文在简要介绍了近场天线测量的发展史后，从理想探针在任意表面上扫描开始，到任意探针在平面、圆柱面和球面上的扫描，分别给出了带探针校正和不带探针校正的近场天线测量理论。作为对理想探针表达式的一种轻微修改，对所有三种测量几何形状都引入了探针校正。应用采样定理确定所需的数据点间距，讨论了有效的计算方法及其计算机运行时间。回顾了定义典型平面近场测量设备精度的主要实验误差来源，指出了目前平面、圆柱和球面近场扫描的局限性。

I. 近场扫描简史

天线近场测量方法的发展可以方便地分为四个阶段：无探头修正的早期实验阶段(1950-1961)、第一次探测修正理论的发展阶段(1961-1975)、第一次理论实施的阶段(1965-1975)、在技术变革时期(1975-1985年)，在这个时期全世界建造了50台甚至更多的近场扫描仪。

A.无探头修正的早期实验阶段（1950-1961）

可能第一个近场天线扫描仪是由空军剑桥研究中心的Barrett和Barnes[1]在1950年前后建造的“自动天线波前绘图仪”。尽管Barrett和Barnes没有尝试从测量的近场数据中计算远场方向图，但他们获得了微波天线前方相位和振幅变化的全尺寸图。(用Barrett和Barnes波前绘图仪在10波长反射面天线前测量的相位和振幅等值线图)。Woonton测量了衍射孔径的近场，并在他1953年的论文中进行了批判性的研究，该假设认为探针中的感应电压是测量的电场强度。Richmond和Tice于1955年用空气和介质填充的开口矩形波导探头测量微波天线的近场，并将计算的远场与直接测量的远场进行了比较。对于X波段的奶酪天线，Kyle (1958)将直接在远场范围内得到的远场图样与由开口圆波导测量的近场振幅和相位计算出的远场图样进行了比较。Gamara(1960)将直接测量的远场图样与在X波段激发的三种不同线源的近场振幅和相位数据计算的图样进行了比较，在线源的主光束和第一旁瓣上获得了很好的一致性。1961年，Clayton，Hollis和Teegardin根据近场分布的幅度和相位计算了14波长直径反射面天线的主要远场E平面方向图。他们获得了与主光束和前几个旁瓣的直接远场测量较好的一致性。

B．探头修正理论（1961-1975）

早期的所有实验工作基本上都假设探针测量了近场中电矢量或磁矢量的矩形分量。一些早期的理论著作应用了近似修正因子用来说明测量探针的有限尺寸和近场距离，早期的所有实验工作基本上都假设探针测量了近场中电矢量或磁矢量的矩形分量。1961年Brown和Jull用柱面波函数扩展测试天线的场，但用平面波来表征探针，给出了二维探针修正问题的严格解决方案。然而，直到1963年Kerns报告了他的平面波分析，三维探针修正问题的第一个严格和完整的解决方案才成为可能。科恩斯的国家标准局(NBS)专论，提供了“天线和天线的平面波散射矩阵理论——天线相互作用”的综合论述，这是平面近场扫描理论的权威著作。事实上，Kerns首创的严格的三维探针校正将现代近场天线测量与不太精确的、未经探针校正的近场测量区分开来，后者可能是在麦克斯韦发表他的《电与磁》后不久制定的。

佐治亚理工学院的Leach和Paris于1973年将探头补偿圆柱近场扫描扩展到三维。他们用柱面波函数描述了探头和测试天线的特性，发展了理论，提出了采样标准，并在开槽波导阵列上进行了测量以验证他们的技术。后来，Borgiotti使用探针的平面波表示(如Brown和Jull的原始论文中所述)，和Yaghjian使用汉克尔函数的联合渐近展开，直接从圆柱扫描探针的远场导出近似探针校正，接近简单的平面探针校正。

球坐标下近场扫描的探头修正透射公式是由丹麦科技大学(TUD)的Jensen于1970年推导出来的。但是，在在1974-1975年Wacker和1975年Jensen发表出版之前，在实际应用中不能“反卷积”得到测试天线所需的球面模式系数。这些出版物表明，使用对称测量探头可以通过正交性进行反卷积。关于(Ф，0)的球面旋转函数，Wacker也提出了用快速傅里叶变换来计算有问题的theta;积分，Lewis和Larsen有效地实现了这一方案。在丹麦科技大学的Larsen的论文很好地描述了使用探头校正的球形近场天线的测量结果。

Wood开发了一种替代的球形扫描技术，它使用惠更斯探针，对假设的局部平面波场进行采样。最近，Yaghkin和Wittmann在传统矢量球面波的基础上，导出了一个简化的经探针修正的球面透射公式。利用矢量球面波的正交性，可以反卷积出不含旋转和平移加法函数的另一种传输公式。Yaghkin还提出了一种直接计算theta;积分的方法。

C．理论实施阶段（1965-1975）

1965年，在美国国家标准局进行了第一次经探头修正的近场测量，使用车床在96个波长的角锥喇叭前扫描，辐射频率为47.7 GHz。在此后的十多年里，经过探头校正的近场扫描仅限于NBS和GIT的平面和圆柱扫描，而这两个地方的近场测量是在1968年前后开始的。在此期间，这两个实验室对平面近场扫描逐渐成熟，对工作频率在1 GHz以下到60 GHz以上的定向天线进行了相对常规的测量。应用抽样定理确定数据点间距，采用有效的计算方法，安装了计算机控制的自动传输测试天线和探头。用激光精确测量了探针的位置，并给出了上限理论，并进行了实验和计算机模拟误差分析。表一列出了在国家统计局测量过的一些有代表性的天线。

D．技术变革时期（1975-1985）

近场测量的发展似乎预示着特殊设计天线的出现不太适合在常规远场范围的测试。在最初十年的发展过程中，近场天线的测量局限于NBS和GIT的实验室。在过去十年中，人们的兴趣更加广泛，包括私营工业，但更常见的是测量某些天线近场的技术的必要性促使世界各地建造了50个甚至更多的近场扫描设施。大部分工业使用上述平面、圆柱或球形扫描方法，但喷气推进实验室(JPL)除外，该实验室在极坐标网格上获取平面近场数据，而不是在通常的矩形网格上。与柱面扫描一样，平面极坐标扫描要求探头仅在一条直线轨迹上移动。

如果认为对近场测量设施的兴趣和扩散完全源于对近场技术的科学价值的客观评价，那是天真的。通过近场扫描精确表征天线所需的理论、测量和计算机编程比传统的远场测量要广泛得多。因此，尽管这些技术有其优点，但每当可以应用更熟悉的远场技术时，就会自然而然地避免使用近场技术。最近人们对近场测量的兴趣主要是由于现代的、特别设计的天线的发展而引起的，这些天线不容易在传统的远场范围内测量。这些天线包括：瑞利距离很大的大天线，不适合现有或现有的远场范围；物理上的大天线，在传统的天线架上很难旋转；阵列天线有许多单元，可以通过近场扫描方便地进行访问；反射面天线，面板可以通过测量近场相位来精确对准；毫米波天线，特别是在恶劣的天气环境中，可能会有很高的大气噪声以及被吸收，需要广泛的远场幅度(也可能是相位)数据的具有复杂远场方向图的天线；具有改进和规定的极化特性的天线；在某些旋转或温度和湿度变化下承受高应力和应变的精密天线；可能需要在受控环境中进行平衡和测量，必须在发射模式下测量的非互易天线，因此可能不便于测量。传统的远场范围，必须在安全环境中测量的分类天线；需要现场生产或现场测试的天线；高频飞机天线(3-30 MHz)，其自由空间方向图的场干扰直接在远场测量(圆柱形扫描已被应用于此类由RADC的D.E.Warren和Griffiss AFB制造的高频天线)；最后是侧瓣太低而无法在常规远场范围内精确测量的天线。

表一：国家统计局测量过的一些有代表性的天线

在远场范围内测量小于-30dB的近内旁瓣的需求是很大的。例如，Hansen指出，需要至少6Dsup2;/lambda;的远场距离才能以Taylor模式测量-49dB的第一旁瓣，以达到l dB的精度。Grimm提出了利用平面近场测量准确确定超低副瓣天线方向图的可能性，并由Newell等人进行了验证。该探头的正向为空(从而过滤了测试天线的主波束)。 (格林提到了哈德勒斯顿的文章提出了使用“零探针”进行超低旁瓣测量的基本思想。)。

近场测量也被用于对齐大型扫描相控阵天线的波束形成器的复杂过程。特别地，Patton通过对复阵列因子(远场除以阵元方向图)的傅里叶变换来计算阵列的激励系数，其远场是根据平面近场测量计算的。通过将阵列引导到两个或两个以上的位置，并记录每个位置的近场数据，得到阵列因子的整个基波周期。通过在阵列的测量过程中引导阵列并计算控制的远场方向图的峰值，也可以从平面近场测量中评估单元模式。

图一、一些已经存在的近场设备

II. 近场理论

合理地理解近场测量的理论是一个成功的近场天线测量计划的先决条件。虽然不是每个参与近场天线测量的人都需要精通该理论，但团队中至少应有一名成员掌握了近场测量所依据的理论公式和多才多艺的知识。

上述参考文献构成了一个重要的参考书目，从中可以研究平面、圆柱或球面近场理论。一些额外的参考资料可能会有帮助。Kerns对包括平面近场扫描和外推技术的翻译用于声学传感器测量的天线的平面波散射矩阵理论的教学发展。在电信中，也应该参考平面近场分析的简述。GIT的综述论文应用Lorentz互易定理而不是散射矩阵方法导出了探针补偿的平面透射公式。最近，Appel-Hansen对平面、圆柱和球面近场测量的理论给出了一个有用的观点，他提供了一个统一的矢量波表示法，并采用了Yaghkin的源散射矩阵方法。

对于在自由空间中有效地计算任意定向和分离的两个天线的相互近场耦合的方法，也有一定的参考价值。在给定两个天线的复杂远场的情况下发展了这一理论，并分别描述了计算它们在横轴和径向上相互耦合(或场)的两个计算机程序。在计算机上的时间与天线的电尺寸的平方成正比。这种沿径向轴跨越整个菲涅耳区域的天线耦合的快速计算是由于满足齐次标量波动方程的互耦函数。

图二、辐射天线外场

A．辐射天线外场

图2描绘了辐射天线的外场通常被划分的区域。天线以线性系统的形式辐射到自由空间，具

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