基于天线时域平面近场测试的误差分析

张效月 李翠萍 田园

摘要：近场测试因其保密性高、测试距离短等优点在天线测试中被广泛应用。但是，由于天线时域近场测试技术对误差体系研究的缺失，导致测试结果的不确定度分析一直无法完成。基于此，本文针对时域平面近场测试技术进行误差分析，在给出误差项后，对误差的产生机理进行了讨论，通过仿真和实测给出了误差对测试结果的影响。

关键词：时域；近场测试；误差分析；不确定度分析

1、天线时域平面近场测试误差

时域近场测试导致的误差包括以下误差项：信号源稳定度误差、时间采样间隔误差、时间采样长度误差。因为时域测试的激励信号是一个持续时间很短的高斯信号，信号的幅值和触发时间在每一次激励时都会有变化，每一次的信号变化都是独立的，时域信号的幅值和相位的稳定度都要远远低于频域测试的激励信号，所以在时域测试中时域激励信号的幅值和触发时间还有脉宽会对测试结果产生影响，而这三项误差组成了信号源稳定度误差。时间采样间隔误差也是时域测试的独有误差，在频域测试中采样点的空间采样间隔需要满足奈奎斯特采样定律，采样间隔要小于最小波长的一半，而在时域测试中，对信号的采样间隔也需要满足奈奎斯特采样定律，时间的采样间隔要小于最高采样频率倒数的一半，或者说信号采样率（时间采样间隔的倒数）要大于采样频率的二倍，否则采样信號的频谱会发生混叠。三项误差的最后一项误差是时间采样长度误差。因为时域激励信号是周期信号，通过触发信号控制采样示波器进行信号采集，如果采样信号时间过长会导致采集到下一周期的信号，而如果采样时间过短会导致信号采集不完整，过长或过短都会影响时域信号完成度和信号的频域信息。

2、误差机理研究及结果影响分析

2.1信号源稳定度误差

信号稳定度的误差可以归纳为两部分原因：激励信号源的不稳定及采样设备的不稳定。首先时域近场测试采用的信号源大多是脉冲发生器，通过晶体振荡产生得到的是一个近似的高斯脉冲信号，因为这是一个脉冲信号，所以这种信号的稳定度远远低于稳态的频域信号，同时由于信号源要在极限工作状态运转，信号的幅值、脉宽和触发时间都会变得不稳定，在信号源工作较长时间后这种误差会非常大，这样会造成接收信号的变形，严重地影响测试结果。另外，为了对信号进行修正，需要建立信号源与采样设备之间的参考信道，根据参考信道得到的信号来进行修正，对采样接收设备来说，即使输入相同的信号，接收到的信号也会由于各项误差发生变化，这两个方面的误差组合起来就是信号的稳定度误差。

由于对采样信号和激励信号是同时采集的，这样激励信号的变化和采样设备的误差可以通过对参考信道的激励信号的修正来完成对采样信号的修正。这是对时域采样信号进行信号源不稳定造成的误差修正的前提。

2.2时间采样间隔误差

时域测试的时间采样间隔误差包含两类误差：第一类是指在对时域信号进行采集时所采用的时间采样间隔的选取，第二类是指对时域信号进行采样时由于仪器自身误差导致的采样点的漂移。第一类误差是时域测试独有的误差，是在某一空间采样点上进行时域采样时的时间步长，即采样示波器的采样间隔。在频域测试中，空间采样间隔要小于奈奎斯特的抽样间隔即Δλ≤1/（2λmin）。而在时域测试中，除了空间采样间隔需要继续遵循这一原则外，时间的采样间隔即信号的分辨率也要进行考虑。根据用信号样本表示连续时间信号的抽样定理，应小于奈奎斯特抽样间隔，即Δt≤1/（2fmax），其中fmax为测试频带的最高频率。这样将采集得到的时域信号进行频域频谱分析时，不会出现频谱重叠，没有混叠误差存在。而当时间采样间隔过大时就会发生频谱重叠，产生混叠误差。在实际测试中不能被接受，导致10GHz采样率计算结果的误差的主要原因是接收机为数字采样示波器，在进行采样时示波器的采样率并不能完全保证精确达到要求的采样率，所以采样率在满足奈奎斯特采样定律的下限时，有可能实测信号中的采样点没有满足采样率，从而导致计算结果出现误差。

当测试过程中的时域采样间隔Δt发生漂移时，也会导致最终的测试结果存在误差。这个漂移误差就是第二类时间采样间隔误差项。采样示波器在进行采样时，信号采样间隔为固定值，但是实际采样间隔有一定误差，这样会导致采样信号产生误差，进而影响最后的测试结果。这类误差对测试结果的影响体现在对信号进行频域计算时，需要对时域信号进行离散傅里叶变换，采样点间隔和对应采样数值决定了频域信号的幅值相位，采样示波器的采样点间隔误差会导致采样信号幅值相位的错误，进而导致频域结果的误差。由于信号的频域信息是通过傅里叶变换得到的，时间点对应频域上的频点，时间采样间隔误差在频域上会造成在对应频点处的频谱信息的误差，影响时域信号的频域信息。第二类误差属于系统的随机误差，可以参照类似频域误差项进行测试得到误差导致的不确定度，在采样示波器灵敏度很高时甚至可以忽略不计。在实际测试中，对时间采样间隔即信号采样率的选取并非越高越好，上面的计算是在没有噪声等干扰信号的情况下得到的，在实际测试中，当信号长度一定时，采样率越高，采样信号中的噪声对正确的采样信号的影响会越严重，同时第二类时间采样间隔误差对信号的影响也会越明显，因此时间采样间隔的选择需要综合考虑仪器的性能以及采样信号的时间长度。

2.4采样时间长度误差

时域近场测试最后的一项误差就是采样时间长度误差。因为时域测试的信号是一个连续信号，不同于频域的点频采样，时域采样信号需要完整地将信号采集，就需要一定的信号采集时间，采集时间过长，会将下一个周期的采样信号采集进来，而采集时间过短则会无法采集到完整信号波形。所以采样时间长度误差的实质是采样时间长度的上限和下限对采样信号造成的影响采样时间长度的上限就是前面所说的采集到下一周期信号的第一个信号点，在这个长度之内的采样信号时间长度理论上来说都是可以的。但是在实际测试中待测天线的辐射信号长度是一定的，采样时间长度越长，采集的信号的数据越大，会影响计算效率，采样的结果也会包含越多的系统噪声，在计算远场区方向图时会影响计算结果的准确性，所以需要根据采样信号的信噪比来选择时间的最长采样长度。因此在实际测试中时间采样长度应尽量选取完整信号长度，避免因为信号采样长度过短或者过长导致结果出现较大的误差。

3、结语

本文通过参考频域近场测试中误差项的分类及分析过程，给出了时域近场测试技术在具有频域测试技术的误差项外，还具有的四个独有误差项：探头调制误差、信号源稳定度误差、时间采样间隔误差、时间采样长度误差。在给出这四项独有误差项后，分别在机理上给出了误差产生的原因及误差对测试结果造成的影响，并通过仿真和实测的方式给出了在理想情况下的结果和包含误差项时的结果的对比。下一步工作是在明确误差项后对各个误差项进行定量分析并进行误差修正，给出误差不确定度分析。

参考文献：

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