《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于近場(chǎng)測(cè)試的自參考算法
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
杜 艷，楊順平
中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036
摘要： 對(duì)于集成度高的天線，必須采用一定的算法才能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)通道的幅度和相位信息準(zhǔn)確有效的檢測(cè)，而現(xiàn)有常見的算法（包括近場(chǎng)校準(zhǔn)、FFT算法等）都需要獲得相位信息，因此需要天線對(duì)測(cè)試提供參考通道。這與天線高集成度相悖，也對(duì)天線的設(shè)計(jì)，特別是共形天線的設(shè)計(jì)提出了更高要求。為解決傳統(tǒng)算法依賴參考通道提供參考相位的問(wèn)題，并針對(duì)高集成度天線常用的近場(chǎng)掃描測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了自參考算法的解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，采用自參考測(cè)試算法進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試的測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)帶獨(dú)立參考通道的近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果高度吻合。此外，采用自參考測(cè)試算法，不需要單獨(dú)的參考通道，適用于高集成一體化天線的近場(chǎng)測(cè)試，對(duì)于已裝機(jī)的天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試排故具有重要意義。
中圖分類號(hào)： TN98
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190051
中文引用格式： 杜艷，楊順平. 基于近場(chǎng)測(cè)試的自參考算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(8)：91-94，98.
英文引用格式： Du Yan，Yang Shunping. Self-reference method of near-field measurement[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(8)：91-94，98.
Self-reference method of near-field measurement
Du Yan，Yang Shunping
Southwest China Insitute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China
Abstract： For high integrated antenna, certain method must be adopted achieve accurate and effective detection of amplitude and phase information of array. However, traditional method (including near-field calibration, FFT, etc.) all need to obtain phase information, so the antenna needs to provide reference channel for testing. This is contrary to the high integration of antenna, and also puts forward higher requirements for antenna designation, especially for the conformal antenna. In order to solve the problem that the traditional method relies on the parameter channel to provide reference phase, a self-reference method is designed for the near-field measurement, a test troubleshooting scenatio commonly used by high integrated antennas. The test results show that the results of the near-field test using the self-reference method are highly consistent with the test results of the traditional near-field measurement system with independent reference channel. In addition, self-reference method, which does not need a separate reference channel, is suitable for the near-field test of highly integrated antenna, which is of great significance for the field test arrangement of installed antenna.
Key words : self-reference method；near-field measurement；high-density；phased array

0 引言

    隨著技術(shù)發(fā)展，天線的集成度越來(lái)越高，很多天線直接將信道集成一起，成為不可以拆離的整體。必須采用一定的算法才能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)通道的幅度和相位信息準(zhǔn)確有效的檢測(cè)，而現(xiàn)有常見的算法(包括近場(chǎng)校準(zhǔn)、FFT算法等)都需要獲得相位信息[1-6]，那么被測(cè)天線上就需要預(yù)留參考通道，以提供相位參考。這對(duì)天線的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提出了額外要求，同時(shí)對(duì)于已經(jīng)裝機(jī)的天線，特別是共形天線[7-14]，無(wú)法提供對(duì)外接口用作相位參考。這使得傳統(tǒng)的近場(chǎng)測(cè)量方案不再適用，本文中提出一種新的近場(chǎng)算法，用于解決高集成天線無(wú)相位參考通道的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)上述天線的測(cè)量。

1 基本理論

    近場(chǎng)測(cè)量的理論基礎(chǔ)是電磁波傳播中的惠更斯-基爾霍夫原理，基本方法是：首先測(cè)量一個(gè)包圍被測(cè)天線的近場(chǎng)閉合曲面上切線方向場(chǎng)的分布，然后根據(jù)電磁波傳播理論推導(dǎo)該天線遠(yuǎn)場(chǎng)位置場(chǎng)分布，最后推導(dǎo)天線口面場(chǎng)分布。而天線口面場(chǎng)分布就是相控陣單元的幅相特性。

    在笛卡爾坐標(biāo)系中，如圖1所示，將待測(cè)天線口徑面置于xoy平面上，在z=d1設(shè)置一個(gè)掃描平面，且掃描平面上的切向場(chǎng)分布為Et(x，y，d1)，則天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖函數(shù)在球坐標(biāo)系下可以表示為[15-16]：

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    由此可知，在近場(chǎng)掃描測(cè)試中，對(duì)于天線方向圖的重構(gòu)，需要得到采樣點(diǎn)的相位才能實(shí)現(xiàn)。因此在對(duì)于無(wú)法參考相位的天線的近場(chǎng)測(cè)試中，采用基于自參考的近場(chǎng)算法。

    假設(shè)近場(chǎng)探頭的掃描曲面為一個(gè)平面β，平面足夠大，使得AUT輻射的電磁波未穿過(guò)掃描平面的部分可以被忽略。測(cè)量時(shí)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，開關(guān)做一次切換，保證測(cè)試探頭和參考探頭都做一次固定時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)發(fā)射，并且開關(guān)切換時(shí)長(zhǎng)固定[17-20]。幅相接收機(jī)收到信號(hào)后，以固定時(shí)間長(zhǎng)度提取測(cè)量探頭發(fā)射的經(jīng)過(guò)AUT接收后收到的信號(hào)，并計(jì)算幅度相位，再以固定的時(shí)間間隔和固定的時(shí)間長(zhǎng)度提取參考探頭發(fā)射的經(jīng)過(guò)AUT接收后收到的信號(hào)，并計(jì)算幅度相位。其時(shí)序構(gòu)成如圖2所示。

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    設(shè)測(cè)試探頭與被測(cè)天線的空間距離為Rn，n=1，2，3，…，N。參考探頭與被測(cè)天線的空間距離為R0，信號(hào)角頻率為ω0，信號(hào)發(fā)射起始時(shí)刻為tn，測(cè)試信號(hào)起始時(shí)刻與參考信號(hào)起始時(shí)刻時(shí)間間隔為T1，k為ω0頻率下的空間波數(shù)，An為測(cè)試探頭位置為n時(shí)測(cè)試探頭發(fā)射到被測(cè)天線的幅度信息，Bn為測(cè)試探頭位置為n時(shí)參考探頭發(fā)射到被測(cè)天線的幅度信息，根據(jù)圖1所示時(shí)序，測(cè)試探頭到達(dá)到天線的信號(hào)為：

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    由式(6)可以看出，由于ω1和T1為常數(shù)，最后得到的幅度相位信息只與測(cè)試探頭的位置相關(guān)，即得到參考相位，從而還原出天線方向圖。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

    為了驗(yàn)證本測(cè)試方法的正確性，本文進(jìn)行了一次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以一個(gè)實(shí)際天線為例，采用自參考算法近場(chǎng)掃描的方式進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與NSI近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，搭建如圖3所示測(cè)試系統(tǒng)。

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    以控制器為控制核心，控制近場(chǎng)掃描架對(duì)被測(cè)天線進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試。掃描架每移動(dòng)一個(gè)位置，控制器將會(huì)對(duì)幅相接收機(jī)、單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)PC記錄下在該位置參考探頭和測(cè)量探頭接收到的幅度及相位值。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    首先，控制近場(chǎng)掃描架，使測(cè)量探頭對(duì)齊輔助天線(AUT)中心，在該位置下進(jìn)行靜態(tài)采樣，以驗(yàn)證自參考算法公式（3）的正確性。對(duì)PC記錄下的3組參考探頭和測(cè)量探頭的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每組數(shù)據(jù)為1 000個(gè)，T1分別取100 μs、1 ms和10 ms，將測(cè)量探頭測(cè)試數(shù)據(jù)與參考探頭測(cè)試數(shù)據(jù)相除，得到結(jié)果如圖4所示。

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    從圖4中可知，由于采用時(shí)鐘存在一定的誤差，隨著采樣間隔的拉長(zhǎng)，得到數(shù)據(jù)的誤差會(huì)逐漸變大，具體誤差結(jié)果見表1。

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    將T1設(shè)定為100 μs，把測(cè)試得到數(shù)據(jù)帶入自參考近場(chǎng)算法進(jìn)行處理，得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)三維方向圖如圖5所示。

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    將采用NSI近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)得到的遠(yuǎn)場(chǎng)二維方向圖與采用自參考算法得到的遠(yuǎn)場(chǎng)二維方向圖進(jìn)行比較，其比較結(jié)果如圖6所示。

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    由測(cè)試結(jié)果可以看出，自參考測(cè)試算法與NSI近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果有較高的重合度，其具體誤差比較如表2所示。

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3 結(jié)論

    本文中的自參考近場(chǎng)算法解決了傳統(tǒng)近場(chǎng)測(cè)量中需要獨(dú)立參考通道的問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)需額外參考通道，使得測(cè)試設(shè)備和被測(cè)設(shè)備可以完全獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此本算法可以應(yīng)用于常規(guī)天線、含有變頻通道的天線和數(shù)字化天線的近場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，且特別適用于設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用。

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作者信息:

杜  艷，楊順平

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036)

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