本标准包括测量天线特性的一些特殊方法。 SJ 2534.5-1985 天线测试方法 特殊测量方法 SJ2534.5-1985 标准下载解压密码：www.bzxz.net
本标准包括测量天线特性的一些特殊方法。

中华人民共和国电子工业部部标准天线测试方法
特殊测量方法
本标准包括测量天线特性的-些特殊方法。1模拟法
1.1模拟法的主要用途
1.1.1工作环境特殊
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有时在实际工作环境中测量人线是做不到的，此时常常采用比例模拟法。例如，当大线安装在大型支撑结构如船舰、飞机以及大型人造卫星（它们对天线性能都有影响）上时，通常就会发生这种情况。在运动系统中或变动的环境中，支承运载器或周围介质的不稳定性使得实验数据有不合理成分，这就需用统计法处理。
1.1.2研制工作阶段
在研制阶段，需要不断地修改方案。由于最终的天线系统尺寸过大，或者尺寸过小，因而常使用模拟法。这样，模拟的主要日的在丁在测量过程中有更多的调整余地，或在实验过程中能节省资金。1.2用模型模拟必须满足的条件
通常模型是原型天线在尺寸上缩小而成，但是无论是缩小还是放大，用模型严格模拟需满足下列要求。
1.2.1模型的尺寸应是原型天线的倍。1.2.2工作频率及模型所用的电导率应为原型天线的n倍。1.2.3模型所用材料的介电常数及导磁率，在比例频率上应当与原频率上的相同。1.2.4说明
上述n是决定模型比例的任意数（通常大于1，但未必如此）。上述复数介电常数及复数导磁率的虚部包含在电导率的表达式中。偶尔也需要允许改变某些附加参数的比例模型的更一般的形式。1.3模拟法的限制
1.3.1材料模拟的不精确性
在一个实际模型中，要严格满足上面列举的全部要求一般是不可能的。然而对非高度谐振的天线，如果用良导体铜或铝来模拟良导体，及用具有相同介电常数和导磁率的低损耗介质来模拟低损耗介质，则误差通常很小。主要的难题出在不良导体或有耗介质场合，此时，未必总能得到满足比例模型要求的材料。
1.3.2环境模拟的不精确性
在构造比例模型时，所需构造的不仅有待模拟的天线，而且还有对天线特性有明显影响的那部分周围构件和环境。在许多场合，由于电磁环境十分复杂，所以很难构成模拟环境。例如当天线与地面相互作用时，要准确地模拟多变的有时是未知的土壤特性，通常是不现实的。在这些场合，可用简化的模型，需要正确地判断对天线的周围环境模拟到什么程度。例如：若甚高频（VHF)天线位于驾驶舱附近，则驾驶舱内部必须模拟得相当精确。反之，格天线装于机尾，则驾驶舱部分就不必模拟得如此精确了。
1.3.2.1环境的简化
中华人民共和国电子工业部1985-01-05发布1
1986-07-01实施
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常常必须设法能单独测试天线的比例模型而不受其环境的制约，以便确定它与原型天线是否具有相同的电气特性。为完成这种检验，可建造一个简化的环境，例如一个平坦的圆形地平面（通常要沿模拟的圆形地平面边沿加拒流圈，以防止在模拟面的背面激励起电流），以便测量原型天线的显著特性（如辐射方向图）。然后确定简化的环境和天线的比例。如果使用天线比例模型所得到的结果能充分地再现原型天线的结果，那么这一比例模型可用于天线环境的比例模型中。
1.4多天线场合下模拟法
当用比例模型测量输人阻抗和方向图时，若原型天线所在系统包含多个天线，则在构造模型时也应当包括所有邻近的天线并以适当的阻抗端接这些天线。由于其他天线可能工作在不同于被模拟天线的频率上，所以在工作频率上的阻抗应被正确地模拟。为了得到这一数据，匹配段可以端接在与在比例模型上测得的阻抗相等效的网络上。1.5电气小天线的模拟
与低频情况下的方法类似，往往按准静态法，用静电笼对电气小天线进行特殊测量。测出已知场强所感应的电荷，即可确定等效面积。1.6严格的比例模型
虽然在模型测量中，通常最关心的天线特性是辐射方向图，但是也能可靠地再现所关心的其他天线特性。如果整个天线系统都遵循上述的严格比例方法，则在外部和馈线内均能严格地再现所有的场的结构形式。因此将保持功率增益、方向性、辐射效率、输人阻抗、互阻抗、瞄准误差，总之只与场的比值有关的所有特性。
1.7修正的比例模型
如果遵循修正的比例方法，则不能再现效率。因而也就不能再现功率增益，但是只要天线没有过分的电流、电荷集中或失配，对大部分用途仍能足够准确地复现其余的特性。1.8不能用比例模型测量的天线特性由于牵涉到频率有关的机理，某些天线特性，如高压击穿的功率电平和噪声温度特性是无法用比例模型测量的。
1.9比例模型测量中电缆的影响
在测量辐射方向图时，馈电电缆对被测的量有明显影响。在这种场合，比例模型天线可用电池供电的发射机馈电。另一方面，比例模型天线可包含一个接收机，用高阻导线从接收机提取解调信号，这样可以把电缆对射频场的下扰减至最小。另一种途径是使用半导体激光器，并由光导纤维传输信号。1.10支撑结构的影响
如果要准确地测定方向图的零结构，应当特别注意模型的支撑结构。1.11其他问题
除了在本标准中涉及的比例模型测量的特殊问题外，还有一些在任何测量中都可采用的一般规程和预防措施（见SJ2534.6-85《天线测试方法天线测试场的操作》）。2天线聚焦法
2.1概述
在某些场合，用远场测试方法测量天线特性是困难的或不实际的。天线聚焦法是使被测天线在要进行测量的距离上聚焦，从而可在这一缩短了的距离上测量天线的远场方向图。2.2适用于聚焦法测量的天线
这种方法限于这样一些天线，它们具备将其焦点从无限远变到有限距离的装置。通常用相控阵天线或反射器天线可实现这种变换。2.3聚焦法在抛物面天线中的应用已经用抛物面反射器天线作了有关这方面的大量研究工作，因为这种天线是最常用的大型天线。2
2.3.1聚焦法原理
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图1几何光学法聚焦的几何关系
图1表示建立抛物面聚焦时所用的射线光学几何关系。当馈源天线位于F点时，天线在无限远处聚焦，把馈源移到F位置上，射线在准焦点F\处聚焦。F\不是真正的焦点，因为反射器形状是抛物面而不是圆面，只有椭圆面才有2个有限距离的焦点。2.3.2馈源移动的距离
可用射线追踪法确定馈源所应移动的距离，其近似表达式为： +(D)
式中：R
一距离OFW
一焦距；
距离FF!
（见图1）。把馈源移到F点后，即可在距离R处测量天线辐射方向图，测量完毕后馈源再回到原始位置F处。
2.3.3方法的局限性
当距离缩短到D?/8入时，所得的测量结果仍能相当精确地描绘天线在无限远处聚焦的远场方向图的主瓣，然而测得的副瓣有误差。2.3.4方法的局部改进
在F点附近微调馈源的位置，可使该方法得到一定的改进。2.3.4.1方法之
调整馈源的位置，使天线方向图的第一零点最深，这样可得到对主瓣的更好的描绘。然而若在距离R处测量所聚焦天线的功率增益，则所得结果将比远场测量值低十分之几分贝。2.8.4.2方法之二
调整馈源位置，使得在距离R处测得的被聚焦的被测天线的主瓣峰值方向的功率增益最大。在测量功率增益时，这种方法所得结果要比用第一零点最深的准则所得结果略有改善。2.3.5方法的应用
该方法尽管有这样一些缺点，但是这个方法已被证明是十分有效的。38采用数学变换的近场探测法
3.1概述
采用数学变换的近场探测法是测定天线特性的另一种近场方法。3.1.1测量过程
完成这种测量的主要过程如下。3.1.1.1在完全确定的表面上对复数失量场（幅度和相位）进行采样。3
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8.1.1.2用计算机处理测量数据，得到与所用测量表面相适应的平面波、柱面波或球面波的角谱分布。
8.1.1.3考虑测量用探测器的方向性和极化的影响，对角谱分布加以修正（称为探测器校正技术)。3.1.1.4根据修正后的角谱分布计算远场参数如功率增益、相对方向图和极化。8.1.2基本原理
3.1.2.1场的展开
理论分析证明，被测天线的场可以表示为基本场的选加，这些基本场是所用表面上麦克斯韦方程的解。对平面，基本场为以复数指数函数表示的平面波，对圆柱面，基本场为以贝塞尔函数和复指数函数表示的柱面波，而对球面基本场则为以连带勒让德函数及球贝塞尔函数表示的球面波。8.1.2.2场的拟合
使探测器的复数失量接收方向图与相应的基本函数拟合，即得以相同的基本场表示的探测器的响应函数。至此，即可用已知的探测器响应、被测天线基本场函数和探测器的取向和移动的效应来表示探测器沿表面移动时的输出电压。3.2平面近场法
平面近场法中要测量被测天线前面的一个平面上电场分量的幅度和相位。通过这个例子，可以深刻地理解上述的想法以及与测量方法和计算有关的一些概念。关于平面近场法已做了大量的研究工作，与圆柱面和球面有关的概念可以看成是这一熟知情况的推广。3.2.1基本公式
3.2.1.1、探测器输出端的复数信号若以户表示在z=d平面上探测器的x-y位置，则探测器输出端的复数信号为：V(P)=ao JJso.(k).tor(k)eydJeit.dk d, .式中：
波失量的x-y部分：=k+k,，其中，，，为单位失量o（K）一待定的被测天线发射特性：y=±kz$
因子。及e定市——探测器运动的结果；（2)
。（）探测器的远场响应，是一复数失量函数。对每一值它给出天线对从该方向上入身射的平面波的响应。
。（）的每个分量的大小与探测器的远场方向图相同，故根据普通方向图测量（幅度和相位）即可确定。（）。
8.2.1.2复数信号的变换
对V（P）作变换，便可得到ro（K）的两个分量的一个方程：So(K).to(R)=-e)d
-JJV(P)e.P d.dy ...
4元-ag
用第二个“独立的”探测器重复上述测量，可得所需的第二个方程，该探测器可以由线极化探测器绕其轴旋转90°得到。
8.2.1.8远场参数
用3.2.1.2得到的两个方程，可以确定（）的两个分量，而远场参数由（）得到。如功率增益为：
式中：「，天线的反射系数。
G() =4(/k)2[,(K) 2
（4）
3.2.2测试设备
这种测量系统的主要部件概略地示于图2，扫描器是一个类似于x-记录仪的大型机械结构。它4
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支承探测器并使其在平面上移动以进行测量。揭合器的任选输入
数字位置
显示轴BCD
（扫描器）
定位器
垂直同步
数字位置BCD
上水平同步
显尔轴
定位器电机控制
步进（\或）
定位器电机控制
扫描（工或y）
数字位置
程序器
位置指令
耦合器的任选
定位器
控制单元
富度数字
转换器
BCD输出
数字数据
腾合器
BCD输出
相位数字
转换器
图2自动定位和测量系统的方框图3.2.2.1探测器平面运动的精度
记录仪
参考信号
幅度和相
位敏感接
来白探测
器的信号
须精密地制造扫描器，以保持探测器平面运动的精度x入/100，并精确地知道探测器的x-y位置。
3.2.2.2扫描面积
应在x和方向上等间距的点上进行数据测量，且扫描面积要略大于天线面积。这个面积的大小基本上决定了能精确算出远场数据的最大角度，关系式为：tan-
式中：ax-
一x方向的天线尺寸，
一扫描长度。
3.2.2.3采样间距
（5）
数据点之间的间距应略小1入/2，对于宽波束天线，间距可能应小到入/4，而对强方向性天线，间距可以增大到约一个波长，为了确定最佳间距和扫描面积以及验证多次反射确实小到可以忽略，应在实际的天线-探测器对上进行试验。8.2.3计算方法
主要的计算工作是求积分，以便算出S。（K）.（）。这一积分是复数二维富里哀变换，用快速富里衰变换（FFT）求这个积分是非常有效的。3.2.4平面近场法的限制
平面近场法已用于各种天线，频率范围从约1GHz到65GHz。吸收材料的有效性和天线的波束宽度限制了低频，而定位器的精度限制了高频。平面近场法对定向天线很有效，而在接近偏离测量平面法向土90°的地方误差最大。若在广角上能量较大，则可能需要过大的扫描面积，这种情况下，圆柱面或球面扫描更有效。
3.8圆柱面近场法
在圆柱扫描面场合，理论和计算要比平面情况复杂一些。主要的计算仍然可以用FFT完成，并依然要补偿探测器方向性的影响。圆柱扫描面由探测器的一维运动加上被测天线在方位定位器上的旋转获得。这就减小了扫描器的复杂性，但是却增加了所需的微波吸收材料的数量。6
3.4球面近场法
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采用球面扫描面时，数学问题要复杂得多，虽然对大部分计算仍然可用FFT，但由测量数据得到远场参数仍然还有相当大的工作量。只有对某些理想的或简单的探测器才能得到完全的探测器校正。原则上这个扫描面最适合于宽波束天线。把被测天线装在两轴定位器上而让探测器固定，就可得到“自由扫描”。对已经装在定位器上的大天线无须附加任何硬设备用这个方法便可获得扫描面。4中等距离天线测试技术
4.1概述
4.1.1基本原理
中等距离测试技术利用的距离介于2D2/入与近场距离之间。幅度和相位都在中等距离测试，然后以某种方式进行“中到远场”变换，得出远场辐射方向图。4.1.2主要优点
这种技术的一个明显优点是传统的远场测试场能够适用于中等距离测试。保留远处的测试塔、定位器等设备，只需增添新的接收和记录系统，对现有测试场加以改建，就可用该方法进行测量。这比单独修建近场设备有利，因为大多数天线测试最好还是利用普通的方法进行，而远场测试场可能还要利用。
4.2测试方法
4.2.1全息技术wwW.bzxz.Net
4.2.1.1设备框图
被测天线进行
格橱扫描
遥控天线
衰减睿口
移相器
国基准天线
混合接头T
输出数据
图3全息技术
信号额
全息技术采用的设备如图3所示。一个固定的微波喇叭产生基准波，它通过T形混合接头与天线信号组合。
4.2.1.2测量和数据处理
以定位器轴确定的格栅形式，利用天线的俯仰一一方位定位系统进行扫描，从而获得全息照相。从全息信号的规则采样形成的数据矩阵由计算机进行快速富里哀变换，得出各种天线图表。4.2.1.3特点
a。这种“纯”全息技术的一个特点就是只需要一个幅度接收机（而不是幅度-相位接收机)，因为在全息照相过程中本来就存储了相位信息。b。容易从测试数据变换到口径区，从而得到天线的表面误差。4.2.2干涉技术
4.2.2.1设备框图如图4所示。图中A为被测天线，放在两轴定位器上，B为固定基准天线，C为远处的天线。图中所示的为无回波室内的测试设备，该系统对室内或室外测试场都是一样的。图5表示馈电电路，包括能从某个任意参考零点转换90°和180°的移相器。6
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图4测试系统结构
4.2.2.2测试
射频信号源
中分配
移相器
匹配负载
图5天线A和B的馈电
被测天线与基准天线基本上是并联馈电的，以便得出干涉方向图。与全息技术一样，干涉方向图实质上含有相位信息。被测天线的数据采样需用两轴定位器，切割方式可以是大圆切割或圆锥切割5扫频法
5.1扫频法的主要用途
5.1.1确定宽带天线出现“异常现象”的频率当在工作频带内的离散频率上测量甚宽频带天线，例如对数周期天线的方向图时，可能漏掉它们幅度方向图中的重要变化。这些变化一般与频率有关，并且是窄带的。这种现象常常称为方向图中的“异常现象”。消除“异常现象”，通常就可以使这些天线设计最佳化。用扫频法可以确定出现“异常现象”的频率。
5.1.2天线远场交叉极化的测量
扫频法特别适合于天线远场交叉极化的测量。其原因是复杂的机械支撑构件会产生交叉极化，在这些构件内存在各种电谐振，从而产生其幅度随频率剧烈变化的散射辐射。注意，若以波长计的构件很大，则相关频率范围不会很宽。随后，测量增益随频率的变化。5.2切割与记录方式
5.2.1切割方式
通常只需作主平面切割，对线极化天线来说，可只作E面及H面切割。测量时，被测天线的一个空间角坐标固定，而另一个角坐标在所关心的角范围内递增式变化。5.2.2记录方式
对每个角增量，当工作频率在被测天线的工作频带内扫描时，连续地记录接收信号的幅度。所有曲线都记录在同一张纸上，得到一族曲线。若被测天线的增益和幅度方向图是理想化的，即不随频率而变化，则由弗里斯传输公式可知，在对数-频率尺度上实测的曲线族应当由近似平行的直线族构成，直线的斜率为每个倍频程-6dB。为了得到这样的结果，天线测试场及其测试设备必须是理想的。5.3对测试设备的要求和数据修正法5.3.1对测试设备的要求
如果在一个良好的自由空间测试场上进行测量，为获得良好效果，应为这个测试场选择一个最佳宽带源天线和一个具有近似平坦频率响应的接收系统。图6所示曲线是典型的结果。若在锥形无回波室进行测量，那么必须保证源天线充分靠近该室的顶点，使照射场中不出现深的谷点，所以用扫频法检验源天线位置是个好办法。
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频率（GHz）
图6作为频率的函数，角坐标步长取为5°的一个宽频带天线的幅度方向图（最长面的线是边射情形）5.3.2数据修正
与频率有关的反射及测试设备的频率响应不够平坦是主要误差源。5.3.2.1方法之
如果测试设备的响应是已知的，则可根据它们的响应对数据进行修正。5.3.2.2方法之二
这一方法基本上就是扫频增益传递测量。使用一个基准天线单独作一次扫频测量，并把数据储存起来，然后用电子仪器把由被测天线所得到的所有数据与基准天线的响应进行比较，记录下来的就是基准天线响应和被测天线的响应之差。可用数据归一化器或联机小型计算机完成这一任务，对频带内的任一·给定频率，将每个角增量上的相对电平与角度的关系画成曲线，即得被测天线幅度方向图。5.3.2.3对基准天线的要求
基准天线应具有类似被测天线的幅度方向图，从而使基准天线在测试场上对反射的响应与被测天线大致相同。这样在用5.3.2.2项方法时，反射的影响趋向于被消除。显然，被测天线转到远离瞄准方向时，由反射引起的误差就加大。也可以利用被测天线本身作基准天线，这时第一根曲线是一直线。6天线特性的间接测量
6.1概述
反射器天线的性能主要取决于它的结构所达到的精度。因而可以测量反射器的实际表面，然后根据这些数据计算该天线的电气性能。此外，这种方法可以作为一种判断手段，以便把反射器表面调整到允许的公差范围以内。通常希望测量精度至少为最短工作波长的1/20。6.2测量方法
6.2.1分解摄影三角测量法
6.2.1.1分解摄影
这种方法使用两个或更多的长焦距照像机对待测表面重选摄影。待测表面用自粘性的照像目标均匀散布，像呈现在照像纸上，如图7所示。8
强光位
焦距（F）
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照像坐标系
目标的像
照像机轴
采用的坐标系
图7分解摄影三角测量法的示意图6.2.1.2数据处理
使用最小二乘三角测量处理方法，按照这种方法，把目标的像的二维测量结果同时加以处理以便对每个离散目标得到一组唯一的三维坐标。6.2.1.3测量精度
测量精度取决于测量方法所能达到的程度，一般可达反射器直径的两万分之一到十万分之一。6.2.2精密测距法
6.2.2.1概述
对于工作在毫米波的大型反射器天线，摄影测量法预测天线特性可能是不够精确的。可以利用的另一种方法是精密距离测量。作为对这种距离测量法所提出的精度要求的一个例子，一个工作在3.5mm波长上的65m天线要求在3000多个点上调整到±0.1mm的精度。用距离测量法可以达到这个精度，在此方法中，所测定的是各点离两个固定点如抛物面的焦点和顶点的距离。6.2.2.2测量方法
在测量上述65m天线时，从几米到60m左右的距离上各点距离的测量应当快速完成，最好采用自动系统。为此可用调制激光束，反射器表面以类似于图7的方式用目标（小型光学立方体）散布，激光束通过可用程序控制的镜子射向目标。整个测量过程由小型数字计算机控制。相对于一个参考信号测量回波信号的相位，相移正比于往返的总距离。6.2.2.3分辨模糊的方法
若距离和调制频率使相移超过一个周期，将出现模糊，可按已知的粗略距离或用双频系统解模糊度。
6.2.2.4测量精度
使用这种方法在长达60m的距离上已达到了0.08mm的精度，这种方法已经十分成功地用于大型反射器天线中。
6.2.3小车测量法
6.2,3.1测量原理
对于高精度反射器表面，可用小车装置十分精确地测出表面某一点处的曲率，小车在三个点上与待测表面接触，在其中心正对着待测点有一个精密深度传感器（精度可达0.10μm），三个接触点装有滚轮。说明这一方法可参照图8。表面曲率K为：9
式中：P点的切线与x轴的夹角
一弧长。
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图8把反射器表面上一个点的坐标与测量的曲率联系起来所使用的几何关系角，可由积分求得，即
由于sin6,是y坐标对于弧s的导数，于是singd.
因此求得两个积分便可得到曲线上每一点的坐标。6.2.8.2测量精度
由于小车的三个接触点上装有轮子，故小车可沿反射器的各个不同的半径滚动，对曲率连续采样。用这个方法已经达到o.05mm的精度。6.2.3.3方法的优缺点
虽然这种方法不能直接给出每个独立点的读数，但测量快而方便。它对反射面粗糙度和灰尘是敏感的，但是在短量程内它是很精确的。如果在比较长的测量范围内，由于两次积分，系统误差趋于累积。同时从起始位置建立两个积分常数比较困难，另外，还有由于小车的重量会引起局部虚假的曲率以及面板之间的不连续等问题。6.2.4其他测量方法
其他的间接测量方法有五棱镜法、钢带经纬仪法等。6.3间接测量方法的缺陷
间接测量的着眼点是尽可能精确地调整好天线，但把天线移动人位或者环境温度的改变和天线自重都可能使其变形。从而便可以指出应作那些修正并提出改进天线性能的办法。附加说明：
本标准由电子工业部标准化研究所提出。本标准由电子工业部第39所负责起草。本标准主要起草人柯树人、王书惠。10
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