天线相位中心测量

喇叭天线相位中心的测试方法
史够黎
（中国电子科技集团公司第39研究所 西安710065）
摘要 本文介绍了运用远场相位比较法[1]和近场移动参考点法，测量C / X 双频段光壁喇叭天线的相位中心，讲述了如何根据相位方向图寻找喇叭天线的相位中心并对对误差来源进行了分析，将测试计算结果与软件仿真结果进行比较，两者完全一致。

关键词 喇叭天线 相位中心 相位比较法 移动参考点法
Reserch on Phase Center Measurement of Horn Antenna
shigouli
（The 39th Rserch Institute of CETC xi ’an710065）
Abstract: The paper introduced how use comparison method in far field and the changing reference poind method in near field to reserching phase center of C/X tow band horn. Based on the measured of the horn ’s phase patten detailed how to reserching the phase center of horn antenna . The measurement resule and simulationg were filtted extracttly.
Keywords: Horn Antenna Phase center comparison method hanging reference poind method
1概述
喇叭天线作为反射面天线的馈源，需要精确测定相位中心位置，使天线可获得最佳相位照射效率。

天线相位中心测量一般采用转台旋转比较法，还可以采用近场测量，通过近远场转换移动参考点测量法进行测量，测量中不移动天线实际位置，而使用测试系统软件虚拟移动参考点，计算出参考点位移值。

本文运用转台旋转比较法和移动参考点测量法，对C / X 双频段光壁喇叭天线的相位中心进行了测量。

2测量原理
天线的远场辐射方向图可以表示为[2]
(,)ˆ(,)jkr j u e E e r
ψθϕθϕ-=E u （1） 式中(,)u θϕE 为幅度方向图，(,)ψθϕ为相位方向图，2/k πλ=为波数。

若天线上或邻近区域内存在某点以它为参考点的(,)ψθϕ为常数，则该点为天线的相位中心。

对于绝大多数天线来说并没有这样一个点，但一般总可以找到某个点，以它为参考点在一个远场截面的主瓣范围内相位函数为常数，定义此点为该截面的相位中心。

当天线参考点偏离测量系统原点时，对于新参考点的远场表达式为
[(,)]ˆ(,)jk j k u e E e ψθϕθϕ---=-r r'
r'r E u r r' （2）
式中，r'为新参考点在测量坐标系的矢径，可用下式表示
ˆˆˆ'sin cos sin sin cos x y z θϕθϕθ=∆+∆+∆r x y z （3）
(),,x y z ∆∆∆为新参考点在测量坐标系中的坐标位置。

因此新参考点对应的相位方向图函数可进一步表示为
'(,)(,)(sin cos sin sin cos )k x y z ψθϕψθϕθϕθϕθ=-∆+∆+∆ （4）
若计算出x ∆、y ∆、z ∆使'(,)ψθϕ等于常数，则坐标(),,x y z ∆∆∆为相位中心位置[3,4]。

考虑到天线远场某一截面的相位中心一定在该截面内，所以一般只需要计算相位中心两维坐标位置即可，另一维坐标设为0。

因此天线H 面和V 面的相位方向图函数可分别表示为
'()()(sin cos )H H k x z ψθψθθθ=-∆+∆ (5)
'()()(sin cos )V V k y z ψθψθθθ=-∆+∆ (6)
式中，()H ψθ，()V ψθ，'()H ψθ，'()V ψθ分别为测量坐标系和新参考点坐标系下天线H 面和V 面的相位方向图。

3相位中心的测量
要计算喇叭天线的相位中心，首先要获得相位方向图的测试数据。

本次测试的喇叭天线为X/C 双频段光壁喇叭，采用NSI2000天线近远场测量系统进行测量。

3.1、远场比较法测相位中心
将喇叭天线放置在远场转台上，把理论计算得到的喇叭天线相位中心和转台的旋转中心重合，将喇叭天线调平。

假设该喇叭天线的照射角为-20°至20°，我们选择-30°至30°的旋转范围，测量转台旋转中心到喇叭天线口面的距离为870mm ，信标天线到喇叭天线口面的距离为10米。

进行一次扫描，得到一组测试数据。

1、由于测试中得到的相位数据范围限定在-180°至180°的范围内，实测相位方向图中有时会有360°的相位跳变，把测试结果跳变处的低端相位数值均加上360°，使相位函数成为连续曲线。

2、绘出其远场相位方向图如图1—线所示（以6.2GHz H 面方向图为例）。

从图可以看出其相位从-20°至20°依次滞后，这说明喇叭天线相位中心不存在纵向偏移，只有横向偏移。

测试过程中转台顺时旋转角度值增加，测试时转台先逆时针偏开-30°，然
后从-30°扫到30°，据此可以判断出喇叭天线的相位中心偏右（站在馈源后面），需要向左移动，向左移动后再次扫描得到远场相位方向图如图1— -线所示。

据图判断移动的距离不够，需要继续向左移动，经过多次移动最终得到的H面远场相位方向图如图2ψθ函数值在-20°至20°的范围内角度差很小，此纵向距离为喇—线所示。

式（5）'()
H
叭天线相位中心在测量坐标系内的位置。

测量转台旋转中心到喇叭天线口面的距离为879mm,即为实际测试的喇叭天线相位中心的位置。

图1 远场H面相位方向图图2 调整后的H面和V面方向图实际测试中不可能每次都能把喇叭天线放置到理想位置，特别是对于频率比较高的天线对尺寸灵敏度较高，很难放置到合适的位置，在测试过程中还有以下情况出现：1）、相位方向图如图3所示，从-20°到20°依次超前，相位中心位置偏向馈源左边（从馈源后面看），需向右边移动。

图3 相位中心偏左方向图 图4相位中心纵向偏移方向图
2）、相位方向图如图4—线所示，能流波前开始收缩，在距离镜面一段距离后又向外扩散，这种情况说明相位中心只存在纵向偏移不存在横向偏移，相位中心位置（以旋转中心为参考点）离得远即偏向喇叭后边，需向前边移动。

反之相位方向图如图4— -线所示，能流波前一直不断扩展，相位中心位置离得近即偏向喇叭前边，需向后边移动。

3）、相位方向图如图5—线或如图— -线所示，则相位中心既有横向偏移又有纵向偏移，需将馈源进行前后左右多次调整，直到得到比较平坦的相位方向图为止。

3.2近场相位中心的计算
将喇叭天线在近场安装好，测量探头到被测件距离为0.163米，以喇叭天线口面为几何中心近场扫描，获得近场数据，通过近远场转换得到远场相位方向图。

相位中心计算的关键是移动参考点使式（5）、（6）中'()H ψθ和'()V ψθ的函数值在-20°至20°的范围内为常数，此时的(),,x y z ∆∆∆为喇叭天线相位中心在测量坐标系内的位置。

近场测试相位中心的计算是通过软件自带的宏命令进行后处理，可以得出相应频点(),,x y z ∆∆∆的的具体数值。

在完成一次扫描后无需移动天线实际位置，只要在软件后处理程序中输入新参考点的坐标，即可获得天线在新坐标系中的相位
方向图。

1、如图3所示的空间坐标系，以被测天线（AUT ）指向探头
方向为波的传播方向，定义为Z 轴的正方向，将探头口面所在
平面内Z 轴所在点定义为零点。

XOY 平面为天线口径所在平面。

2、该宏命令是以XOY 平面内探头中心为（0，0）点，喇叭天
线中心偏移探头中心的位置为（y x ∆∆,），先计算出（y x ∆∆,）的值，然后根据相位方向图计算出z ∆的值。

3、通过宏命令计算出的远场相位中心位置为X center = -9.144076E-03, Y center =
9.110021E-03, Z center = -1.035207，即为(),,x y z ∆∆∆的位置。

在近远场转换对话框中输入此参数，绘出远场H 面相位方向图如图6—线所示，V 面相位方向图如图6— -线所示。

由于探头到被测件的距离为0.163米，故而实际测试的相位中心为－0.882米。

Y X 图3 空间坐标系 0 Z
图5 相位中心既有横向又有纵向偏移图6近场测量相位方向图4结果比较及误差分析
采用远场测试所得喇叭天线相位中心的位置和软件仿真结果以及近场测试结果相比较，如下表1所示：喇叭天线H面和V面相位中心的远场测试结果和仿真结果以及近场测试结果对比表，比较可知远场比较法相位中心测试值与仿真值最大相差0.009米，近场移动参考点法测试值与仿真值最大相差-0.002米。

远场测试误差由于喇叭来回移动，测量精度等于尺子的测试精度0.001米。

近场测试中移动坐标位置均在软件后处理程序中进行，不会造成移动误差，所以相位中心位置在测试坐标系中的测量精度等于测试系统探头的控制精度0.001毫米。

测量中最主要误差因素为测量探头至天线口面的距离时产生的测量误差，提高这一距离测量精度后，近场相位中心测量计算精度将进一步提高。

表1 相位中心测试结果比较表
5结束语
远场相位比较法适合频率较低，重量较轻的喇叭天线相位中心的测量，测试过程中需要来回移动喇叭天线位置，测量误差大。

近场移动参考点法几乎适合所有喇叭天线相
位中心的测量，测试过程中不移动喇叭天线实际位置，采用软件进行后处理，测试起来比较方便并且测量误差小。

本文介绍的如何根据相位方向图寻找喇叭天线的相位中心位置，节约了我所工程测试时间，提高了工作效率，同时该方法也适用于抛物面天线副面的调整。

参考文献
[1] 林昌禄，聂在平，肖笃墀. 天线工程手册. 北京：电子工业出版社，2002：1223-1225.
[2] 唐璞，李欣，王建. 计算天线相位中心的移动参考点法. 成都：电波科学学报，2005，20(6)：725-728.
[3] 尚军平，傅德民，邓颖波. 天线相位中心的精确测量方法研究. 西安：西安电子科技大学学，2008，35(4)：673-677.
[4] 沈民宜，蔡镇远. .卫星通讯天线、馈源、跟踪系统. 人民邮电出版社。