天线柱面近场测量的散射源误差抑制方法研究

王义，陈运涛，温中贺，刘浩

(1.武汉军械士官学校，湖北武汉430075;2.中国人民解放军66029部队，内蒙古苏尼特古旗011299; 3.中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥230031)

天线柱面近场测量的散射源误差抑制方法研究

王义1，陈运涛1，温中贺2，刘浩3

(1.武汉军械士官学校，湖北武汉430075;2.中国人民解放军66029部队，内蒙古苏尼特古旗011299; 3.中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥230031)

根据柱面波近远场变换基本原理，引出柱面波模系数与辐射源空间位置的特定约束关系，提出一种先将柱面波谱数据进行滤波处理，然后进行波谱远场变换，最终得到抑制散射误差后的远场方向图的方法。随后通过构建阵列天线模型，对抑制效果进行仿真分析。结果表明:该方法在第Ⅰ副瓣位置可改善2dB，120°范围内方向图与理想结果较为吻合，能有效抑制散射误差对远场方向图产生的影响。

柱面近场测量;柱面波;远场方向图;散射;模式滤波

0 引言

近年来，随着新体制雷达、微波通信、探测制导等领域的不断发展，对各种高性能天线设计的要求也不断提高，作为天线设计和验证的重要手段，以平面、柱面、球面测量技术为代表的天线近场测量技术［1］因其快速、准确、全天候、高保密性的工作特点得到广泛应用。其中柱面天线近场测量技术在方位面通过被测天线旋转，避免平面测量技术因水平截断带来的截断误差，最大限度地保持水平面远区辐射特性，特别适用于水平面为宽波束天线的测量［2］。

由于近场测量技术确定天线特性是一种间接的测量方法，由各种因素带来的误差很多，大致可以分为4个部分，即探头误差、测量系统误差、环境误差及随机误差。针对各种误差的分析和补偿，国内外许多学者做了相关研究工作，文献［3］对柱面近场中的各种误差源进行了分析和归类，并通过仿真的方法对误差影响做出分析;文献［4－7］针对探头误差做了评估和相应补偿处理;文献［8］针对随机噪声的影响做了定性和定量分析;文献［9］对超低副瓣天线在平面近场测量条件下的各种误差和补偿方法做了理论研究，这对于柱面近场条件下的误差补偿具有指导意义。然而由于实际测量环境的限制无法实现对电磁波的完全吸收，而较大的电磁波散射和反射势必会对最终测量结果产生影响，进而在通过近远场变换远场特性时产生较大误差，而相关文献没有对这种误差进行相关研究。

为了解决上述问题，减小多次反射或散射对测试结果的影响，本文从柱面近远场变换原理出发，通过构建柱面波谱与被测天线的限制关系，基于此约束关系对测量结果进行滤波处理，最后通过构建近场测量模型进行仿真分析，验证该方法的处理效果。

1 基于柱面波谱的近远场变换

柱面近场天线测量［1］是在小于最小远场距离的近场区域内，通过驱动方位转台和垂直扫描架的运动，使得探头天线在包围被测天线的柱面栅格点上进行采样，得到被测天线在柱面区域内的辐射能量分布，最后通过近远场变换，最终得到天线远场特性的一种近场测量方法。

在线性、各项同性的自由空间中，被测天线为发射状态下，包围被测天线的电磁场可以表示为一组正交的圆柱模的叠加，通常用积分式来表示。

相反的，可以通过对包围天线的柱面上的电磁场分布进行反变换得到正交圆柱模及系数，通常可以利用快速傅立叶变换(FFT)来实现。

当观察点位于近场区域内(通常取3λ≤ρ≤10λ)，假设在包围被测天线的圆柱表面上用理想极小偶极子探头得到一组正交的电场分布Ez和Eϕ，因此两组正交的柱面模系数可以由下式得到，

在这里，自由空间波矢量在z方向上的分量γ和柱面波指数n由负无穷大到正无穷大，ϕ和z表示方位和垂直方向上的坐标，ρ为柱面半径，如图1所示，k0是自由空间的传播常数，H(1)nz ()为一类汉克尔函数，H'(1)n(z)为一类汉克尔函数的导数。

图1 柱面坐标示意图

由被测天线近场某一柱面上的场分布，通过数学变换公式变换后，就可以得到被测天线在远场的辐射特性。

2 基于模式滤波的散射抑制方法

根据柱面近远场变换条件，假设除被测天线所占空间之外，皆为线性、无源、各项同性的自由空间。从式(1)可以推出，在包围有源场的任意柱面均产生相同的场分布结果，表明其具有相同的柱面波模系数。

考虑到当κ＞k0或γ＞k0时，γ或κ为纯虚数，，因此必须满足，并且，因此在柱面波模系数与有效辐射源所在实际空间存在着固定的约束关系。如果除了被测天线作为发射源外，在此圆柱区域内还存在各种散射源的影响，如探头与被测天线间反射，扫描架散射、地面及吸波材料反射影响等，由于此散射源也包括在柱面区域内，会对远场结果造成影响，在远场中无法进行分离，但可以在柱面波谱域范围内，根据被测天线的实际空间关系进行处理。

假设一转台中心为坐标中心，包围被测天线的最小圆柱半径为rt0，由柱面波展开式可知如无散射源，柱面波系数与圆柱半径的选取无关，因此当柱面波指数和z向波矢量分量满足n2+(γrt0)2＞(k0rt0)2时，柱面波函数应为散射源产生，需在得到柱面波系数后将其滤除。

具体处理流程如图2所示。

图2 滤波处理流程图

3 算法验证及结果分析

为验证柱面近场测量原理及散射滤除方法，构建一个半波阵子阵列天线，如图3所示。

图3 半波阵子阵列天线示意图

阵列天线工作频率为9 GHz，其中阵子沿z轴放置，单元间距0.5λ，x轴放置10个天线单元，z轴放置8个天线单元，z轴扫描范围为1300 m，扫描间隔16 mm，方位角扫描范围0°～360°，扫描间隔1.2°，每个阵子单元馈电幅相一致均匀馈电。

阵中第(i，l)个单元在观察点(x，y，z)处产生的电场z向分量为

其中Im为馈电幅相因子，R1为阵子上端点到场点的距离，R2为阵子下端点到场点的距离，k0为自由空间波数因子。由于阵子为理想偶极子，Eϕ分量可忽略。最终得到柱面的电场z向分量Ez的近场幅相分布如图4所示。

图4 无散射柱面近场幅度分布

假设在柱面范围内加入一个固定散射源，同样用阵子模拟，得到的近场幅相分布如图5所示。

图5 有散射柱面近场幅度分布

根据柱面波系数表达式，利用FFT得到加入散射源前后的柱面波系数分布如图6、图7所示。

图6 无散射柱面波系数幅度分布

图7 有散射柱面波系数幅度分布

从上图可以明显看出散射源在(γ，n)被测天线产生的柱面波系数上及周围产生变化。由阵列模型可知，包围阵列天线的最小圆柱半径为75 mm，考虑到实际天线辐射源会超出这一范围，取108 mm，以此为半径ρ得到的滤除散射后的柱面波系数如图8所示。

图8 有散射滤波后的柱面波系数幅度分布

将处理前后的柱面波系数通过柱面波远场表达式得到两组远场方向图，并与理论结果进行对比，如图9、图10所示。

图9 方位向幅度方向图结果对比

图10 俯仰向幅度方向图结果对比

从以上仿真结果可以看出，处理前的方位和俯仰方向上的方向图与理论结果想比较，第1副瓣相差约2 dB，而处理后的方向图在方位角30°～150°范围内均与理论结果较为吻合。从柱面波系数谱分布可以看出，通过滤波处理，虽然滤除了被测天线柱面波系数谱区域外的柱面波，但无法滤除该区域内的影响，从而在30°～150°之外的远场方向图产生较大误差。

4 结束语

针对柱面近场天线测量过程中散射对天线测量结果造成的误差，介绍了一种基于模式滤波技术的柱面近远场变换方法。被测天线的柱面近场分布可以分解为柱面波模函数与模系数叠加形式，并且柱面波近远场变换中柱面波系数与被测天线的尺寸存在约束关系。本文根据这种关系提出先对柱面波谱进行滤波处理而后再进行波谱－远场变换得到远场方向图的方法，随后通过构建阵列天线模型，对散射误差的抑制效果进行仿真分析。结果表明该方法能对较大散射环境中的测量数据进行处理，处理后的方向图在一定范围内得到较大改善。

［1］YAGHJIAN A D.Near-Field Antenna Measurements On a Cylindrical Surface:A Source Scattering MatrixFormulation［J］.NBS Technical Note 696，1977.

［2］ARTHUR D，YAGH J.An overview of near－field antenna measurement systems［J］.IEEE Antennas Propag Mag 1986，34(6):754－768.

［3］CASTANER M S，MARTINEZ S B，JIMENEZ F M，et al.Error Analysis and Simulator in Cylindrical Near Field Antenna Measurement Systems［C］//The Second European Conference on Antenna and Propagation，EuCAP 2007(6):1649－1653.

［4］ALLEN C N.Upper bound－error in far field antenna paprameters determined from near field measurement，part 2: analysis and computer simulation［C］//Lecture Notes，National Bureau of Standars Bouler，Coll.Huly，1975:170－201.

［5］LEACH W M，PARIS D T.Probe Compensated Near－Field Measurements On A Cylinder［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，1973141:435－444.

［6］HUSSEIN Z A.Probe Compensation And Error Analysis In Cylindrical Near－Field Scanning 16th annual Antenna and Measurement Techniques Symp［M］.AMTA，Symposium，Digest，Long Beach California:1994.

［7］BORGIOTTI G V.Integral Equation Formulation for Probe Corrected Far－Field Reconstruction from Measurements on a Cylinder［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1978(4):572－578.

［8］ROMEU J，JOFRE L，CARDAMA A.Far－field errors due to random noise in cylindrical near－field measurements［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagations，1992，40(1):79－84.

［9］张福顺.超低副瓣天线平面近场测量误差分析与补偿技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，1999.

(编辑:刘杨)

Research on scattering source error suppression method for antenna cylindrical near－field measurements

WANG Yi1，CHEN Yuntao1，WEN Zhonghe2，LIU Hao3
(1.Wuhan Institute of Ordnance Officer，Wuhan 430075，China;2.PLA Unit 66029，Sonid Right Banner 011299，China; 3.China Electronics Technology group Corporation No.38 Research Institute，Hefei 230031，China)

According to the cylindrical wave near field to far field transformation principle，a constraint relationship between mode coefficient of cylindrical wave and position of radiation source space is presented，Then a new method is proposed to filter the cylinder spectrum data，and then carry out the spectral far field transformation.Finally，the far field pattern of the scattered error is finally obtained.Then，the suppression effect is simulated and analyzed by building the model of the array antenna.It shows that an improvement of 2dB in the first sidelobe positions by suppression method.Within the range of 120°，the post results and the ideal results are in good agreement，the method effectively inhibited the scattering effect on the far field pattern.

cylindrical near－field measurements;cylindrical wave;far field pattern;scattering;mode filtering

A

1674－5124(2016)11－0023－04

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.005

2016－04－10;收修改稿日期:2016－06－11

王义(1979－)，男，吉林双辽市人，副教授，硕士，研究方向为电磁兼容、复杂电磁环境下的电子对抗。