1 引言
隨著現代空間技術的發展，對天線的尺寸要求越來越大，現有的仿真計算手段可以很容易地計算出其理論的電性能，但是如何測出這種天線的實際方向圖和電性能參數，是當前天線測量的一個難題。傳統的天線方向圖測量方法有遠場測量方法和近場測量方法。
對于遠場測試而言，對于較大口徑的天線，測量其天線特性有許多困難：首先需要較大的測試場地：按照遠場測試條件(R=2D²/λ,D為天線直徑，λ為波長)，測試場地需要使發射和接收天線之間的距離達千米甚至幾千米；其次，在外場測試還存在運輸、安裝及環境影響等方面的困難，最后，對于非筆形波束天線，需要在測試過程中改變天線的姿態，并需要承載性能好的三維轉臺；另外，對于容易變形的天線，還需要確保天線姿態改變過程中安全的保型結構工裝。這將導致天線測試成本高昂、測試時間較長，并存在一定的安全風險。
用近場測量來解決這些大型天線的測試，就具有重要的現實意義。隨著科學技術水平的不斷發展，世界各地相繼建立了大小不同、形式各異的天線近場測量系統，在各種近場掃描技術中，平面近場測量受到重視。據悉，目前絕大部分的平面近場都是單探頭型，測試速度慢。然而，對于尺寸較大的天線，一方面現有的垂直掃描高度不能滿足其采樣范圍需求，另一方面，按照Nyquest采樣定理進行掃描測試一次時間太長且工作量太大。法國的Satimo公司,研制成功一種多探頭的近場測量系統,西安海天天線公司對引進的SG128球面近場多探頭測試系統進行了創新改造工作，這種系統測試速度比傳統的二維遠場測試法速度提高約40倍，但是這種測試系統適應于小型寬波束天線系統測試；另外，這一測試系統的軟件和硬件與平面近場掃描系統有根本的區別，且軸向尼龍推力軸承承載的重量有限，不能承載重量達到噸級的天線。
如何利用現有的暗室和平面近場測試系統，采用較低的成本、精確、快速、高效的方法，完成一些特定天線的測試，是當前的一個重要的研究方向。為此，我們開展了多探頭多區域測試方法探討。
2 多探頭多區域測試方法介紹
現有的近場測試系統見圖1，習慣上平面近場測量用矩形網格進行采樣。本文的多探頭多區域就是在此基礎上，對圖1中的掃描架（承載探頭）部分進行局部改造實現的。所謂多探頭，就是在原來單探頭的基礎上，增加探頭的數量，使得天線測試過程中可以通過微波開關的控制，將單個探頭的任務分配給多個探頭與掃描架的運行同步完成，從而提高測試效率，有效地縮短測試周期。所謂多區域，就現有的平面近場測試系統而言，可以根據被測天線的掃描范圍需求，將掃描平面在水平和\或垂直方向上進行區域分割（或擴展后再分割），不同的區域由不同的探頭進行掃描，這些探頭通過結構過渡件安裝在掃描架上，并且通過伺服機構的控制實現同步采樣。各個探頭在不同區域的采樣數據經過誤差分析與數據處理后，進行拼接成為一個完整的同一平面上的二維采樣數據，然后根據近場推遠場波瓣的公式推算出天線的遠場波瓣性能。
圖1 近場測試系統
2.1雙探頭雙區域測試
為了實現對較大口徑反射面天線的二維方向圖的測試，充分利用現有的暗室頂空資源，確保天線垂直向較高的測試范圍，并提高測試效率，開展了雙探頭雙區域測試。下面給出該測試方法的介紹。
采用現有的單掃描架，通過對掃描架安裝探頭的部分進行局部改造，設計加工一個安裝雙探頭的結構過渡件，可以實現雙探頭雙區域測試。該測試方法是通過將兩個電性能一致的探頭裝在過渡件的上下兩端，探頭后面接幅相一致性良好且穩幅穩相的電纜（幅相一致性要求與被測天線的頻段有關），從而構成兩個采樣性能一致性良好的采樣通道；探頭之間的距離Dy或D為垂直采樣間距的整數倍；結構過渡件的機械尺寸和穩定及形變參數滿足電性能要求，以確保兩個探頭在掃描運行過程中采樣點為同一平面上矩形網格點。兩個探頭與掃描架同步運行，在伺服機構的控制和驅動下，分別完成各自運行區域的采樣。然后對采樣得到的兩組數據進行誤差補償與數據處理，然后拼接成同一掃描平面上的近場采樣數據，最后根據近場推遠場的公式計算得到遠場波瓣圖及電性能參數。
圖2 單掃描架雙探頭垂直雙區域示意圖
圖3 單掃描架多探頭多區域示意圖
常用雙探頭垂直雙區域的測試方法有兩種，具體示例見圖2和3。圖2的雙探頭雙區域測試可以充分利用現有的暗室掃描架頂部的空間，拓展垂直面掃描區域，從而滿足垂直面掃描范圍大于現有垂直掃描范圍的需求，具體可以擴展的空間大小，取決于暗室的高度和安裝探頭的結構過渡件的尺寸，這種情況下的結構過渡件尺寸較大，需要優化設計結構過渡件，以確保其結構參數性能滿足測試過程中采樣點的位置要求。圖3的雙探頭雙區域測試可以充分將需要掃描的空間分成高度相等的上下兩部分區域，分別由兩個探頭進行同步采樣完成，這種情況的結構過渡件的尺寸明顯小于圖2情況，其設計和結構性能容易控制和實現。該方法可以將采樣時間縮短一半。從而提高一倍的測試效率。
該方法也可以擴展至雙探頭水平雙區域測試。
2.2多探頭多區域測試
借鑒雙探頭雙區域方法的原理，可以將整個掃描空域分為采樣面積相等的左、右、上、下四個區域，分別由四個探頭分別承擔采樣任務，最后將采樣數據進行誤差分析和數據處理，并將四組采樣數據拼接成同一掃描平面上的近場采樣數據，根據近場推遠場的公式計算得到遠場波瓣圖及電性能參數。但是四區域四探頭的結構過渡件的復雜度大大提高，對其結構精度和結構穩定性等要求也有所提高，其成本相對雙區域雙探頭測試法有所提高；但這種測試方法明顯可以節省四分之三的測試時間。從理論上，更多探頭和更多區域的測試方法，也可以進行拓展。
3 實例
下面給出一個賦形反射面天線的雙區域雙探頭測試實例。
3.1測試范圍需求分析
為了保證采樣數據的完整性，測出天線的實際方向圖和電性能參數，需要首先確定天線的采樣范圍。通常，對于一維平面掃描的情況，參見圖4（a），近場測量的取樣面的尺寸L與口徑面尺寸D的關系如下（d為取樣平面到被測天線口面的距離）：
公式1 近場測量的取樣面的尺寸L與口徑面尺寸D的關系
通常工程上要求與幅度方向圖副瓣電平誤差≤0.5dB,在此條件下，取樣面的尺寸可按公式2選取。式中，X|E=40dB為低于取樣面中心場強40dB處的位置坐標。
公式2 取樣面尺寸的計算公式
根據上述理論公式分析，對于被測天線為扇形波束情況，垂直面采樣范圍不低于21米。但是該被測天線不是簡單的扇形波束，而是俯仰面40°范圍內的賦形；另外，現有的微波暗室可用凈高為15米左右（水平尺寸可以滿足被測天線需求）。針對現有的測試條件和被測天線需求，確定具體的測試范圍（即圖4（b）中的AA’和BB’），以確保測試數據的有效性，這是測試工作的首要前提。
圖4 被測天線采樣范圍圖示
為此對天線取樣范圍采用進行了理論分析，下圖給出了采樣范圍的變化與天線波瓣形狀的對比，根據下圖可以進行測試有效范圍的分析和確定，并預測出測試范圍對天線波瓣性能的影響。由下圖可以看出：垂直面采樣范圍在15米左右時，實測數據的有效俯仰面范圍為-5°～38°。
圖5 被測天線垂直采樣范圍與波瓣性能對比圖示
3.2測試示例
本例是對被測賦形天線進行雙區域雙探頭測試，見下圖所示。具體方法是通過對現有暗室的掃描架局部改造，有效利用了掃描架上方的7.8米的空間，實現了垂直面掃描15.18米的范圍；基本滿足了天線對俯仰面測試范圍的需求（見3.1節）；再將兩個區域的數據（計入幅相補償誤差）進行拼接；最后，將拼接后的近場測試數據推算并分析天線的遠場波瓣。
圖6 單掃描架雙探頭垂直雙區域測試實例及系統框圖
3.3實測結果及分析
實測結果見下圖。需要說明的是：采用FEKO6.2進行理論仿真時，未計入實際加工公差和暗室中被測天線左右兩側其它產品的結構件影響，這些因素對方位面波瓣影響較大，尤其會引起方位副瓣區域的起伏，而這些因素對天線俯仰面波瓣影響較小。因此，圖7中方位面實測波瓣與FEKO仿真結果有所出入；而在俯仰面測試有效范圍內，俯仰面波瓣實測值和理論仿真值基本吻合。對比結果表明：該天線測試數據有效。該技術可推廣用于相同測試需求的天線測試。
圖7 天線方位面和俯仰面波瓣實測值與理論值對比
4 結論與展望
多區域多探頭測試方法是在現有的暗室資源的基礎上，主要通過對掃描架和探頭部分進行改造實現的。該方法改造成本較低，可以降低測試時間，并可以拓展測試的空間區域，有效地解決有較大測試范圍需求的天線測試問題。因此，開展多探頭雙區域測試方法的研究和搭建將具有重要的科研和工程價值。
然而，近場測量系統是個復雜的系統，對單探頭天線測量有影響的誤差源有18項之多。對于多區域多探頭測試方法，存在的誤差更多。如何對被測天線采樣平面的近場信息進行正確的計算仿真，合理的給出最小的有效測試范圍，是實現低成本、高效率測試并確保測試有效的首要之沖；另外，如何對多探頭通道的誤差（幅相誤差、探頭一致性誤差、采樣位置誤差）進行仿真評估，最終在數據處理時進行合理補償，是一個需要深入研究的問題。這些問題的研究和開展，有助推動天線測試技術的發展，在工程上具有降本增效的重要意義。
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本文標題：多探頭多區域測試與CAE仿真方法探討
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