平面近场测试中误差的分析

陈玉林， 李辉煌

(孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088)

·工程应用·

平面近场测试中误差的分析

陈玉林， 李辉煌

(孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088)

首先介绍了暗室中主要的误差项，然后通过实际测试的方式，分析了其中四项误差对超低副瓣天线-50dB副瓣的不确定度。结果对超低副瓣天线副瓣的误差分析有一定的参考意义，有助于天线设计师了解超低副瓣天线测试中误差项对副瓣的影响量级。

平面近场测试；误差分析；超低副瓣天线

0 引言

低副瓣尤其是超低副瓣天线的测量技术是国内外学者十分关注的重大课题。天线近场测量技术作为一种将自动化测试与现代分析技术密切结合的方法，具有所获信息量大、测试效率高、测试精度高、可全天候工作、易于保密等一系列的优点，代表着未来天线测量技术的主要发展方向，其研究进展情况一直为广大天线测量工作者所关注。平面近场测量是近场测量技术中研究最早、应用最多的测量方法，已被广泛用于测量天线的远场辐射特性。如今，平面近场测量技术已被用来测量高性能天线以及超低副瓣天线，并且已被证实具有良好的测量精度[1]。

但任何测量技术都不可避免地会受到这样或那样的误差源的影响，从而导致测量结果必然会存在着或多或少的误差，平面近场测量技术也不例外[2]。为了保证平面近场测量的测量精度，必须找出影响它的误差源并对各误差源所产生的误差进行分析，以便给出定量化的结果。本文基于上述要求，主要分析了平面近场测试中的四项误差项对超低副瓣天线-50dB副瓣影响的不确定度。

1 平面近场测试中的误差项介绍

影响平面近场天线测量的误差源可归结为18项，大致可分为四大部分，即探头误差、测量系统的误差、测试环境的误差及随机误差。

在平面近场测量系统中的18种误差项为[3]：

1)探头相对方向图；2)探头极化比；3)探头或标准增益喇叭增益；4)探头对准误差；5)归一化常数；6)阻抗失配因子；7)被测天线对准误差；8)采样间距；9)有限面截断；10)探头XY位置误差；11)探头Z位置误差；12)探头与被测天线的互耦；13)接收机幅度线性；14)系统相位误差；15)接收机动态范围；16)微波暗室杂散；17)泄漏和串扰；18)随机误差。

确定方向图不确定度的常规方法是改变一个参数，比较它引起的方向图变化。这种变化可以通过误差/信号比来表示。误差/信号比与不确定度(Uncertainty)之间的关系如下[4]：

不确定度= ±20lg(1-10(误差/信号比)/20) (dB)

误差/信号比= 20lg(1-10不确定度/20) (dB)

对于常规天线的平面近场测量，18项误差源中的多项误差源所产生的误差对天线远场方向图的主瓣和副瓣的测量精度影响不大；而对于超低副瓣天线平面近场测量，几乎每项误差源所产生的误差都不可忽略，为了保证测量精度，必须对各项误差源所产生的误差进行严格的误差分析。本文主要通过实际测试的方式分析了18项误差的5～8项，下文给出具体分析结果。

2 不确定度分析

实验测试进行于某大型微波暗室，首先对天线进行测试，得到天线的远场方向图，然后基于远场方向图对每项误差进行分析，其中测试得到的远场方向图如图1所示。

图1 主极化和交叉极化远场方向图

1)归一化常数

归一化常数是近远场变换中的常数值，这项误差只影响增益，在用直接法计算天线增益时需要精确的考虑，但计算天线远场方向图时可以忽略，所以对副瓣没有影响，如表1所示。

表1 误差项5

2)阻抗失配因子

阻抗失配因子是由探头或标准增益喇叭与馈电网络之间阻抗的不完全匹配，以及天线与馈电网络之间阻抗的不完全匹配等引入的。假如测得的阻抗为复数形式，则失配损耗的不确定度是非常小的[5]。

失配损耗

此项对副瓣没有影响，如表2所示。

表2 误差项6

3)被测天线对准误差

此项误差主要为被测天线在方位、俯仰和极化等方向的架设误差。被测天线在方位和俯仰上的误差对天线方向图不产生直接影响，它将影响天线波束指向的测量精度。对于在极化向的误差，用精密仪器测得极化的偏差为φ=0.01°，它对交叉极化的抑制为20 lg (sinφ)=-75.2dB，由测得天线方向图(图1)分析计算得到，副瓣区域的误差均方根为-59.75dB，因此误差/信号比=-75.2-59.75-(-50)=-84.95dB，不确定度为0dB。如表3所示。

表3 误差项7

4)采样间距

当采样间距不满足采样准则或者在有用采样区域出现干扰信号时，就会产生混叠误差。一般来说，采样间距需要稍微小于λ/2。采样间距引起误差的情况主要有2种。

①插值法引起的误差

FFT变换得到的远场数据均匀地分布在k空间。远场方向图是通过在k空间进行插值而得到的。插值产生的误差是关于FFT空间的密度和范围的函数。密度和范围通过在FFT中补零的方式来控制。在测试范围外补充的零值越多，则k空间的栅格越稀疏。这是由于近场数据的栅格密度与k空间的范围是成反比。对于同样的补零范围，k空间的范围越大，则k空间的栅格越稀疏。对于不同的补零范围，在原理上说，会有不一样的方向图精度。

插值法引起的误差可以通过改变不同的补零范围来评估，可以分别取补零后采样点数为512×512和1024×1024，得到2组方向图，对它们进行比较。不同的插值点数对副瓣几乎没有影响，可以忽略不计。

②采样间距不同引起的误差

为了评估此项误差，把不同采样间距所测得的数据进行比较。可以将采样间距分别为0.48λ与0.24λ的2组测量数据进行比较，如图2所示。

图2 0.48波长与0.24波长

对图2中副瓣区域误差曲线求得其对-50dB副瓣误差/信号比为-25dB，则不确定度为0.5dB。如表4所示。

表4 误差项8

消除采样间距误差可以采用减小采样间距的方式，但其代价是牺牲了测试时间。

3 结束语

针对平面近场测试中的误差，本文通过实际测试的方式分析了其中四项对-50dB副瓣的不确定度，并给出最终结果。可以看出，误差项归一化常数、阻抗失配因子及被测天线对准误差对副瓣没有影响，而采样间距对副瓣影响较大，对-50dB副瓣不确定度为0.5 dB。结果表明进行超低副瓣测试时，在不牺牲过多测试时间的前提下，应尽量减小采样间距，以提高副瓣测试精度。■

[1] 倪育才.实用测量不确定评定[M].北京:中国计量出版社，2012.

[2] 林洪桦.测量误差与不确定度评估[M].北京:机械工业出版社，2009.

[3] 李勇.平面近场天线测量误差分析[J].电子测量与仪器学报，2010，24(11)：987-992．

[4] 吴石林.误差分析与数据处理[M].北京：清华大学出版社，2010.

[5] Yaghjian AD.Techniques for reducing the effect of measurement errors in near-field antenna measurements [R].Nat.Bur.stand.Internal.Rep., 2011：83-1689.

Analysis of errors in PNF measurements

Chen Yulin， Li Huihuang

(Key Laboratory of Aperture Array and Space Application，Hefei 230088，Anhui，China)

The main errors in chamber are introduced firstly. Then, the uncertainty of -50dB sidelobe caused by the four errors in chamber is obtained by the means of actual measurements. The results have some reference meaning to the error analysis of ultra-low sidelobe antenna, and can help the antenna designer to know the effect of errors on the sidelobe in ultra-low sidelobe antenna measurements.

PNF measurements；error analysis；ultra-low sidelobe antenna

2017-06-18；2017-07-22修回。

陈玉林(1982-)，女，高工,主要研究方向为微带天线技术与平面近场测量技术。

TN971；TN965+．2

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