暗室近場測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）

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

國內(nèi)外有大量文獻(xiàn)對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)行量化修正來實現(xiàn)[2]。為提高平面近場測量精度，本文從工程應(yīng)用角度提出如何解決各類誤差帶來的測量結(jié)果不準(zhǔn)確問題，并通過對某典型線陣系統(tǒng)的近場測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 天線近場測試原理及誤差源簡介

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

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

2 測試誤差源分析及工程定位方法

圖1：天線近場測試原理

圖2：幅度誤差對副瓣影響仿真結(jié)果

圖3：相位誤差對副瓣影響仿真結(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，通過改變測量條件或環(huán)境定性分析，通過工程驗證提出相應(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，可將這三個相關(guān)要素進(jìn)行隔離分析，即探頭天線尺寸、探頭和待測天線間的距離、暗室特性。為了減小探頭與待測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，探頭尺寸在測試時是固有不變的，待測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，降低探頭與待測天線的耦合度，通過對比法進(jìn)行多次測試，分析測試指標(biāo)是否仍存在不穩(wěn)或隨機(jī)變動的現(xiàn)象。暗室環(huán)境中吸波材料的擺放和遮擋區(qū)域的變動也是其中的變量因素，在工程調(diào)試和測試中，應(yīng)確保吸波材料完全遮擋掃描區(qū)域，同時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：電纜幅相抖動對副瓣的影響

2.2 接收機(jī)動態(tài)范圍引入的誤差

接收機(jī)在它的動態(tài)工作范圍內(nèi)，會引起近場幅相測量的誤差。當(dāng)接收機(jī)在低電平工作時，由于測量的動態(tài)范圍小會產(chǎn)生隨機(jī)噪聲誤差，這種噪聲電平對弱信號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，測試時，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，不同型號儀表對測試性能影響微乎其微。另外，考慮到采集信號能量較弱的問題，可在探頭和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間插入一個同頻段的低噪聲放大器，觀察能否改善測試的副瓣指標(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)動時給定點的位置信息也是精確固定的，但實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，這樣會破壞傅里葉變換取樣點間距分布的要求，從而導(dǎo)致形成的待測天線遠(yuǎn)場圖存在誤差，直接影響測試的副瓣電平精度。

由于測試系統(tǒng)中的伺服控制系統(tǒng)隨著溫度、濕度的改變可能會產(chǎn)生變化，工程上一般采用光學(xué)干涉儀精確測量坐標(biāo)并進(jìn)行定位修正，每隔一段周期對掃描架運(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試問題。

2.4 系統(tǒng)隨機(jī)幅相誤差

在影響平面近場測量精度的各種因素中, 相位誤差主要是由電纜擺動和接頭旋轉(zhuǎn)造成的[4]，電纜擺動帶來的相位誤差給天線的測量( 特別是超低副瓣和頻率較高時) 造成很大的誤差,這種誤差主要是射頻信號從探頭經(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、彎曲會帶來附加的幅度和相位變化，從而產(chǎn)生系統(tǒng)幅相誤差，造成測試精度降低，一般情況下，電纜運(yùn)動對信號幅度影響不會太嚴(yán)重，但對相位影響比較顯著。

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的電纜段降低頻率來降低電纜擺動的影響實現(xiàn)減小相位誤差的方法，文獻(xiàn)[6]中利用定向耦合器來對相位誤差進(jìn)行修正，在實際應(yīng)用中，由于新元件的引入也會引入新的誤差，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，針對最后一種隨機(jī)幅相誤差，重點進(jìn)行隨機(jī)誤差仿真、定量分析及實驗驗證。

3 隨機(jī)幅相誤差模擬仿真

幅相誤差對副瓣電平有重要的影響，通過用MATLAB 語言編寫計算程序，對某典型線陣的幅相隨機(jī)誤差對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，對同一條線陣進(jìn)行仿真，得出整個頻帶內(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，近場幅相隨機(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)量級以上時，副瓣電平產(chǎn)生1 ～2dB 及以上的浮動，這在實際測試時是不允許的。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

工程實驗中選取系統(tǒng)隨機(jī)幅相誤差最主要的產(chǎn)生因素：傳輸電纜運(yùn)動、彎曲會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)行對接，使測試系統(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，判定電纜的幅相穩(wěn)定性，對整個測試回路進(jìn)行診斷分析。觀察測試電纜實際運(yùn)行完全程時的幅相數(shù)據(jù)，如圖4 所示出某頻點的測試數(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。對于這樣數(shù)量級的幅相抖動，我們通過計算機(jī)模擬可看出它對副瓣電平的影響，圖5 是正常情況下測試時和分別引入±0.5dB 隨機(jī)幅度值、±8°隨機(jī)相位值時的最大副瓣電平分布圖：

該仿真結(jié)果表明，電纜的相位抖動會嚴(yán)重影響副瓣電平指標(biāo)，整個頻帶內(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，而且對應(yīng)的頻點也不一樣，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，尤其是相位抖動對副瓣影響更大。因此對于近場測試時電纜運(yùn)動造成的相位大范圍抖動是不允許的，為了減小電纜運(yùn)動造成的系統(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，有效減小該誤差對測試造成的影響。

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

5 總結(jié)

天線的高性能測試依賴于穩(wěn)定可靠的測試系統(tǒng)和良好的測試環(huán)境，除了理論計算進(jìn)行補(bǔ)償修正之外，工程上對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。