天线_RCS近场测量系统的研究

第14卷　第1期

1999年3月　　　　　CH INESE JOURNAL O F 　电　波　科　学　学　报RADIO SCIENCE 　　　　　　M arch, 1999天线/RCS 近场测量系统的研究

张士选, 郑会利, 尚军平

(西安电子科技大学, 710071) a

摘要:给出了由HP 8530B 组成的天线/RCS 近场测量系统的有关技术指标。利

用该系统对典型天线进行了分析测量。结果表明, 所研制的近场系统可提供各种天线的精确测量结果。

关键词:近场测量; 天线; 采样; 收发系统; 精度

中图分类号:T N957. 2　　　　文献标识码:B

文章编号:1005-0388(1999) 01-0092-5

Study on Antenna /RCS Near Field Test System

ZHANG Shi -xuan , ZHENG Hui -li , SHANG Jun -ping

(Xidian University, Xian 710071Chian)

Abstract :Antenna/RCS near field test system w ith HP8530B m icrow ave rceiv-

er is intro duced in this paper. Som e pr oblem in the desig ning and realizing the sy s-tem are analy sised. The technolo gical index of the sy stem is g iven. So me ty piced an-tenna are tested w ith this sysem . It is concluded that the accurate testing results of various antenna can be prov ided with this system .

Key words :Near field test; Antenna ; Sam ple; T ransmitter and receiver sy s-

tem Accuracy

1　引言

天线近场测试技术越来越受到人们的重视。由于科学技术发展的要求, 人们在天线研究中发现, 一些高性能指标天线的研究, 利用原有的远场技术已无法解决所出现的问题。例如在低副瓣天线研究中, 要求测量-50dB 电平时精度优于±5dB, 常规的远场技术已无能为力。在相控阵天线研究中, 由于各种实际条件的限制, 实际的天线口径分布和设计值总存在一定的误差, 如何使天线性能尽可能的逼近设计结果, 迫切要求人们研究新型的近场测量技术。本文介绍了一种大型高精度天线/RCS 近场测试系统, 对该系统的各部分技术性能进行了分析, 并给出了该系统的技术指标, 对典型天线进行了测量研究。结果表明, 利用此系统可完成各种高性

a :

第1期　　　　　　　　张士选等:天线/RCS 近场测量系统的研究　　　

能天线的近场测试, 为予估天线的远区特性提供了一种实用方便的有效手段。93

2　近场测量系统的组成

为了使所要建立的近场系统具有多种近场扫描功能, 同时可完成目标RCS 测试, 其系统构成框图如图1

所示。

图1　近场系统的框图

Fig. 1　Near field s ystem sk etch

・平面取样架是一双立柱的9m ×9m 结构, 转台带有二维平动系统及天线极化器, 底盘直径2m 。

取样架的两个立柱, 在x , y 方向的组合扫描可完成利用综合平面波技术进行目标RCS 特性的测量; 利用单个立柱及其探头极化器在x , y 两个方向的运动, 可完成天线平面近场扫描取样; 利用扫描架的y 向运动和天线转台方位旋转可完成柱面扫描测量; 利用天线转台方位旋转和天线极化旋转可完成球面近场测量; 利用取样架x 方向运动与天线极化旋转可完成极平面近场扫描。因此, 对系统8个坐标的控制可使系统完成多种扫描功能, 同时测量目标RCS 特性。转台上的二维平动系统是作为天线调整用的, 对于确定天线相位特性非常有用。

・各运动控制部件装有传感器和控制检测电路, 用于对各运动坐标实行闭环控制。・HP 8530B 收发系统

射频信号的收发设备采用HP 8530B 系统, 其组成框图如图2所示, 为了使之更适合于近场测量的要求, 我们从以下几个方面对其进行拓展。

a. 为提高系统测量动态范围, 选用基波混频器件, 将图中开关、测试混频器与取样架的探头一起安装, 使之在扫描运动过程中保持相对的稳定。

b. 采用扩展单元, 将主机部分与射频部分分离, 实行长距离中频传输, 减少了信号传输损耗。

测试通道的工作电平, 将c . 增加功放单元, 用于补偿射频电缆衰减, 同时提高了参考通道、

工作电平提高到最佳工作区域内, 使在其动态范围内的检测精度尽可能高, 对提高测量精度十分有用。d. 在数据采集软件中, 采用单点工作模式, 利用其快速采样特点, 对其每一采样位置点进

94　　　　　电　波　科　学　学　报　　　　　　　　　　第14卷

图2　HP8530B 系统

Fig. 2　HP8530B s ystem

・计算机控制

计算机控制包括以下几部分:

¹计算机及相应的外部设备　　º驱动控制接口板

»数显采集接口板　　　　　　¼GP -IB 接口板

利用测试软件, 通过驱动接口板, 可向交流伺服驱动器提供六路-10V ～+10V 的可变模拟电压信号和六路禁止信号。向两路步进电机驱动器提供二路脉冲信号, 二路方向信号和二路停止信号, 以实现对交流伺服电机和步进电机的闭环或开环控制。通过数显采集接口板, 可对取样架的四轴直线位移数显表读数、对转台和极化器的两路旋转角位移数显表读数实时闭环采集, 以确保取样探头准确定位。GP-IB 接口板向HP85301B 系统提供一个TT L 电平的触发电压脉冲信号, 用以触发HP 8530B 接收机进行幅度和相位数据的采集和存储。

・系统软件的设计

系统软件采用模块化结构设计。人机界面及数据处理采用C 语言编程, 实时定位控制采用汇编语言编程。该系统软件具有定位控制、扫描测试、数据变换, 仪器控制和结果输出等五种功能, 相应有五个子菜单。定位控制用于控制被测天线与探头的相对位置。在测试之前, 调整天线和探头的姿态, 确定扫描范围。扫描测试子菜单有多种辐射扫描测试方式和两种散射扫描方式。数据变换软件将测试得到的近场数据进行快速付里叶(FFT ) 计算, 推算出被测天线远区电磁场分布。

通过计算机选择HP 85301B 系统中的各种测试参数。

结果输出子菜单可多项选择, 将测试得到的天线近场幅相分布数据和由近远场变换计算的天线远场幅相分布数据再进行各种处理, 以得到直观的图表曲线和有关的特性参数, 如近场

第1期　　　　　　　　张士选等:天线/RCS 近场测量系统的研究　　　

机或绘图仪输出。

・系统的技术指标

1) 系统的增益测量精度, 误差小于0. 2dB

2) 在-40dB 电平时, 副瓣测量误差不大于±2dB

3) 扫描速度, 水平方向3m /s , 垂直方向6m /s

4) 接收机为HP 8530B 系列, 有平面, 柱面, 球面, 极平面, RCS 测量功能

5) 配备有口径场诊断与分析, 低副瓣测量等专用软件

6) 对7m 以下口径的大型天线, 5m 以下尺寸的目标RCS 特性可提供准确测量结果・系统精度95

近场测量系统的测量精度由多种因素决定, 其误差来源主要有探头的位置误差, 扫描截断误差, 接收机非线性误差, 暗室散射误差, 设备的泄漏误差等, 系统总的测量误差由系统综合误差求解方法给出[3], 对于常规的测量, 可采用与远场测量结果比较的方法予估系统的测量误差

范围。

3　典型天线的测试

为了验证系统各项技术指标, 分别利用该

系统对几种天线进行了近场测试, 其结果如下:

3. 1　在f =9375MHz 时, 对一口径尺寸

为238×176m m 的3公分标准喇叭的增益进行

测量, 利用测量的近场特性推算的方向性增益

为24. 13dB 和23. 95dB, 与其理论值24dB 比

较, 测量误差小于0. 2dB , 在-30dB 电平处方

向图测量误差小于0. 8dB 。

3. 2　对一口径为1m , f =14500M Hz 时单

脉冲天线作近场测试, 其零深达-40dB, 较远

场测量提高近10dB 。

3. 3　对一低副瓣波导裂缝阵列天线进行近场测量, 图3给出了在f =9780M Hz 时由近场推算的远场特性, 在-30dB 电平时, 测量误差小于1dB, 与远场测试结果基本吻合。图3　低副瓣天线测量结果Fig . 3　M eas uremen t pattern of a low side lob anten na 4　结论

利用近场技术研究天线和RCS 测量问题有其独有的特点, 本文所介绍的近场测量系统是一种可进行多种扫描的全自动近场测量系统。文中给出的典型天线测试结果仅用于说明测量系统的性能指标, 对系统的一些其它功能研究, 我们也作了大量的工作。例如, 对低副瓣阵列天线的测试, 口径场诊断的分析和逆推, 目标散射特性的测量等。所有这些工作说明, 所研制的天线/RCS 近场测量系统, 对改进天线设计和研究目标RCS 特性问题, 提供了一种高精度、方便实用的有效手段。

96

参考文献　　　　　电　波　科　学　学　报　　　　　　　　　　第14卷

[1]　W. A. Implementing a N ear -Field antenna T est Facilit y. M ier ow ane Jo urnal, 1979, (9) :44～55.

[2]　E daor d B . Near -F ield T esting o f Radar A ntenna . M icro wane Jour na l , 1990, (1) :119～130.

[3]　Allen C N ewell. Err or Analysis T echniques fo r Planar N ear -Field M easur ements. IEEE T ra ns. 1988, A P

-36(6) :754～779.

[4]　毛乃宏等. 天线测量手册. 北京:国防工业出版社, 1987, 8.

[5]　周明德. 微型计算机硬件、软件及应用. 北京:清华大学出版社, 1983. 8.

作者简介:张士选　(1950-) , 男, 西安电子科技大学天线研究所高级工程师。主要从事天线与电磁散射近场

测量, 近远场数学变换和数据分析处理研究。

郑会利　(1964-) , 男, 高级工程师。1984年毕业于西安电子科技大学电磁场工程专业, 主要从事无线近场测量系统和微带天线理论的研究工作。

尚军平　工程师, 主要从事自动控制系统工程的研究工作, 在近场测量系统控制软件、硬件方面做了大量的工作。

第14卷　第1期

1999年3月　　　　　CH INESE JOURNAL O F 　电　波　科　学　学　报RADIO SCIENCE 　　　　　　M arch, 1999天线/RCS 近场测量系统的研究

张士选, 郑会利, 尚军平

(西安电子科技大学, 710071) a

摘要:给出了由HP 8530B 组成的天线/RCS 近场测量系统的有关技术指标。利

用该系统对典型天线进行了分析测量。结果表明, 所研制的近场系统可提供各种天线的精确测量结果。

关键词:近场测量; 天线; 采样; 收发系统; 精度

中图分类号:T N957. 2　　　　文献标识码:B

文章编号:1005-0388(1999) 01-0092-5

Study on Antenna /RCS Near Field Test System

ZHANG Shi -xuan , ZHENG Hui -li , SHANG Jun -ping

(Xidian University, Xian 710071Chian)

Abstract :Antenna/RCS near field test system w ith HP8530B m icrow ave rceiv-

er is intro duced in this paper. Som e pr oblem in the desig ning and realizing the sy s-tem are analy sised. The technolo gical index of the sy stem is g iven. So me ty piced an-tenna are tested w ith this sysem . It is concluded that the accurate testing results of various antenna can be prov ided with this system .

Key words :Near field test; Antenna ; Sam ple; T ransmitter and receiver sy s-

tem Accuracy

1　引言

天线近场测试技术越来越受到人们的重视。由于科学技术发展的要求, 人们在天线研究中发现, 一些高性能指标天线的研究, 利用原有的远场技术已无法解决所出现的问题。例如在低副瓣天线研究中, 要求测量-50dB 电平时精度优于±5dB, 常规的远场技术已无能为力。在相控阵天线研究中, 由于各种实际条件的限制, 实际的天线口径分布和设计值总存在一定的误差, 如何使天线性能尽可能的逼近设计结果, 迫切要求人们研究新型的近场测量技术。本文介绍了一种大型高精度天线/RCS 近场测试系统, 对该系统的各部分技术性能进行了分析, 并给出了该系统的技术指标, 对典型天线进行了测量研究。结果表明, 利用此系统可完成各种高性

a :

第1期　　　　　　　　张士选等:天线/RCS 近场测量系统的研究　　　

能天线的近场测试, 为予估天线的远区特性提供了一种实用方便的有效手段。93

2　近场测量系统的组成

为了使所要建立的近场系统具有多种近场扫描功能, 同时可完成目标RCS 测试, 其系统构成框图如图1

所示。

图1　近场系统的框图

Fig. 1　Near field s ystem sk etch

・平面取样架是一双立柱的9m ×9m 结构, 转台带有二维平动系统及天线极化器, 底盘直径2m 。

取样架的两个立柱, 在x , y 方向的组合扫描可完成利用综合平面波技术进行目标RCS 特性的测量; 利用单个立柱及其探头极化器在x , y 两个方向的运动, 可完成天线平面近场扫描取样; 利用扫描架的y 向运动和天线转台方位旋转可完成柱面扫描测量; 利用天线转台方位旋转和天线极化旋转可完成球面近场测量; 利用取样架x 方向运动与天线极化旋转可完成极平面近场扫描。因此, 对系统8个坐标的控制可使系统完成多种扫描功能, 同时测量目标RCS 特性。转台上的二维平动系统是作为天线调整用的, 对于确定天线相位特性非常有用。

・各运动控制部件装有传感器和控制检测电路, 用于对各运动坐标实行闭环控制。・HP 8530B 收发系统

射频信号的收发设备采用HP 8530B 系统, 其组成框图如图2所示, 为了使之更适合于近场测量的要求, 我们从以下几个方面对其进行拓展。

a. 为提高系统测量动态范围, 选用基波混频器件, 将图中开关、测试混频器与取样架的探头一起安装, 使之在扫描运动过程中保持相对的稳定。

b. 采用扩展单元, 将主机部分与射频部分分离, 实行长距离中频传输, 减少了信号传输损耗。

测试通道的工作电平, 将c . 增加功放单元, 用于补偿射频电缆衰减, 同时提高了参考通道、

工作电平提高到最佳工作区域内, 使在其动态范围内的检测精度尽可能高, 对提高测量精度十分有用。d. 在数据采集软件中, 采用单点工作模式, 利用其快速采样特点, 对其每一采样位置点进

94　　　　　电　波　科　学　学　报　　　　　　　　　　第14卷

图2　HP8530B 系统

Fig. 2　HP8530B s ystem

・计算机控制

计算机控制包括以下几部分:

¹计算机及相应的外部设备　　º驱动控制接口板

»数显采集接口板　　　　　　¼GP -IB 接口板

利用测试软件, 通过驱动接口板, 可向交流伺服驱动器提供六路-10V ～+10V 的可变模拟电压信号和六路禁止信号。向两路步进电机驱动器提供二路脉冲信号, 二路方向信号和二路停止信号, 以实现对交流伺服电机和步进电机的闭环或开环控制。通过数显采集接口板, 可对取样架的四轴直线位移数显表读数、对转台和极化器的两路旋转角位移数显表读数实时闭环采集, 以确保取样探头准确定位。GP-IB 接口板向HP85301B 系统提供一个TT L 电平的触发电压脉冲信号, 用以触发HP 8530B 接收机进行幅度和相位数据的采集和存储。

・系统软件的设计

系统软件采用模块化结构设计。人机界面及数据处理采用C 语言编程, 实时定位控制采用汇编语言编程。该系统软件具有定位控制、扫描测试、数据变换, 仪器控制和结果输出等五种功能, 相应有五个子菜单。定位控制用于控制被测天线与探头的相对位置。在测试之前, 调整天线和探头的姿态, 确定扫描范围。扫描测试子菜单有多种辐射扫描测试方式和两种散射扫描方式。数据变换软件将测试得到的近场数据进行快速付里叶(FFT ) 计算, 推算出被测天线远区电磁场分布。

通过计算机选择HP 85301B 系统中的各种测试参数。

结果输出子菜单可多项选择, 将测试得到的天线近场幅相分布数据和由近远场变换计算的天线远场幅相分布数据再进行各种处理, 以得到直观的图表曲线和有关的特性参数, 如近场

第1期　　　　　　　　张士选等:天线/RCS 近场测量系统的研究　　　

机或绘图仪输出。

・系统的技术指标

1) 系统的增益测量精度, 误差小于0. 2dB

2) 在-40dB 电平时, 副瓣测量误差不大于±2dB

3) 扫描速度, 水平方向3m /s , 垂直方向6m /s

4) 接收机为HP 8530B 系列, 有平面, 柱面, 球面, 极平面, RCS 测量功能

5) 配备有口径场诊断与分析, 低副瓣测量等专用软件

6) 对7m 以下口径的大型天线, 5m 以下尺寸的目标RCS 特性可提供准确测量结果・系统精度95

近场测量系统的测量精度由多种因素决定, 其误差来源主要有探头的位置误差, 扫描截断误差, 接收机非线性误差, 暗室散射误差, 设备的泄漏误差等, 系统总的测量误差由系统综合误差求解方法给出[3], 对于常规的测量, 可采用与远场测量结果比较的方法予估系统的测量误差

范围。

3　典型天线的测试

为了验证系统各项技术指标, 分别利用该

系统对几种天线进行了近场测试, 其结果如下:

3. 1　在f =9375MHz 时, 对一口径尺寸

为238×176m m 的3公分标准喇叭的增益进行

测量, 利用测量的近场特性推算的方向性增益

为24. 13dB 和23. 95dB, 与其理论值24dB 比

较, 测量误差小于0. 2dB , 在-30dB 电平处方

向图测量误差小于0. 8dB 。

3. 2　对一口径为1m , f =14500M Hz 时单

脉冲天线作近场测试, 其零深达-40dB, 较远

场测量提高近10dB 。

3. 3　对一低副瓣波导裂缝阵列天线进行近场测量, 图3给出了在f =9780M Hz 时由近场推算的远场特性, 在-30dB 电平时, 测量误差小于1dB, 与远场测试结果基本吻合。图3　低副瓣天线测量结果Fig . 3　M eas uremen t pattern of a low side lob anten na 4　结论

利用近场技术研究天线和RCS 测量问题有其独有的特点, 本文所介绍的近场测量系统是一种可进行多种扫描的全自动近场测量系统。文中给出的典型天线测试结果仅用于说明测量系统的性能指标, 对系统的一些其它功能研究, 我们也作了大量的工作。例如, 对低副瓣阵列天线的测试, 口径场诊断的分析和逆推, 目标散射特性的测量等。所有这些工作说明, 所研制的天线/RCS 近场测量系统, 对改进天线设计和研究目标RCS 特性问题, 提供了一种高精度、方便实用的有效手段。

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参考文献　　　　　电　波　科　学　学　报　　　　　　　　　　第14卷

[1]　W. A. Implementing a N ear -Field antenna T est Facilit y. M ier ow ane Jo urnal, 1979, (9) :44～55.

[2]　E daor d B . Near -F ield T esting o f Radar A ntenna . M icro wane Jour na l , 1990, (1) :119～130.

[3]　Allen C N ewell. Err or Analysis T echniques fo r Planar N ear -Field M easur ements. IEEE T ra ns. 1988, A P

-36(6) :754～779.

[4]　毛乃宏等. 天线测量手册. 北京:国防工业出版社, 1987, 8.

[5]　周明德. 微型计算机硬件、软件及应用. 北京:清华大学出版社, 1983. 8.

作者简介:张士选　(1950-) , 男, 西安电子科技大学天线研究所高级工程师。主要从事天线与电磁散射近场

测量, 近远场数学变换和数据分析处理研究。

郑会利　(1964-) , 男, 高级工程师。1984年毕业于西安电子科技大学电磁场工程专业, 主要从事无线近场测量系统和微带天线理论的研究工作。

尚军平　工程师, 主要从事自动控制系统工程的研究工作, 在近场测量系统控制软件、硬件方面做了大量的工作。