近場天線測量探頭天線的選擇

隨著毫米波和亞太赫茲頻譜新應用的不斷增長，新型天線的研發和制造也日趨繁榮。這樣對低成本、精確天線測量系統的需求也隨之增加。射頻和微波的天線暗室的造價對許多系統開發人員來說往往是高昂或難以承擔的。因此天線設計的驗證和驗收測試通常采用第三方的暗室來完成。這樣就造成高昂的測試費用和長時間的等待周期。然而由于毫米波和亞太赫茲頻段的高頻特性，相對天線的口徑較小，因此天線測試暗室的占地面積也相對較小，這樣使建造適用于產品研發和生產測試的天線暗室變得合理可行。

目前占地面積較小的天線測試暗室通常有近場測試系統和間接遠場（緊縮場）測試系統。這類暗室被稱為小尺寸天線測試系統。本文在提及（緊縮場）測試系統的同時，主要集中探討近場測試系統的一些需要關注的問題，以及不同探頭天線如何影響其測量速度和數據質量。

緊縮場測試系統通常使用大型反射天線或天線陣列向被測天線（AUT）投射平面波測試信號。發射天線保持靜止，而被測天線則在方位角和俯仰角上旋轉。只要發射天線向被測天線投射真正的平面波，發射源就會有效地等價地置于被測天線的遠區，即使其實際物理位置在近場區域。在緊縮場測試系統內，AUT和發射天線之間信號路徑上傳輸的功率與AUT的遠區增益成正比。因此，緊縮場測試系統提供了一種在小尺寸暗室中獲取天線參數的直接測量方法。不過，緊縮場測試系統的設計和建造是有一定難度的，而且它們的測量精度往往會受到各種因素的影響和限制。在毫米波和亞太赫茲頻率范圍，其中一些影響因素變得更加難以控制。

作為大型和昂貴的遠場天線測試的替代方案，近場測試系統是利用更小的微波暗室來測量天線。近場測試系統在幾個方面不同于緊縮場測試系統。近場測試系統使用移動探頭天線來測量探頭和AUT之間的傳輸響應。測量時，探頭位于AUT近場區內的不同位置。掃描點的集合形成一個合成天線孔徑，捕捉AUT在近場區內的天線方向圖。

許多近場測試系統將探頭置于平面掃描面上，如圖1所示。平面掃描非常適合測量低副瓣的定向天線。AUT的定向天線模式允許在有限的掃描區域內捕捉天線輻射模式中的所有重要參數。

對于增益較低或高副瓣天線的測量，可以將探頭置于球形或圓柱形掃描面上。球形近場掃描系統通常使用增益較低的探頭，在接近孔徑的角度近似全向天線。低增益探頭天線允許探頭相對于AUT的角度位置或姿態有更大的變化空間，而且在數據處理過程中通常無需進行探頭校正。

為捕捉到AUT產生的所有重要近場能量，掃描面應足夠大。所需的掃描區域和掃描類型通常由被測天線的副瓣偏移位置決定。作為平面和柱面掃描的經驗法則，掃描高度應大致等于AUT高度加上探頭天線高度，再加上AUT和探頭之間距離的兩倍乘以從主瓣視角看最大測量角的正切。例如，如果探頭天線和AUT的高度均為1厘米（孔徑為2×2厘米），它們之間的距離為20厘米，最大測量角度為±15度，則建議在孔徑上方或下方的掃描高度為±2*[1+1+20tan(15°)]厘米，即±15厘米左右。

遠區轉換

探頭天線和AUT之間傳輸路徑的振幅和相位是從數學上將近場數據轉換為遠區天線方向圖的關鍵。在大多數情況下，專用矢量網絡分析儀可以完成這項測量任務。對于每次測量，探頭的位置必須置放在工作頻率的波長范圍內。 ?

審核編輯：黃飛