天線方向性圖校準規(guī)范（球面近場掃描法）

I 2 2 2 2 3 4 5 5 6 2 4 6 6 6 7 9 1《測量不確定度的評定與表示》以及IEEEStd1720?-2012《IEEERecommended3.1方向性圖radiationpattern12315有多種類型。常見方式為上極化下方位掃描架，如圖1所于水平面，垂直度允差為±0.05°;極化軸與方位軸垂直允差為±0.05°;方位軸與極探頭定位器：有效旋轉(zhuǎn)角度范圍為0~180°,角度分辨率小于0.05°。輸出功率-110~10）dBm；41大，因此直連方式通常只用于小型測量系統(tǒng)。在大型測量系統(tǒng)中所需射頻線纜5y開口波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)開口波導(dǎo)z旋轉(zhuǎn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用外混頻方式，核心是縮短射頻源與AUT之間y待測天線近場探滾動軸10MHz輸出頭射頻輸出觸發(fā)輸入z觸發(fā)輸出LAN參考混頻器LO輸入測試混頻器DetectorOutIF輸出旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)待測天線近場探滾動軸10MHz輸出頭射頻輸出觸發(fā)輸入z觸發(fā)輸出LAN參考混頻器LO輸入測試混頻器DetectorOutIF輸出微波信號源旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)IF輸入Det.IF輸入Det.暗室LO暗室LOOut/微波信號源低噪放控制室低噪放控制室TxTxLOOutRx程控計算機矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀程控計算機矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀LAN控制線LAN控制線6確定好實驗室坐標系(x,y,z)和探頭坐標系上(x'',y'',z'')。一種推薦的坐標系設(shè)置方式詳見附錄C。根據(jù)待測天線的特性和習(xí)慣在安裝AUT時，應(yīng)盡量讓AUT的坐標系(x',y',z')與實驗室坐標系(x,y,z)重合，如AUTxAUT 探頭z>3λ r 7z''軸需與實驗室坐標系z軸共線（z''軸與z的偏離球面相隔距離大于三倍波長(λ),見圖4所示。簡單而言，球面近場掃描半徑根據(jù)方向性圖測試要求，設(shè)置中頻接收機或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的中頻帶寬、頻率、外調(diào)整極化軸和方位軸控制器，在相應(yīng)角度范圍內(nèi)，采集每一個(r,θ,φ)位置對應(yīng)的頻率、傳輸系數(shù)幅度和相位w(r,x,θ,φ)等數(shù)據(jù)，可依照附錄A所示（或其轉(zhuǎn)置）作數(shù)據(jù)處理；這里(r,θ,φ)為球坐標,x為探頭旋轉(zhuǎn)角度。數(shù)據(jù)采樣率N可由事先寫好的程序利用球面近場天線測量采集到的數(shù)據(jù)w，可通過附錄D.2所示近場-遠場變換式8g)進行校準的日期，如果與校準結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)說明被校對象的1θ1...θN2本方法采用上極化下方位球面近場掃描方式校準。其中探頭（型號及系列號）作為發(fā)射天線，待測天線（型號及系列號）作為接收天線。待測3器，型號為?？山柚跍y微準直望遠鏡，通過卡具微調(diào)，確保待測天線口面與實驗室z軸垂直。探頭的z''軸對準球面近場掃描中心。方向性圖和其他重要切面方向性圖（示例見圖B.3~B(a)E-面方向性圖40對于上極化下方位掃描架而言，y軸垂直于水平面，并向上；z軸水平，并指向探坐標用(x,y,z)或(r,φ,θ)表示。球面掃描坐標系也可稱為實驗室坐標系，見圖C-1。yx極化軸z方位軸5待測天線的坐標系用(x',y',z')表示。對于待測喇叭天線而言，x',y'平面與天線口'zy'y'x'x圖C-2AUT坐標系(x',y',z')zyx圖C-3近場掃描探頭的坐標系(x'',y'',z'')6設(shè)球坐標系為(r,θ,φ),x為探頭繞視軸（即z''軸）的旋轉(zhuǎn)角度。N=[kr0]+n2]表示對kr0取整，波數(shù)k=2πλ,λ為波長，單位為m，r0為待測天線AUT的最小這里A是一個經(jīng)驗值，取決于所需測量精度。對于小口徑天線，n2最小值可取為10；當相對電平小于-80dB時，A=3.6；相對電平小于-100dB時，A=5。方位角掃描間隔Δφ的要求與Δθ相同；但當包含待測天線并與z軸平行的圓柱的半M≈[krc]+n2。設(shè)球面近場天線測量采集到的數(shù)據(jù)為w?？赏ㄟ^求解近場7x——探頭的極化角,x=0,π/2，弧度Rad；eimφdm(θ)eiμx——球面波函數(shù)的旋轉(zhuǎn)系數(shù)；dm(θ)：m,μ,θ各自含義。μ=±1：探頭的模式P或A較大時,有μ=±1；σ=1,2；v=μm和n對應(yīng)于m階n次連帶勒讓德函數(shù)Pnm(cos=1，2.求和符號中的希臘字母角標(σ,μ,v)對應(yīng)于探頭；拉丁字母角標(s,m,n)對應(yīng)于待測根據(jù)得到的待測天線的傳輸系數(shù)Tsmn，利用式（D-7）得到遠場方向性圖W'。smnμ=±18對于W'(x,θ,φ)，可通過適當?shù)膬?nèi)插來增加分辨率。然后再歸一化到最大值，即：W9球面近場掃描中對于方位角旋轉(zhuǎn)對稱性探頭，可只考慮球面波模式μ=±1的情況。圖(θ,φ)，可通過共極化下的E面方向性圖f1(θ)=Kθ(θ,0)、H面方向性圖f2(θ)=-Kφ(θ,π2)和極化比p=EyEx來確定(假定電場極化方向為x軸,探頭坐標系{f1(θ)θ+pf2(θ)φ}cosφ+{pf1(θ)θ-f2(θ)φ}sinφ(E-1)式中θ和φ分別為θ軸和φ軸的單位矢量。球面近場掃描中的近場-遠場變換理論是嚴格的，僅忽略了探頭與待測天線間的多這里的待測量為采用上極化下方位球面近場掃描法得到的近場數(shù)據(jù)根據(jù)球面近場-微分方式來做評估方向性圖。為此，待測量f(x)可采用“自我比較法”[1]來做評估，Δf(x)=f(x1,x2,...,xi+Δxi,...,xN)-f(x1,x2,...,xi,...,xN)（F-1）N+ΔxN'表E-1方向性圖測量不確定度匯總表示布112---13架精度141516應(yīng)171819料11---1 111性111122分別采用球面近場方法和遠場方法測量同一個標準增益喇叭天線得到的遠場方向性 FF SNFNormalizedNormalizedE-plane[dB]-20-40-60-100-80-60-40-20020406080100Thetaangle[Deg]-5-15-20-25-30-35-40 SNFMoM-80-70-60-50-40-30-20-10010203040506070800Thetaangle[Deg]0針對同一個喇叭天線,分別采用本項目研制的球面近場系統(tǒng)以及采用北京空間飛行-10-20-30-40-50-60-70-80-90NIM_SNFNIM_SNF_x-pol