天线近场与远场性能测量比较

作者感谢天线近场实验室的李清杰、刘长伟同志，天线远场实验室的姚岑，杜金民等同志 对此项工作的支持和帮助。
万方数据
天线近场与远场性能测量比较
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钟鹰 西安空间无线电技术研究所,西安,710000
空间电子技术 SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY 2002，(1) 3次
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５．３近场测量结果与理论结果交叉极化性能比较 交叉极化的准确测量是较难的题目，测量中校准不当和场地的影响均会使面目全非。由 万方数据
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于远场测量中地面的影响难以克服以及交叉极化电平低形成的波动和起伏，远场测量图形质 量差。这里不打算给出远场的测量结果。把近场测量结果与理论结果做了比较，如图５、图６ 所示。由图５可以看出交叉极化电平高的地区是在服务区的南北两侧，南部菲律宾地区理论 值一２４ｄＢ，近场测量值为一２２ｄＢ；北部北极圈地区理论和测量值均为一２６ｄＢ，较为符合。图６ 差别就较大，在国土中部理论分析交叉极化很低的地区，却测出了较高的交叉极化一２２ｄＢ，测 量不能非常好地与理论结果吻合。同样用近场测量方法，结果却差别很大，说明测量与极化的 校准有密切关系。为提高对交叉极化的准确度，天线的校准要做更仔细的工作。
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图２
５．２近场测量结果与理论计算结果主极化性能比较 为判断远场与近场在加权区存在有较大差别的原因，把近场测量结果与理论分析结果进 万方数据
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啪０）－Ｍ０萼堂塑掣啪。） 首先扫描被测天线，然后扫描标准喇叭，分别测量两副天线的口面分布场。按公式（２）计
算天线的增益。按公式（２）我们编制了增益处理程序
（２）
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公式中：ＧＳ（足。）是已知标准增益天线的增益
ｂ０（ｐｉ）是被测天线在ｐｉ点的采集信号 ｋ（ｐ１）是标准增益天线在ｐｊ点的采集信号 文乱是扫描间隔
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天线近场与远场性能测量比较
钟 鹰①
（西安空间无线电技术研究所，西安７１００００）
摘要叙述了用一副Ｋｕ赋形反射面天线，把天线近场测量所得结果与远场 测量所得结果进行比较，主极化方向图的一致性说明近场测量的可靠性。与理论分 析也做了比较，说明近场测量结果与理论完全吻合。在交叉极化的测量方面，给出了 与理论值的比较结果，在高交叉极化电平的分布趋势是一致的，但误差较大。天线正 确的校准是减少误差的关键。
主题词天线测量远场近场
１ 前言
现代卫星天线对天线测量技术提出了新的要求。例如对频率复用的卫星天线来讲，对交 叉极化的测量要求达到一３５±２ｄＢ的测量精度。传统的远场测量由于受地面反射波的影响， 难以达到这么高的测量精度。另外，远场测量还受周围电磁干扰、气候条件、有限测试距离、环 境污染和物体的杂乱反射等因素的影响，已经越来越难以适应现代卫星天线的测量要求。新 一代的天线测量技术是以近场测量和紧缩场测量为代表的。近场测量技术利用探头在天线口 面上做扫描运动，测量口面上的幅度和相位，然后把近场数据转换成远场。由于近场测量只需 测量天线口面上的场，就可避免远场测量的诸多缺点，而成为独立的一门测量技术。但近场测 量结果不是直接的远场数据，需通过傅里叶数学变换才能成为远场。于是测量结果可信度曾 引起人们的质疑，对近场测量系统的鉴定和验证就非常必要。１９９６年我所从以色列引进近场
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行了比较。近场测量结果与理论分析结果见图３（下行）、图４（上行）。图中虚线为指标要求 线，实线为近场测量结果，点划线为理论分析结果。可以看出近场测量结果与理论结果符合的 更好，例如图３、图４中加权区，近场结果与理论结果就符合得好。图中低电平线（１５．６ｄＢ）在 马来西亚有一个弯曲，近场结果和理论分析十分一致，说明近场测量误差比远场测量误差小。 远场测量误差大的原因是在远场做口面检测时，Ｋｕ频段的口面指标偏低（见３．２节），尤其是 口面相位差３６。超出指标要求。
３况延香，朱颂春．现代微电子封装技术．四川省电子学会Ｓ姗专委会，印制电路、表面贴装杂志社
４张泽平．卫星转发器微波集成电路基片的软钎焊技术．北京无线电技术研究所 ５李效轩，左艳春，王听岳．Ｔ／Ｒ组件微组装中的压焊技术．电子工艺技术，２１卷第１期 ６严伟．小型化混合集成电路制造技术． ７王听岳．微波电路组装工艺研究．电子工艺技术，２１卷第５期
首先被测天线对准发射天线，接收机记录天线收到的信号电平，然后标准喇叭对准发射天 线，记录喇叭所收到的信号。比较两者之间的差别就可求得被测天线的增益。为消除随机误
５ 测量结果的比较 比较是在汀卫星工作的频带内，分别选取下行和上行的中心频率，按前一节的测量方
法，分别测量了对比天线的主极化的性能和交叉极化的性能。理论分析是用国际上著名的 ＧＲＡＳＰ软件计算的。
近场测量的精度很大程度上取决于扫描架的精度，验收时Ｘ轴的直线度为０．０３７５ｍｍ，Ｙ 轴的垂直度０．０６３５ｍｍ，扫描架的平面度为Ｏ．１３９ｍｍ．在测量软件的控制下，探头最高定位精 度可达０．２５ｍｍ． ３．２远场实验室介绍
远场实验室是９０年代建立起来的半开放测试场。接收端的半开放吸波室其高度１６ｍ．吸 波室内部是８ｍ立方空间，面对发射端的一壁用橡胶薄膜覆盖，其它４个面粘贴吸波材料。吸 波室内有ＳＡ公司的５５２４０三轴转台，由２０８３天线测试仪控制转台和采集数据。天线测量采 用低架法，距离为２５０ｍ，用角锥喇叭做发射。测量前进行了场地检测。检测结果为：Ｃ频段达 到±０．２５ｄＢ性能要求，口面相位差１８。；Ｋｕ频段达到±０．５ｄＢ，口面相位差３６。．
实验室后进行了鉴定和评审，当时对＆娘天线的一块子板进行了远场和近场的：ｉ贝！Ｉ量对比。本
文叙述了Ｋｕ频段反射面赋形波束天线远场和近场的对比，以验证近场测量系统对赋形波束 反射面天线是完全可行的。
２ 比较天线
用于比较用的无线是ｓｒ卫星的Ｋｕ全国波束天线。天线采用偏置反射面型式，口径０． ８ｍ，焦距０．６ｍ。天线是全国波束的收发共用天线，用反射面赋形技术实现对国土的赋形，对 长江以南、云贵高原、台湾海峡等多雨地区实现３．５ｄＢ的加权。反射面由碳纤维铝蜂窝材料
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1.学位论文 汪玉叶 天线方向图测试系统及误差修正研究 2007
设计和选择不同性能的天线对于移动通信系统起着至关重要的作用，而天线的性能必须通过天线测量来评估和验证，天线测量是天线研发中的重要 工作。在天线测量中，最重要的是方向图测量。随着移动通信天线的快速发展，建立一套高性能的天线方向图自动测试系统并实现天线方向图的准确和 快速测量变得越来越迫切。
５．１ 近场与远场测量结果主极化性能的比较
近场测量和远场测量的结果比较在同一张图上，见图１（下行）和图２（上行）。图中虚线 万方数据
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为指标要求线，实线为近场测量结果，点划线为远场测量结果。由图可以看出近场测量结果与 远场测量结果吻合还是不错的，尤其是全国覆盖的指标线，９０％以上的区域符合的相当好，个 别区域不符合值在０．５ｄＢ左右。在低电平的１５．６ｄＢ和１６．１ｄＢ线两者吻合的也不错，说明近 场和远场均可以用来测量天线的方向图。加权区差别就比较明显，近场测量的区域要大于远 场测量的区域。为判断差别造成的原因，让我们看５．２节的比较结果。
４测量方法介绍
４．１方向图的测量
４．１．１近场测量
把对比天线放置在平台上，校准好天线的指向和极化的方向。确定测试距离、扫描范围和
扫描中心位置。以中心为坐标原点，探头以Ｘ轴为步进轴，以Ｙ轴为扫描轴在天线口面上做
扫描运动。接收机按半波长间隔采集数据，所采集的口面场数据存储在文件中。测量结果进
行近场一远场变换，然后绘制在星视地图上。变换所使用的基本公式是：
面。州，＝譬（＿笋）乒ｓ（Ⅺ，ｈ）扩‘‘¨拶）压
（１）
式中 忌——自由空间的波数
ＥＳ（Ｘ“ｓ）——口径面上的场分布 Ｘｓ，Ｙｓ——口径面上的坐标
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Ａ——整个扫描口面 由于引进设备软件与绘图软件的不兼容性，近远场变换程序由我们自己按公式（１）编写完 成。 ４．１．２远场测量 远场测量时，对比天线安装在转台上。代表天线波束指向的望远镜指向发射天线，调整好 天线极化。转台在天线控制器的控制下，做二维的扫描运动。转台俯仰轴做步进轴，上方位做 扫描轴完成方向图的测量。测量结果直接绘制在星视地图上。 ４．２增益测量 无论近场和远场均采用比较法测量增益。这是由于比较法测量把被测天线的数据与标准 喇叭进行比较，从而消除了直接法（近场测量时采用）和绝对测量法（远场测量时采用）所引人 的定标误差，而标准喇叭的增益可以用程序计算出来，其结果与实际值的误差是极小的。
５ 结束语
图１ ２５．２Ｇ比放大器模块电路的实物图
Ｋａ转发器关键工艺技术攻关到目前为止，只是
完成试验件的制作．但距离工程化要求还有距离，后续还有很多工作要做。如为实现微细线条
叉指互连的空气桥的制作及达到工程化要求的微封装工艺研究。还将进行平行缝焊和激光密
封焊接试验；可靠性方面的试验，主要进行管芯焊接剪切力的测试。引线拉力测试，不同材料
（上接第６０页）
６ 结论
对Ｋｕ赋形反射面天线近场测试结果和远场测量结果做了性能比较，近场测量结果还与 理论结果做了比较。对主极化而言三者之间吻合相当好，说明我所的近场实验室和远场实验 室都可以用来对天线性能进行验证测量。而近场测量系统更加稳定可靠，测量精度更高。对 交叉极化而言，远场由于地面影响和信号衰落测量精度低，近场则完全有能力把交叉极化的性 能测准。但目前测量中误差偏大，应对系统校准做更细致工作，使近场测量的准确度更高。
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方位（度） 图５
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Baidu Nhomakorabea 万方数据
方位（度） 图６
（下转第６４页）
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选用铟合金焊料作为主要焊接材料的原因是：铟合金焊料具有较好的焊接性、较高的导电 性能、同时又与被焊材料热匹配好，铟焊料熔点较 低，有较低的液相温度，不同组分具有一定温差，适 合分步焊接。它的良好的塑性对于不同的热膨胀系 数的材料的焊接能起到很好的缓冲作用。同时铟合 金焊料避免了铅锡焊料在较高温度下吃金现象，不 需基片背面镀铜作阻挡层。
波材料层，５个面都挂有吸波材料，地面铺有吸波材料。反射系数指标为一４０ｄＢ。 近场测量设备是由以色列ｏｒｂｉｔ公司引进的并安装在吸波室内。它由平面扫描架、控制系
统、转台、射频系统组成。扫描架有效扫描范围１４ｍ×９ｍ，扫描架有４个运动轴，Ｘ、Ｙ、Ｚ以及 极化轴。Ｘ轴与地面平行，它的两根导轨安放在钢板焊成的箱体上，箱体结构刚度好，从而保 证了Ｙ塔架运动的稳定性。Ｙ轴是垂直塔架，由矩形截面的钢管焊接而成。塔架的整体刚度 足以承受运动中的驱动力。４个轴均采用直流电机驱动，伺服闭环控制方式。Ｘ，Ｙ，Ｚ三个方 向的位置均用旋转式角编码器读出，分辨率为０．００２５ｍｍ．
①研究员 收稿日期：２００１一１２—２１
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做成，用圆锥形紧凑式波纹喇叭馈电。对全国赋形的边缘增益指标为２６．１ｄＢ（上行）和２５． ６ｄＢ（下行），加权区的增益要求为２９．６ｄＢ（上行）和２９．１ｄＢ（下行）。收发采用正交线极化。
３ 比较用的近场和远场实验室
３．１近场吸波室 我所吸波室于８０年代建成。整个吸波室是全屏蔽的，屏蔽性能优于一１００ｄＢ。里层是吸
载体的载体焊环模实验及针对星上产品例行实验标准，对整个模块电路进行振动和温度循环
冲击实验，以期完成适合星上环境要求的小型微波集成电路模块电路的工艺研究。这些工作
都是卫星工程化所必须要做的。
参考文献
１中国集成电路大全．微波集成电路．北京，国防科技出版社 ２李效白编著．砷化镓微波功率场效应晶体管及其集成电路．北京，科学出版社