110 GHz ～170 GHz 天线平面近场测量系统

刘星汛，程先友，黄承祖

（1.北京无线电计量测试研究所，北京 100039；2.防化研究院国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205）

1 引 言

天线平面近场测量［1－3］是根据平面波展开理论，采用一个特性已知的探头，在待测天线近场区的特定口面场进行扫描，采集扫描面上的幅度和相位信息，采用付氏算法［4，5］将近场幅度相位还原成远场辐射方向图。 平面近场测量要求口面场采样点的定位误差为λ／50～λ／100 之间，一般机械扫描架定位精度在（0.02～0.05） mm 左右，目前大部分平面近场测量系统的测量频率在110 GHz 以下，北京无线电计量测试研究所研发了机械臂平面近场天线测试系统［6－8］实现了（110～170） GHz 的天线平面近场校准。

2 天线平面近场测量系统

（110～170） GHz 天线平面近场测量系统示意图如图1 所示，由矢量网络分析仪、毫米波控制器、矢网扩频模块、六轴机械臂系统、六自由度平台和扫描探头等硬件组成。

图1 （110～170）GHz 天线平面近场测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of antenna plane near⁃field measurement system with frequency （110～170）GHz

2.1 射频系统

射频硬件系统由矢量网络分析仪，毫米波控制器以及（110～170） GHz 矢量网络分析仪扩频模块组成，用于发射和接收（110～170） GHz 天线校准所需的电磁波信号。 毫米波控制器将矢量网络分析仪输出的本振信号分为两路，分别输出给发射扩频模块和接收扩频模块。 控制器内部集成放大器，用于调整本振链路上的信号增益，为扩频模块的混频提供适当功率的本振输入信号。 （110 ～170） GHz矢量网络分析仪扩频模块，射频输入频率为（9.1～14.2） GHz，经过12 次倍频，产生（110～170） GHz 射频信号，射频信号输入功率必须满足（8～10） dBm。

2.2 六轴机械臂系统

六轴机械臂系统可以实现六自由度的坐标位置移动，可以自由地实现三维空间的x，y，z 轴方向的平面运动，俯仰、旋转等各种复杂的运动轨迹，从而完成天线近场测量的特定轨迹扫描。

采用激光跟踪仪对机械臂定位精度进行测试验证，将激光跟踪仪的靶标固定在机械臂的前端，激光跟踪仪的主机实时跟踪靶标，如图2 所示，控制机械臂按照设定的轨迹进行平面近场扫描，机械臂每次移动时带动靶标的位置移动，机械臂按步进运动到新的位置稳定后，将机械臂位置回到机械零位，激光跟踪仪捕获到靶标的坐标，记录在SA 软件中，重复6 次，记录6 次机械臂的机械零位。 设置机械臂人工坐标轴，重新调整机械臂到一个固定的位置，将这个位置设为零位，记录此时靶标的坐标。 任意运动机械臂一段时间后，重新让机械臂回到人工零位的位置，记录靶标的位置坐标，重复6 次，记录6 次人工零位的位置，计算标准偏差作为机械臂重复定位误差。 机械臂重复定位在X，Y 方向位置最大偏差均为0.02 mm，满足小于0.035 mm（λ／50）的要求。

图2 激光跟踪仪标定场景图Fig.2 Scene diagram of laser tracker calibration

2.3 软件控制系统

测量软件，控制仪器和六轴机械臂，配合完成平面近场扫描测量，该软件可以调节六轴机械臂每个运动轴的坐标位置并实时显示，可以调节机械臂运动步长、运动速度以及显示机械臂伺服控制系统的开关状态。 天线平面近场测量的核心是近远场变换算法以及探头补偿算法，在软件界面上设置扫描面X 方向上的扫描位置点数，设置扫描步长，软件自动计算出扫描面的大小以及扫描总点数以及所需时长，软件还将实时显示扫描面上近场幅度相位的数据采集进度以及幅度相位的数据曲线，如图3 所示，为天线方向图近场测量后，在后台文件夹里自动生成各个测量频率点的数据表，选择需要显示的频率点将对应的数据表导入软件中，点击画方向图按钮，屏幕上将自动显示方向图曲线。

图3 测量软件界面图Fig.3 Interface diagram of measurement software

3 天线校准实验

3.1 试验布置及参数设置

选择标准增益喇叭天线为待测天线，天线口径为210 mm×170 mm，内径为150 mm ×110 mm，按图4 所示连接矢量网络分析仪，（110～170）GHz 扩频模块。 根据待测天线的口径尺寸，确定天线的近场测试距离为5λ。 如果测试距离太远，为了覆盖所有主瓣能量需要加大扫描面，将导致测试时间加长，如果测试距离太近，天线与探头耦合因素会影响结果的准确性。 因此折中确定天线与扫描探头的正对距离为50 mm，当中心点的幅度比边沿点幅度大30 dB 以上，表示扫描面能够覆盖天线主波束的所有能量，校准参数设置如下：

图4 天线校准示意图Fig.4 Schematic diagram of antenna calibration

1）待测天线类别：喇叭天线

2）测试频率f／GHz：110，140，170；

3）测试距离d／mm：50；

4）测试步进t／mm：0.8；

5）扫描面范围S／mm2：96 ×96；

6）采样点数N：121 ×121。

3.2 试验结果及验证

将探头采集的近场扫描面上采样点幅度和相位进行云图显示，如图5 所示，幅度云图呈现清晰的单峰状，中间场强幅度大，往边沿逐步变小的趋势，相位云图呈现一圈一圈的环状，此特征符合标准增益喇叭天线典型的口面近场特点。 因此，本次测量采集的近场幅度相位数值有效，可以用于近远场变换的远场方向图反演。 从相位近场云图来看，扫描面边缘地区的相位图形呈现马赛克似的模糊形态，是因为随着频率越高，相位测量误差将变大，且这种现象将越来越明显。

图5 扫描面幅度相位分布云图Fig.5 Cloud chart of amplitude and phase distribution on scanning surface

以上近场测量的幅度相位数据文件，通过近远场变换算法得到标准增益喇叭天线的远场方向图，将此图与远场直接测量的天线方向图进行比较，其对比曲线如图6 所示：在（110～170） GHz 频段内，天线主瓣不管在E 面还是H 面平面近场和远场测量结果非常一致，频率低的点副瓣偏差比频率高的点要大，因为天线在频率低时，方向图波束更宽，平面近场扫描面截断误差将导致还原后的副瓣方向图能量部分丢失，因此平面近场还原的方向图副瓣位置准确但在幅度上有一定差别，110 GHz 测量结果的第一副瓣幅度偏差大约0.25 dB，第二副瓣幅度偏差较大，140 GHz 和170 GHz 频点，近场测量的主瓣和第一第二副瓣与远场非常接近。 第三副瓣只有170 GHz 平面近场与远场测量结果相近，频率相对较低的测量差距比较大。 如果要减少平面近场副瓣测量的偏差，就需要采集更大的采样面数据点。

图6 平面近场与远场测量方向图结果对比曲线图Fig.6 Comparison curves of plane near⁃field and far⁃field measurement pattern results

4 结束语

将平面近场测量的天线方向图结果与采用远场方法测量的结果进行比较，主瓣方向图一致性较好，最大偏差0.25 dB 左右，旁瓣由于受平面近场采样面截断误差的影响，方向图越宽，其旁瓣受采样面截断误差影响越大，频率越高方向图越窄，近场测量的反演结果与远场实测结果越接近。 因此，170 GHz比110 GHz 测量的结果更接近远场实测值。 从结果来看，采样面采样点测量相位20 °以内的偏差并不影响近场测量结果，该平面近场天线测试系统能用于（110～170） GHz 频率天线方向图的测量。