文獻標識碼： 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].電子技術應用，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.
0 引言
隨著技術發展，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對各個通道的幅度和相位信息準確有效的檢測，而現有常見的算法(包括近場校準、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留參考通道，以提供相位參考。這對天線的設計生產提出了額外要求，同時對于已經裝機的天線，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，以實現上述天線的測量。
1 基本理論
近場測量的理論基礎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，然后根據電磁波傳播理論推導該天線遠場位置場分布，最后推導天線口面場分布。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)，則天線的遠場方向圖函數在球坐標系下可以表示為[15-16]：
由此可知，在近場掃描測試中，對于天線方向圖的重構，需要得到采樣點的相位才能實現。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。測量時信號源發出的信號，在每個測量點進行數據采集時，開關做一次切換，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射，并且開關切換時長固定[17-20]。幅相接收機收到信號后，以固定時間長度提取測量探頭發射的經過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射的經過AUT接收后收到的信號，并計算幅度相位。其時序構成如圖2所示。
設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，An為測試探頭位置為n時測試探頭發射到被測天線的幅度信息，Bn為測試探頭位置為n時參考探頭發射到被測天線的幅度信息，根據圖1所示時序，測試探頭到達到天線的信號為：
由式(6)可以看出，由于ω1和T1為常數，最后得到的幅度相位信息只與測試探頭的位置相關，即得到參考相位，從而還原出天線方向圖。
2 實驗驗證
2.1 實驗系統搭建
為了驗證本測試方法的正確性，本文進行了一次驗證實驗，以一個實際天線為例，采用自參考算法近場掃描的方式進行測試，并將測試結果與NSI近場測試系統測得的結果進行比較驗證，搭建如圖3所示測試系統。
以控制器為控制核心，控制近場掃描架對被測天線進行近場測試。掃描架每移動一個位置，控制器將會對幅相接收機、單刀雙擲開關進行控制，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，在該位置下進行靜態采樣，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據進行分析，每組數據為1 000個，T1分別取100 μs、1 ms和10 ms，將測量探頭測試數據與參考探頭測試數據相除，得到結果如圖4所示。
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，得到數據的誤差會逐漸變大，具體誤差結果見表1。
將T1設定為100 μs，把測試得到數據帶入自參考近場算法進行處理，得到天線的遠場三維方向圖如圖5所示。
將采用NSI近場測試系統得到的遠場二維方向圖與采用自參考算法得到的遠場二維方向圖進行比較，其比較結果如圖6所示。
由測試結果可以看出，自參考測試算法與NSI近場測試系統的測試結果有較高的重合度，其具體誤差比較如表2所示。
3 結論
本文中的自參考近場算法解決了傳統近場測量中需要獨立參考通道的問題，因為無需額外參考通道，使得測試設備和被測設備可以完全獨立設計，因此本算法可以應用于常規天線、含有變頻通道的天線和數字化天線的近場測量領域，且特別適用于設備的現場檢測應用。
參考文獻
[1] 楊順平.基于矢量平均的相控陣天線校準方法[J].成都大學學報，2013，32(1)：61-63.
[2] 尹勇生，吳景生，陳紅梅，等.一種帶參考注入信號的TIADC時間失配校準算法[J].電子技術應用，2017，43(5)：44-47.
[3] 鄭婧怡，高紹全，姜漢鈞，等.帶頻偏校準的GMSK解調器設計與實現[J].電子技術應用，2016，42(6)：101-104.
[4] 張柯，程菊明，付進.陣列通道不一致性誤差快速有源校正算法[J].電子與信息學報，2015，37(9)：2110-2116.
[5] 鄭雪飛，高鐵.相控陣天線中場校正技術研究[J].微波學報，2005，21(5)：22-25.
[6] 樓世平，薛正輝，楊仕明.天線時域平面近場測試實驗系統的研究[J].微波學報，2006，22(z1)：48-52.
[7] KAYA A，YUKSEL E Y.Investigation of a compensated rectangular microstrip antenna with negative capacitor and negative inductor for bandwidth enhancement[J].IEEE Transactions on Antennas and Propogation，2007，55(5)：1275-1282.
[8] 李南京，馮引良，胡楚辭.基于二維微波成像的共形天線RCS提取方法[J].紅外與激光工程，2013，42(7)：1945-1949.
[9] 葉子，吳桂初，舒亮.基于LabVIEW的智能交流接觸器動態性能測試系統[J].電子技術應用，2013，39(3)：88-91.
[10] 張多利，沈休壘，宋宇鯤，等.基于異構多核可編程系統的大點FFT卷積設計與實現[J].電子技術應用，2017，43(3)：16-20.
[11] 鐵歡歡，劉高平.1 800 MHz射頻能量收集系統仿真與分析[J].電子技術應用，2017，43(6)：155-158.
[12] KIM Y，WALTON E K.Automobile conformal antenna design using non-dominated sorting genetic algorithm(NSGA)[J].IEEE Proceedings of Antennas and Propagation，2006，53(6)：579-582.
[13] MAILLOUX R J.Conformal array antenna theory and design reviews and abstracts[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine，2007，49(5)：126-127.
[14] RAHMAT-SAMIIY，BROCKETT T.A novel approach for thesting antennas with internal sources phaseless near-field measurements[C].Proceedings of the 2014 31th URSI General Assembly and Scientific Symposium.Piscataway：IEEE，2014：6929025.
[15] PHAM H H N，HISATAKE S，NAGATSUMA T.Far-field antenna characterization in the sub-thz region based on electrooptic near-field measurements[C].Proceedings of the 2014 International Topical Meeting on Microwave Photonics.Piscataway：IEEE，2014：377-380.
[16] 夏夢穎，蘇衛民，顧紅，等.基于多重頻脈沖串信號解速度模糊的研究[J].電子與信息學報，2017，39(12)：2860-2865.
[17] 尚軍平，毛乃宏，李勇.雷達天線近場測試系統中取樣架的穩定性分析[J].西安電子科技大學學報，1999，26(1)：63-66.
[18] FELDLE H P.State of the active phased array technology[C].2007 2nd International ITG Conference on Antennas，Munich：IEEE Press，2007.
[19] MALLAT S，ZHONG S.Characterization of signals from multiscaleedges[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1992，14(7)：710-732.
[20] 李宇，劉崇慶，呂立鈞，等.基于4通道時間交織的FPGA高速采樣系統[J].電子技術應用，2018，44(1)：52-56.
作者信息:
杜 艷，楊順平
(中國西南電子技術研究所，四川 成都610036)