《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于近場測試的自參考算法
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
杜 艷，楊順平
中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036
摘要： 對于集成度高的天線，必須采用一定的算法才能實現(xiàn)對各個通道的幅度和相位信息準(zhǔn)確有效的檢測，而現(xiàn)有常見的算法（包括近場校準(zhǔn)、FFT算法等）都需要獲得相位信息，因此需要天線對測試提供參考通道。這與天線高集成度相悖，也對天線的設(shè)計，特別是共形天線的設(shè)計提出了更高要求。為解決傳統(tǒng)算法依賴參考通道提供參考相位的問題，并針對高集成度天線常用的近場掃描測試系統(tǒng)，設(shè)計了自參考算法的解決方案并進(jìn)行驗證。試驗表明，采用自參考測試算法進(jìn)行近場測試的測試結(jié)果與傳統(tǒng)帶獨(dú)立參考通道的近場測量系統(tǒng)測試結(jié)果高度吻合。此外，采用自參考測試算法，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測試，對于已裝機(jī)的天線現(xiàn)場測試排故具有重要意義。
中圖分類號： TN98
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190051
中文引用格式： 杜艷，楊順平. 基于近場測試的自參考算法[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現(xiàn)對各個通道的幅度和相位信息準(zhǔn)確有效的檢測，而現(xiàn)有常見的算法(包括近場校準(zhǔn)、FFT算法等)都需要獲得相位信息[1-6]，那么被測天線上就需要預(yù)留參考通道，以提供相位參考。這對天線的設(shè)計生產(chǎn)提出了額外要求，同時對于已經(jīng)裝機(jī)的天線，特別是共形天線[7-14]，無法提供對外接口用作相位參考。這使得傳統(tǒng)的近場測量方案不再適用，本文中提出一種新的近場算法，用于解決高集成天線無相位參考通道的問題，以實現(xiàn)上述天線的測量。

1 基本理論

    近場測量的理論基礎(chǔ)是電磁波傳播中的惠更斯-基爾霍夫原理，基本方法是：首先測量一個包圍被測天線的近場閉合曲面上切線方向場的分布，然后根據(jù)電磁波傳播理論推導(dǎo)該天線遠(yuǎn)場位置場分布，最后推導(dǎo)天線口面場分布。而天線口面場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，將待測天線口徑面置于xoy平面上，在z=d1設(shè)置一個掃描平面，且掃描平面上的切向場分布為Et(x，y，d1)，則天線的遠(yuǎn)場方向圖函數(shù)在球坐標(biāo)系下可以表示為[15-16]：

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    由此可知，在近場掃描測試中，對于天線方向圖的重構(gòu)，需要得到采樣點(diǎn)的相位才能實現(xiàn)。因此在對于無法參考相位的天線的近場測試中，采用基于自參考的近場算法。

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

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

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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 實驗驗證

2.1 實驗系統(tǒng)搭建

    為了驗證本測試方法的正確性，本文進(jìn)行了一次驗證實驗，以一個實際天線為例，采用自參考算法近場掃描的方式進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果與NSI近場測試系統(tǒng)測得的結(jié)果進(jìn)行比較驗證，搭建如圖3所示測試系統(tǒng)。

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    以控制器為控制核心，控制近場掃描架對被測天線進(jìn)行近場測試。掃描架每移動一個位置，控制器將會對幅相接收機(jī)、單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行控制，通過PC記錄下在該位置參考探頭和測量探頭接收到的幅度及相位值。

2.2 實驗結(jié)果分析

    首先，控制近場掃描架，使測量探頭對齊輔助天線(AUT)中心，在該位置下進(jìn)行靜態(tài)采樣，以驗證自參考算法公式（3）的正確性。對PC記錄下的3組參考探頭和測量探頭的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每組數(shù)據(jù)為1 000個，T1分別取100 μs、1 ms和10 ms，將測量探頭測試數(shù)據(jù)與參考探頭測試數(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，由于采用時鐘存在一定的誤差，隨著采樣間隔的拉長，得到數(shù)據(jù)的誤差會逐漸變大，具體誤差結(jié)果見表1。

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    將T1設(shè)定為100 μs，把測試得到數(shù)據(jù)帶入自參考近場算法進(jìn)行處理，得到天線的遠(yuǎn)場三維方向圖如圖5所示。

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    將采用NSI近場測試系統(tǒng)得到的遠(yuǎn)場二維方向圖與采用自參考算法得到的遠(yuǎn)場二維方向圖進(jìn)行比較，其比較結(jié)果如圖6所示。

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    由測試結(jié)果可以看出，自參考測試算法與NSI近場測試系統(tǒng)的測試結(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算法解決了傳統(tǒng)近場測量中需要獨(dú)立參考通道的問題，因為無需額外參考通道，使得測試設(shè)備和被測設(shè)備可以完全獨(dú)立設(shè)計，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)字化天線的近場測量領(lǐng)域，且特別適用于設(shè)備的現(xiàn)場檢測應(yīng)用。

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作者信息:

杜  艷，楊順平

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036)

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