【相控阵教程】第十一讲-微波暗室及天线测试基本知识

【相控阵教程】第十一讲-微波暗室及天线测试基本知识声明

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相控阵老刘0.

引子暗室又称电波暗室，有的暗室又被称为微波暗室、无反射室等。暗室的作用就是防止外来电磁波的干扰，使测量活动不受外界电磁环境的影响，防止测试信号向外辐射形成干扰源，污染电磁环境，对其它电子设备造成干扰。建造一个电波暗室需要考虑的因素很多，各公司、企业或检测机构具体情况千差万别，因此建造的电波暗室也各不相同。那么建造电波暗室应主要考虑哪些因素呢？0.1根据用途设计电波暗室一般电波暗室可分为：电磁兼容测试电波暗室和天线测试电波暗室。1）

电磁兼容测试电波暗室主要替代开阔场，是进行电磁兼容测试的场所，按标准要求一般设计为半电波暗室，暗室除地面外其它五面粘贴吸波材料，地面为反射金属板。其特点是频率范围宽，国际标准一般规定频率范围为30MHz～1GHz目前大多都做到30MHz～18GHz，军用标准频率范围为30MHz～40GHz，主要指标有：屏蔽效能、场地均匀性，归一化场地衰减和传输损耗等。电磁兼容测试电波暗室又分为3米法、10米法和5米法标准电波暗室，各公司、企业或检测机构可根据自己的资金情况、可利用土地面积、常用测试对象尺寸，选择适合的电波暗室，没有必要照抄其他单位模式。2）

天线测试电波暗室模拟的是自由空间电磁环境，电波暗室六面体全部粘贴吸波材料，在主反射区粘贴比其它区域吸波性能更优质的吸波材料。适合在电波暗室内测试的天线一般都在微波频段，所以天线测试电波暗室又被称为微波暗室。在理想状态下暗室各个方向都应无电磁波反射，这是建造天线测试电波暗室的原则。虽然无论设计的多么合理，建造的多么完善和优质，各个方向一点都没有电磁波反射显然是做不到的。因此设计天线测试暗室时，首先根据被测天线的有效尺寸，频率范围，天线特性设计一个静区，静区内的电磁环境应符合被测天线测试的需要。

0.2天线测试电波暗室的特点：1）各公司、企业或检测机构可根据自己的需要设计暗室的频率范围，静区特性等。天线测试暗室频率范围不像电磁兼容测试暗室那样具有特定的要求，而其静区特性、驻波特性、暗室六面体墙壁吸波材料的反射率等都比电磁兼容测试暗室要求要高。特别是对于低旁瓣天线，有特殊要求的天线等都要经过科学计算特殊设计，科学选取和粘贴适当的吸波材料。2）天线测试暗室对电磁屏蔽没有严格的要求。有的甚至不需要单独设计屏蔽体进行屏蔽，直接在墙壁上粘贴吸波材料即可。利用建筑墙壁和吸波材料对电磁波的屏蔽和吸收效果即可满足要求。这当然还要看建造暗室地点的电磁环境如何，电磁环境不同其要求也不一样。如果预建造暗室地点周围电磁环境较差，可能影响到测试结果时，或者在天线测试时辐射功率较大，可能影响到周围的电磁环境时则需要考虑建造合适的屏蔽体进行屏蔽。

0.3常用暗室技术要求简述：1）电磁兼容测试电波暗室电磁兼容测试电波暗室技术要求在国际标准、军用标准中具有明确的要求。特别是在国际电磁兼容暗室标准中其技术要求、测试方法都已明确规定。下面一些技术要求供读者参考：(1)

电磁屏蔽性能频率范围屏蔽效能14KHz～1MHz≥60dB，1MHz～1000MHz≥90dB，1GHz～18GHz(40GHz)

≥80dB。(2)

场地均匀性在1.5m×1.5m假想垂直平面上75%的场强幅值偏差应在0dB～＋6dB之间。(3)

归一化场地衰减和传输损耗归一化场地衰减和传输损耗与理论值的偏差应在±4dB之内。2)天线测试暗室（微波暗室）天线测试暗室其性能要求无统一标准，一般来说频率范围应满足本单位的需要，在设计的天线测试暗室静区内最大反射电平值相对于主波束电平值低45dB，横向和纵向场强均匀性优于1.5dB。以上性能要求只是一般天线测试暗室的性能要求，对于高性能天线，低旁瓣天线或具有特殊要求的天线，还应根据实际需要计算设计暗室的性能要求。天线测试暗室用于远场测试的，应考虑暗室空间符合远场测试条件。0.4暗室其它设施的设计：暗室除了要考虑建筑体尺寸、屏蔽性能、暗室吸收电磁波性能外，其它设施的设计或选用也是非常重要的。(1)辅助设施性能的好坏都将影响整个暗室的性能。电源线和信号线滤波器考虑暗室将来要使用的电源类型和最大功率负荷，如测试设备、被测设备和辅助设备以及照明系统等要使用交流380V、220V、110V、直流供电、变频电源等。特别是电磁兼容测试暗室有严格的电磁屏蔽要求，如果有某一缺陷都将给测试工作带来极大的不便。(2)信号接口板和波导通风窗信号接口板用来安装信号转接端子，用以电波暗室与控制室、放大器室或其它用途的测试室之间的信号连接，信号接口板的安装数量，位置以及其上的转接端子的类型、数量都应考虑好，暗室内需要安装波导通风窗、排气扇或空调系统，注意波导通风窗的频率范围、屏蔽效能等。(3)消防报警装置和照明设施选择的照明设施应不产生任何的电磁干扰，应易于更换维修，消防报警装置应不影响暗室整体性能。(4)暗室监控系统在暗室内要安装摄像监控系统，根据暗室大小、实际需要设计安装摄像头的数量，监视器的数量及性能。以方便观察、监控测试系统和被测设备的工作状态。(5)测试转台、电源线走线和信号线走线，在暗室内应配备必要的测试转台，其性能要满足测试的要求。注意应将电源线和信号线分开并作适当的屏蔽，避免形成干扰。(6)环保要求建造暗室不可避免地要用到一些粘结剂，特别是吸波材料的制作吸波材料的粘贴等。有的暗室完工后会散发出一种刺鼻的气味，将对测试人员的身体健康产生不利影响。因此，一定要对暗室承建商提出环保要求，并作为验收条款之一。

0.5暗室性能测试：电磁兼容测试暗室其屏蔽性能、场地均匀性、归一化场地衰减、传输损耗等都应按国际标准、国家标准，进行测试并保证其合格。天线测试暗室没有统一的测试标准，但有约定的测试方法。值得注意的是，在测试暗室时使用的天线应与将来在暗室中准备测试的天线其性能相当。在暗室测试时采用的天线不同（例如天线波瓣宽度不同）其测试结果会有很大差别，使用窄波瓣天线测试，其测试结果优于使用宽波瓣天线测试的结果，这就意味着使用窄波瓣天线测试合格，使用宽波瓣天线测试不一定合格。所以在暗室招标时应预先规定暗室测试时所用的测试天线类型，包括收发天线，以避免暗室验收时引起不必要的争端。1.

半电波暗室、全电波暗室及开阔场介绍电磁兼容性测试EMC（ElectroMagneticCompatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC设计与EMC测试是相辅相成的。EMC设计的好坏是要通过EMC测试来衡量的。只有在产品的EMC设计和研制的全过程中，进行EMC的相容性预测和评估，才能及早发现可能存在的电磁干扰，并采取必要的抑制和防护措施，从而确保系统的电磁兼容性。否则，当产品定型或系统建成后再发现不兼容的问题，则需在人力、物力上花很大的代价去修改设计或采用补救的措施。然而，往往难以彻底的解决问题，而给系统的使用带来许多麻烦。电磁兼容测试场地包括：开阔试验场理论基础：30-1000MHz高频电磁场的发射和接受完全是以空间直射波与地面反射波在接收点相互迭加。标准：ANSIC63.7、CISPR16要求：平坦、空旷、电导率均匀良好、无任何反射物的椭圆形或圆形试验场地开阔试验场的归一化场地衰减（NormalizedSiteAttenuationNSA）：评定试验场质量的技术指标屏蔽室定义：专门设计的能对射频电磁能量起衰减作用的封闭室。作用：对于EMC测量，屏蔽室提供符合要求的试验环境。屏蔽室的屏蔽效能定义：没有屏蔽体时空间某点的电场强度Eo（或磁场强度Ho）与有屏蔽体时被屏蔽空间在该点的电场强度E1（或磁场强度H1）之比。S=Eo/E1=Ho/H1SE=20lg(Eo/E1)（采用对数单位分贝dB进行度量）SH=20lg(Ho/H1)（采用对数单位分贝dB进行度量）电波暗室电波暗室（AnechoicChamber）又称电波消声室或电波无反射室。按结构形式分为：①电磁屏蔽半波暗室ElectromagneticShieldedSemi-anechoicChamber)，模拟开阔试验场；②微波电波暗室（全电波暗室）MicrowaveAnechoicChamber，屏蔽室只是一个大铁箱子，起到阻断室内外的无线电信号，通俗的讲，就是里面的出不去，外面的进不来，但是里面的电磁波会在内壁反射叠加。

电波暗室是在屏蔽室的基础上，在内壁铺设了吸波材料，模拟一个开阔场的效果，暗室比屏蔽室贵很多就是贵在暗室内贴的这些材料上面。里面的电磁波发射到内壁会被吸收，基本不会产生反射叠加的混波效应。适合测试样品的辐射发射干扰。暗室一般分全电波暗室和半电波暗室。

对实验环境要求不高的测试比如传导骚扰、静电测试、浪涌测试、雷击测试等都是通过电源线上进行的，所以只需要在屏蔽室内进行就够了；而对于空间辐射、空间骚扰通过空间传播的骚扰或者是抗干扰则对空间有特殊要求，因此需要在暗室内进行，模拟空旷场地的空间。全电波暗室、半电波暗室、开阔场，在这三种测试场地中进行的辐射试验一般都可以认为符合电磁波在自由空间中的传播规律。全电波暗室全电波暗室减小了外界电磁波信号对测试信号的干扰，同时电磁波吸波材料可以减小由于墙壁和天花板的反射对测试结果造成的多径效应影响，适用于发射、灵敏度和抗扰度实验。实际使用中，如果屏蔽体的屏蔽效能能够达到80dB~140dB，那么对于外界环境的干扰就可以忽略不计，在全电波暗室中可以模拟自由空间的情况。同其它两种测试场地相比，全电波暗室的地面、天花板和墙壁反射最小、受外界环境干扰最小，并且不受外界天气的影响。它的缺点在于受成本制约，测试空间有限。

半电波暗室半电波暗室亦称电磁兼容暗室。半电波暗室与全电波暗室类似，也是一个经过屏蔽设计的六面盒体，在其内部覆盖有电磁波吸波材料，不同之处在于半电波暗室使用导电地板，不覆盖吸波材料。半电波暗室模拟理想的开阔场情况，即场地具有一个无限大的良好的导电地平面。在半电波暗室中，由于地面没有覆盖吸波材料，因此将产生反射路径，这样接收天线接收到的信号将是直射路径和反射路径信号的总和。是目前国内外流行的和比较理想的EMC测试场地。这种暗室因为是开阔场的代替场地。所以完全沿用开阔场的标准测量方法。

开阔试验场开阔场是平坦、空旷、电导率均匀良好、无任何反射物的椭圆形或圆形试验场地，理想的开阔场地面具有良好的导电性，面积无限大，在30MHz~1000MHz之间接收天线接收到的信号将是直射路径和反射路径信号的总和。但在实际应用中，虽然可以获得良好的地面传导率，但是开阔场的面积却是有限的，因此可能造成发射天线与接收天线之间的相位差。在发射测试中，开阔场的使用和半电波暗室相同。电磁兼容的各个测试项目都要求有特定的测试场地，其中以辐射发射和辐射抗扰度测试对场地的要求最为严格。由于80～1000MHz高频电磁场的发射与接受完全是以空间直射波与地面反射波在接收点相互迭加的理论为基础的。场地不理想，必然带来较大的测试误差。开阔试验场是重要的电磁兼容测试场地。但由于开阔试验场造价较高并远离市区，使用不便；或者建在市区，背景噪声电平大而影响EMC测试，所以常用室内屏蔽室来替代。但是屏蔽室是一个金属封闭体，存在大量的谐振频率，一旦被测设备的辐射频率和激励方式促使屏蔽室产生谐振时，测量误差可达20～30dB，所以需要在屏蔽室的四周墙壁和顶部上安装吸波材料，使反射大大减弱，即电波传播时只有直达波和地面反射波，并且其结构尺寸也以开阔试验场的要求为依据，从而能模拟室外开阔场的测试，这就是电磁屏蔽吸波暗室，又简称为EMC暗室，成了应用较普遍的EMC测试场地。美国FCC、ANCIC63.6—1992、IEC、CISPR及国军标GJB152A-97、GJB2926-97《电磁兼容性测试实验室认可要求》等标准容许用电磁屏蔽半电波暗室替代开阔试验场进行EMC测试。

EMC暗室结构通常由RF屏蔽室、吸波材料、电源、天线、转台等几部分构成：由RF屏蔽室保证测试不受外界干扰；由吸收材料保证暗室的吸收特性；天线、转台保证被测物按标准要求的状态及条件进行测试；电源系统保证试验用电。RF屏蔽门、通风波导窗、摄像机、照明灯、电源箱等辅助设备都应尽可能设计放在主反射区之外，避免任何金属部件暴露在主反射区。暗室的地板是电磁波唯一的反射面。对地板的要求是：连续平整无凹凸。不能有超过最小工作波长1/10的缝隙，以保持地板的导电连续性。暗室内接地线和电源线要靠墙脚布设，不要横越室内，电线还应穿金属管，并保持金属管与地板良好搭接。为了避免电波反射影响测量误差，人和测试控制设备不应在测试场地内。所以一般EMC暗室都由测试暗室和控制室构成，测试暗室内安放测试天线和被测设备，操作人员和测试控制仪器都在控制室内。如有大功率功放设备，还应建立功放室放置这些设备，以免对周围环境产生干扰。暗室和控制室要各自采用独立的供电系统，使用不同相的电源，经过各自的滤波器，以避免控制室的干扰通过电源线进入暗室内。下面着重介绍下国内常见的半电波电磁兼容暗室：电磁兼容半电波暗室主要用于替代无电磁波干扰的开阔试验场进行电磁辐射骚扰测量和电磁辐射敏感度测量。由于半电波暗室的测试环境需要模拟开阔试验场地的电磁波传播条件(即电磁波传播时只有直射波和地面反射波)，故暗室尺寸应以开阔试验场的结构要求为依据，一般分为标准的10m法，5m法和3m法等。半电波暗室的种类很多，无论从功能上、结构形式上、材料选择上、安装形式上都有较大的差异。但是采用哪种方案，主要根据使用者需要的测试类型，被测物的空间尺寸、试验级别等。首先我们要明确测试频率范围，是作军标测试还是民标测试，是进行厂家内部预兼容及诊断测试，还是要进行第三方的认证测试;其次要明确被测对象可能占据的最大空间、试验室主要应用标准、自身的资金状况以及将来可能的扩展升级需求等因素，由此选择一个合适可行的试验场地和仪器设备的配置方案。

图3m法半电波暗室

图3m法全电波暗室建造半电波暗室可以采用两种基本方式：拼装式和焊接式。拼装式壳体由成型钢板(在四边经两次弯板制成)和螺栓固定模块构成。任意相邻两块屏蔽模块间都有导电衬垫，以保证优良的射频屏蔽和电连续性。这种方式结构轻，易于装配，便于将来维修和拆卸，施工周期短。焊接屏蔽系统由大片的钢板焊接在一起构成，它们形成了一个紧密的射频密封体。焊接封装的好处在于经久耐用，并因消除了接缝泄漏而具有更高的屏蔽性能，但不易拆卸，适合于固定场所。由于各暗室厂家建造暗室的屏蔽板类型不同，屏蔽板之间的连接方式和工艺也不一样，为了保证良好的电接触和密封性，应对他们采用的屏蔽板及其连接方式进行详细了解和比较，并结合实际的施工周期等要求进行选择。建设一个EMC实验室是一项系统工程，它遵循科学的设计接口关系：测试设备→半电波暗室→母体建筑设计。对具体工程的实施来说，该顺序正好相反，经历母体建筑施工→半电波暗室安装→测试设备安装调试的过程。因此，在建造半电波暗室之前必须先建好母体建筑，包括占地面积、结构承载、空间尺寸、供电、供气、空调及防水等。母体建筑的设计首先要考虑足够的天花板高度以容纳所建的半电波暗室、传导测试屏蔽室、屏蔽放大器室，以及其它附属设施的要求。母体建筑与暗室之间必须预留足够的空间，以便于暗室的安装、维修和通风。母体建筑的地板主要承担所有屏蔽体和安装部分的重量及负荷，也需要特别注意。土建地面需要精心铺设，要求地面的波纹度在数米的范围内不超过几毫米，还有很高的防潮要求。此外，暗室内的转台需要装设在一定深度的混凝土凹坑中，地势较低，必须作好防水处理。在开始安装暗室前，对承载地面一般还有比较高的残留湿度要求，对每一个试验室还要提供接地电阻很低的接地点等。由于暗室与母体建筑之间所涉及的接口问题比较多，并且国内建筑公司对其中的一些要求基本上没有可借鉴的经验，所以尽量让土建设计单位、施工单位和暗室厂商进行交流和沟通是非常必要的。半电波暗室建设涉及的几个方面：1）.电波暗室的尺寸。你应该清楚你所要建造的暗室是标准10米法半电波暗室还是标准3米法半电波暗室或是根据你的场地要求定制尺寸的电波暗室;电波暗室是否要配套修建屏蔽的控制室及放大器室，它们各自的长、宽、高尺寸是多少，它们建造在暗室的哪个方向。2).屏蔽门的类型、尺寸和数量。屏蔽门分单刀、双刀、三刀等不同类型，并有电动、气动和手动三种。你要根据你将来的被测设备和人员进出方便程度以及屏蔽门的屏蔽性能、耐用性、可靠性、易维护性等多方面综合考虑来选择它们。3).屏蔽板的类型和连接方式。由于各暗室制造厂商用来建造暗室的屏蔽板类型不同，屏蔽板之间的连接方式和工艺也不相同。为了保证好的接触紧密性和电连续性，应该注意对他们选用的屏蔽板及屏蔽板之间的连接方式进行了解和比较。4).屏蔽室屏蔽性能。应该让暗室制造厂商提供其电磁屏蔽室可以达到的具体的屏蔽性能指标(给出具体数值)，其中应该包括不同频率段(从低频段到高频段)对磁场、电场、平面波、微波的屏蔽性能指标。5).吸波材料。注意暗室制造厂商所采用的吸波材料的生产厂家和型号(包括铁氧体吸波材料和尖劈吸波材料);注意吸波材料的组成结构及它的抗高温、高湿性能和阻燃性能;了解其长期使用是否易变形以及各种吸波材料在不同频带内的吸波性能，了解它们在暗室中的铺设方式和铺设位置及作用。6).电源线和信号线滤波器。考虑好暗室将来要使用的电源类型和它们的最大功率，如测试设备、受试设备和辅助设备以及照明系统等是否要使用380v、220v、110v交流电压，是否有需要直流供电的测试和受试设备，它们的数量是多少，是否有特殊的测试设备和辅助设备需要特殊的滤波器等，这些都需要考虑周全，以便供应商提前准备好这些电源线和信号线滤波器。7).信导板和波导通风窗。暗室内需要安装波导通风窗与排气扇或空调系统进行连接。注意波导通风窗的频段设计，其屏蔽性能要符合屏蔽室的屏蔽性能。信导板用来安装不能直接通过屏蔽墙体进行安装的端子或信号接口;信导板的安装数量、位置以及其上的端子的数量和类型要和测试设备供应厂商一起进行商讨来决定。8).火情报警装置和照明设施。注意选择不会产生任何无线电干扰的照明设施;火情报警装置的安装应该不会影响暗室的性能。9).暗室内的自动化装置。暗室内的自动化装置包括天线升降塔、转台和监测系统及可对它们进行控制的控制器。天线升降塔的选择要考虑生产厂家、型号及是否有安装天线的适配器，是否受到测试设备的支持(即与它相连接的测试设备的测试软件是否有支持它的驱动程序);转台同样应该受到测试设备的支持并根据受试设备的大小来确定转台的尺寸及承载能力，同时要考虑转台的旋转角度和定位精度;监控系统包括安装在暗室中的摄像机和安放在控制室内的监视器，可根据实际使用情况来选择摄像机和监视器的数量，摄象机要选择可在宽的频率范围和高的场强下正常工作且不会产生射频干扰信号的机种，并将其安装在无饭射区域。10).暗室的性能测试和保修培训。由于暗室不仅适用于emc中的emi测试，还可用于ems中的辐射抗扰度测试。因此，暗室的性能检测要包括暗室屏蔽体建成后的屏蔽性能测试和暗室全部建造完成后的场地衰减测试和场均匀测试。这些测试要根据合同要求和国际上暗室建造验收的有关标准来进行。要选择有知名度的和经过权威机构认可的测试机构。暗室的保修和配套设备、部件的保修以及培训要写进合同中去。2.微波暗室一般技术指标2.1微波暗室参数微波暗室的电性能指标主要由静区的特征来表征。静区的特性又以静区的大小、静区内的最大反射电平、交叉极化度、场均匀性、路径损耗、固有雷达截面、工作频率范围等指标来描述。影响微波暗室性能指标的因素是多元化的，也是很复杂的。在利用光线发射法和能量物理法对暗室性能进行仿真计算时，需要考虑电波的传输去耦，极化去耦，标准天线的方向图因素，吸波材料本身的垂直入射性能和斜入射性能，多次反射等影响。但在实际的工程设计过程中，往往以吸波材料的性能作为暗室性能的关键决定因素。交叉极化度：由于暗室结构的不严格对称、吸波材料对各种极化波吸收的不一致性以及暗室测试系统等因素使电波在暗室传播过程中产生极化不纯的现象。如果待测试天线与发射天线的极化面正交和平行时，所测试场强之比小于-25dB，就认为交叉极化度满足要求。多路径损耗：路径损耗不均匀会使电磁波的极化面旋转，如果以来波方向旋转待测试天线，接收信号的起伏不超过±0.25dB，就可忽略多路径损耗。场均匀性：在暗室静区，沿轴移动待测试天线，要求起伏不超±2dB；在静区的截面上，横向和上下移动待测天线，要求接收信号起伏不超过±0.25dB。2.2天线测量的误差1)有限测试距离所引起的误差设待测的是平面天线，接收的来波沿其主波束的轴向。若测试距离大小，由待测天线之不同部位所接受的场不能相同，因此具有平方根律相位差。若待测天线恰位于源天线远场区的边界2D2/λ，其口径边缘与相位中心的场存在22.5度的相位差.若测试距离加倍，在相位差减半。对于测量中等旁瓣电平的天线，距离2D2/λ通常已经足够，测出的增益约偏小0.06dB。测试距离缩短会使测量误差迅速增大，旁瓣会与主波束合并成肩台式，甚至合为一体通常0.25dB的锥销使测出的增益降低约为0.1dB，并造成近旁瓣的些许误差。2)反射直射波受从周围物体反射的干涉，在测试区域形成场的变化，由于该波波程差作为位置的函数而迅速变化，使起伏的长度属于波长的数量级。例如比直射波低20dB的反射波，可引起-0.92～+0.83dB的功率误差，具体取决于两种之间的差异；相位测量的误差范围为±5.7°，但若反射波的场比直射波低40dB，则侧出的幅度与相位分别仅有±0.09与±0.6°的误差。反射在低旁瓣的测量中特别有害。一项很小的反射通过主瓣耦合到待测天线，可以完全掩盖住耦合到旁瓣的直射波。如果相耦合的直射和反射波强度相等，则测出的旁瓣电平会抬高6dB左右，或者在测得的波瓣图中成为零点。3)其他误差还可能导致天线测量产生误差的因素有：低频时与电抗近场的耦合可能比较显著；测量天线的对准误差；其他干扰信号；测试电缆所引起的误差等。3.暗室静区及天线近场和远场的介绍3.1

静区、远近场介绍电场（E场）产生于两个具有不同电位的导体之间。电场的单位为m／V，电场强度正比于导体之间的电压，反比于两导体间的距离。磁场（H场）产生于载流导体的周围，磁场的单位为m／A，磁场正比于电流，反比于离开导体的距离。当交变电压通过网络导体产生交变电流时，会产生电磁（EM）波，E场和H场互为正交同时传播，如图1所示。

图产生电磁（EM）波，E场和H场互为正交同时传播电磁场的传播速度由媒体决定；在自由空间等于光速3×10^8m／s。在靠近辐射源时，电磁场的几何分布和强度由干扰源特性决定，仅在远处是正交的电磁场。当干扰源的频率较高时，干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与被干扰者之间的距离r＞λ／2π时，则干扰信号可以认为是辐射场即远场，它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以泄漏和耦合形式，通过绝缘支撑物等（包括空气）为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。当干扰源的频率较低时，干扰信号的波长λ比被干扰对象的结构尺寸长，或者干扰源与干扰对象之间的距离r＜λ／2π，则干扰源可以认为是近场，它以感应场形式进入被干扰对象的通路。近场耦合用电路的形式来表达就是电容和电感，电容代表电场耦合关系，电感或互感代表磁场耦合关系。这样辐射干扰信号可以通过直接传导方式引入线路、设备或系统。图2是辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系图。

图辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系图静区：所谓静区就是指微波暗室内受杂散波干扰最小的区域，也就是在短波通信中，自发射天线数十公里以外直至电离层把电波反射回地面以前的一个区域。微波暗室静区重要性：暗室的电性能主要由静区的特性来描述。静区的特性又以静区的大小、静区内的最大反射率电平、交叉极化度、场强均匀性、路径损耗、固有雷达截面、工作频率范围等参数来描述。其中，静区内的最大反射率电平是主要因素。所以，设计一个暗室，必须给定静区的性能指标，然后由此来决定暗室的尺寸、吸波材料的选择等。由此可以看出静区的性能指标对微波暗室的搭建非常重要。微波暗室静区性能测试：

微波暗室用于天线测量。作为室内测量，微波暗室应能把发射天线直接辐射到接收天线主波束区以外的射频能量,尽可能地吸收或改变其反射方向，使之不进入接收天线的主波束区，即在接收天线所在区域内提供近似无反射的静区。测试方法：

静区性能的核心指标是反射电平，其它指标本质上均与反射电平有关。静区反射电平可以采用自由空间电压驻波比法来测量。微波暗室是一个模拟的“自由空间”，由于暗室内壁吸波材料吸收电磁波不完全，对于入射到它上面的电磁波始终存在着大小不同的反射，这些反射随空间位置的不同而不同，它们与直射波矢量迭加后就形成了自由空间电压驻波，其数量大小就反映了暗室空间反射电平的大小。设Ed为来自源天线的直射波场强，Er为等效反射波场强，它与轴线夹角为θ。令接收天线方向图在θ方向的电平为A（dB），则接收天线方向图最大值旋转到θ方向时，它在直射波方向收到的场强Ed’将为Ed’=Ed×10A/20设直射波Ed’和反射波Er同相和反相时检测到的场强最大值和最小值分别用B（dB）和C（dB）来表示，则可分下列三种情况讨论：1)Er<Ed’时B=20lg(Ed\'+Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20+Er)/Ed10A/20C=20lg(Ed\'-Er)/Ed’=20lg(Ed10A/20-Er)/Ed10A/20则暗室反射电平Γ为Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20-1)/(10(B-C)/20+1)]2)Er=Ed’时Γ=A3)Er>Ed’时同理可得Γ=20lg(Er/Ed)=A+20lg[(10(B-C)/20+1)/(10(B-C)/20-1)]因此，只要测出空间驻波曲线和接收天线的方向图，就可以按上述三类情况计算出反射电平。Er和Ed\'的大小判别方法是：由于Ed’随天线的移动有规律变化，Er无规律变化，在某一取向角上，如果实测空间驻波曲线的平均值出现无规律的变化，就能判别Er>Ed\'，或在这个取向角上，实测空间驻波曲线的平均电平比在这个取向角上方向图电平高，也能判别Er>Ed\'。天线的近场区和远场区：微波暗室搭建成功，就可以用于我们的天线测量，围绕着天线的场可以划分为两个主要的区域：接近天线的区域称为近场或者菲斯涅耳（Fresnel）区，离天线较远的称为远场或弗朗霍法（Fraunhofer）区。参考下图，两区的分界线可取为半径R=2L2/λ

(m)其中，L是天线的最大尺寸（米），λ是波长（米）。

在远场或弗朗霍法（Fraunhofer）区，测量到的场分量处于以天线为中心的径向的横截面上，并且所有的功率流（更确切地说是能量流）都是沿径向向外的。在远场，场波瓣图的形状与到天线的距离无关。在近场或者菲斯涅耳（Fresnel）区，电场有明显的纵向（或者径向）分量，而功率流则不是完全径向的。在近场，一般来说场波瓣图的形状取决于到天线的距离。

如果如下图所示用想象的球面边界包裹住天线，则在接近球面极点的区域可以视为反射器。另一方面，以垂直于偶极子方向扩散的波在赤道区域产生了穿透球面的功率泄漏，就好像这个区域是部分透明一样。

这导致了天线附近的能量往返振荡伴随赤道区域的向外能量流的情况。外流的功率决定了天线辐射出去的功率，而往返振荡的功率代表了无效功率——被限制在天线附近，就像一个谐振器。天线周围场划分：通常，天线周围场，划分为三个区域：无功所场区，辐射近场区和辐射远场区。射频信号加载到天线后，紧邻天线除了辐射场之外，还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因而将此区域称为电抗近场区，它的外界约为一个波长。超过电抗近场区就到了辐射场区，按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。

无功近场区：

又称为电抗近场区，是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中，电抗性储能场占支配地位，该区域的界限通常取为距天线口径表面λ/2π处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换，是一种感应场。辐射近场区：超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入空间。按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。辐射远场区：通常所说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。严格地讲，只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区。

公认为，辐射近场区与远场区的分界距离R为：2D*D/λ。见下图。

其中，图是的D为天线直径；为天线波长，D>>λ。要进一步说明的是：辐射场中，能量是以电磁波形式向外传播，无功近场中射频能量以磁场、电场形式相互转换，并不向外传播。3.2近场工作区反射电平测试原理及方法近场工作区反射电平测试原理采用自由空间电压驻波比法测量近场工作区反射电平，测量原理是基于微波暗室中存在有直射信号和反射信号，微波暗室中空间任意一点的场强是直射信号和反射信号的矢量合，在空间形成驻波，驻波数值的大小就反映了微波暗室内反射电平的大小。

VSWR法测量原理图

当接收天线主瓣对准发射天线时，所接收到的信号为ED。移动接收天线，则接收天线的直射信号ED与反射信号ER的相对相位将会改变，此时接收天线收到的信号幅度将产生波动，如图所示，这一波动反映空间固有驻波，由此即可得到反射电平。

暗室空间驻波图将接收天线转到比最大电平低a（dB）的方位角q时，则所接收的直射信号Eq=ED10a/20。当反射信号与直射信号同相时合成场最大，这时以b表示：

当反射信号与直射信号反相时合成场最小，这时以c表示：

则反射电平：

因此测出空间驻波曲线和接收天线方向图，就可以计算出微波暗室反射电平。测试方法在近场工作区内针对主反射墙的吸波材料进行特定频段吸收特性的测试。测试位置的选取测试近场工作区反射电平时，发射天线先置于暗室中心轴线上，接收天线置于正对被测墙壁的一个合理位置，并沿两天线轴线移动一段距离进行反射电平的测试。测试位置如图所示。

近场静区测试位置示意图(俯视图)

近场静区测试位置示意图(侧视图)

测试设备连接示意图测试步骤a）连接好测试系统，按上图置发射天线及接收天线于测试位置Ⅰ；b）设置信号源频率为1GHz，输出功率调至合适大小使发射天线辐射信号，接收天线在正对发射天线方向，沿待测行程线移动，并记录接收信号曲线，测试曲线作为这条行程线的参考电平线；c）将接收天线方向朝向被测墙壁吸波材料方向，接收天线沿这条测量行程线移动，并记录空间驻波曲线；d）改变天线极化方式，重复以上步骤a）～c）的测量；e）分别在2GHz、5GHz、10GHz、18GHz、40GHz频率点，重复步骤b）~d），直至完成所有频率点测量；f）改变发射天线及接收天线位置，如图2-3所示，分别至位置Ⅱ、位置Ⅲ，重复上述步骤b）~e）的测量;g）改变发射天线及接收天线高度，如图2-4所示，分别至H2、H3，重复上述步骤b）~f）的测量。数据处理近场工作区反射电平按公式计算：

式中：b-c：最大驻波的幅值；a：接收天线在方位角θ时的方向图电平3.2远场静区幅度均匀性测试方法远场静区幅度均匀性是指发射天线保持不动，接收天线在静区内沿指定行程线移动时，接收信号幅度变化情况。在进行幅度均匀性测试时，接收天线沿图所示的区域不同高度的行程线进行横向运动，采集区域内各个位置的幅度数据，经过数据筛选及处理后得到静区内一个圆形平面的幅度均匀性测量结果。通过对静区内多个平面进行测量，得到整个静区的幅度均匀性测试结果。

测试行程线示意图（静区横切面）测试间隔的设置远场幅度均匀性的测试间隔距离如表所示：表

行程线的选取间隔类别测试间隔测试面0.5m测试面内行程线0.2m测试设备连接示意图

测试步骤a）连接好测试系统，按图3-2置发射天线及接收天线于测试位置Ⅰ；b）设置信号源频率为1GHz，输出功率调至合适大小使发射天线辐射信号，接收天线在正对发射天线方向，沿待测行程线移动，并记录接收信号曲线；c）改变测试行程线在一个测试面内的不同高度进行测量；d）改变天线极化方式，重复以上步骤a）～c）的测量；e）分别在3GHz、5GHz、10GHz、18GHz频率点，重复步骤b）~d），直至完成所有频率点测量；f）改变测试面，重复上述步骤b）~e）的测量;数据处理远场静区幅度均匀性的计算公式：

3.3大型天线的测试对天线与某个应用进行匹配需要进行精确的天线测量。天线工程师需要判断天线将如何工作，以便确定天线是否适合特定的应用。这意味着要采用天线方向图测量(APM)和硬件环内仿真(HiL)测量技术。虽然有许多不同的方法来开展这些测量，但没有一种能适应各种场合的理想方法。例如，500MHz以下的低频天线通常是使用锥形微波暗室(anechoicchamber)，这是20世纪60年代就出现的技术。遗憾的是，大多数现代天线测试工程师不熟悉这种非常经济的技术，也不完全理解该技术的局限性(特别是在高于1GHz的时候)。因此，他们无法发挥这种技术的最大效用。

如果对频率低至100MHz的天线测量，天线测试工程师理解各种天线测试方法(如锥形微波暗室)的优势和局限的重要性就愈加突出。在测试天线时，天线测试工程师通常需测量许多参数，如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线方向图的技术之一是远场测试，使用这种技术时待测天线(AUT：AntennaUnderTest)安装在发射天线的远场范围内。其它技术包括近场和反射面测试。选用哪种天线测试场取决于待测的天线。

为更好地理解选择过程，可以考虑这种情况：典型的天线测量系统可以被分成两个独立的部分，即发射站和接收站。发射站由微波发射源、可选放大器、发射天线和连接接收站的通信链路组成。接收站由AUT、参考天线、接收机、本振(LO)信号源、射频下变频器、定位器、系统软件和计算机组成。在传统的远场天线测试场中，发射和接收天线分别位于对方的远场处，两者通常隔得足够远以模拟想要的工作环境。AUT被距离足够远的源天线所照射，以便在AUT的电气孔径上产生接近平面的波阵面。远场测量可以在室内或室外测试场进行。室内测量通常是在微波暗室中进行。这种暗室有矩形的，也有锥形的，专门设计用来减少来自墙体、地板和天花板的反射(图1)。在矩形微波暗室中，采用一种墙面吸波材料来减少反射。在锥形微波暗室中，锥体形状被用来产生照射。

图：这些是典型的室内直射式测量系统，图中分别为锥形(左)和矩形(右)测试场。近场和反射测量也可以在室内测试场进行，而且通常是近场或紧缩测试场。在紧缩测试场中，反射面会产生一个平面波，用于模拟远场行为。这使得可以在长度比远场距离短的测试场中对天线进行测量。在近场测试场中，AUT被放置在近场，接近天线的表面上的场被测量。随后测量数据经过数学转换，即可获得远场行为(图2)。图3显示了在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波。

图2：在紧缩测试场，平坦波形是由反射测量产生。一般来说，10个波长以下的天线(中小型天线)最容易在远场测试场中测量，这是因为在可管理距离内往往可以轻松满足远场条件。对大型天线(electricallylargeantenna)、反射面和阵列(超过10个波长)来说，远场通常在许多波长以外。因此，近场或紧缩测试场可以提供更加可行的测量选项，而不管反射面和测量系统的成本是否上升。

假设天线测试工程师想要在低频下进行测量。国防部门对此尤感其兴趣，因为他们需要研究诸如在低频下使用天线等事项，以便更好地穿透探地雷达(GPR)系统中的结构(针对工作在400MHz范围的射频识别(RFID)标签)，以及支持更高效的无线电设备(如软件定义无线电(SDR))和数字遥感无线电设备。在这种情况下，微波暗室可以为室内远场测量提供足够好的环境。

矩形和锥形是两种常见的微波暗室类型，即所谓的直接照射方法。每种暗室都有不同的物理尺寸，因此会有不同的电磁行为。矩形微波暗室处于一种真正的自动空间状态，而锥形暗室利用反射形成类似自由空间的行为。由于使用了反射的射线，因此最终形成的是准自由而非真正自由的空间。

众所周知，矩形暗室比较容易制造，在低频情况下的物理尺寸非常大，而且随着频率的提高工作性能会更好。相反，锥形暗室制造起来较复杂，也更长一些，但宽度和高度比矩阵暗室要小。随着频率的提高(如2GHz以上)，对锥形暗室的操作必须十分小心才能确保达到足够高的性能。

通过研究每种暗室中使用的吸波措施可以更清楚地认识矩形和锥形暗室之间的区别。在矩形暗室中，关键是要减小被称为静区(QZ)的暗室区域中的反射能量。静区电平是进入静区的反射射线与从源天线到静区的直接射线之差，单位是dB。对于给定的静区电平，这意味着后墙要求的正常反射率需等于或大于要达到的静区电平。

由于矩形暗室中的反射是一种斜入射，这会使吸波材料的效率打折扣，因此侧墙非常关键。但是，由于存在源天线的增益，只有较少的能量照射到侧墙(地板和天花板)，因此增益差加上斜入射反射率必须大于或等于静区反射率水平。

通常只有源和静区之间存在镜面反射的侧墙区域需要昂贵的侧墙吸波材料。在其它的例子中(例如在位于源后面的发射端墙处)，可以使用更短的吸波材料。在静区周围一般使用楔形吸波材料，这样有助于减少任何后向散射，并防止对测量造成负面影响。

锥形暗室中采用什么吸波措施呢?开发这种暗室的最初目的是为了规避矩形暗室在频率低于500MHz时的局限性。在这些低频频段，矩形暗室不得不使用低效率天线，而且必须增加侧墙吸波材料的厚度来减少反射并提高性能。同样，必须增加暗室尺寸以适应更大的吸波材料。采用较小的天线不是解决之道，因为更低的增益意味着侧墙吸波材料仍必须增大尺寸。

锥形暗室没有消除镜面反射。锥体形状使镜面区域更接近馈源(源天线的孔径)，因此镜面反射成为照射的一部分。镜面区域可以用来通过形成一组并行射线入射进静区，从而产生照射。如图3所示，最终的静区幅度和相位锥度接近自由空间中的期望值。

Theparallelraysshowngraphicallyarecreatedbythe

taperedshapeofthetestchamber

图：在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波使用阵列理论可以更清楚地解释锥形暗室的照射机制。考虑馈源由真实的源天线和一组映像组成。如果映像远离源(在电气上)，那么阵列因子是不规则的(例如有许多纹波)。如果映像比较靠近源，那么阵列因子是一个等方性图案。对位于(远场中的)AUT处的观察者来说，他看到的源是源天线加上阵列因子后的图案。换句话说，阵列将看起来像是自由空间中的独立天线。在锥形暗室中，源天线非常关键，特别是在较高频率时(如2GHz以上)，此时暗室行为对细小的变化更加敏感(图4)。整个锥体的角度和处理也很重要。角度必须保持恒定，因为锥体部分角度的任何变化将引起照射误差。因此测量时保持连续的角度是实现良好锥形性能的关键。

Atypicaltaperedchamberdesignisshownhere.whiletheabsorberlayoutmayappearsimple，theareaclosetothesourceantenna（taperedregion）iscritical.在典型的锥形暗室中，吸波材料的布局看起来很简单，但离源天线较近的区域(锥形暗区域)非常重要。与矩形暗室一样，锥形暗室中的接收端墙体吸波材料的反射率必须大于或等于所要求的静区电平。侧墙吸波材料没有那么重要，因为从暗室立方体部分的侧墙处反射的任何射线会被后墙进一步吸收(后墙处有性能最好的吸波材料)。作为一般的“经验之谈”，立方体上的吸波材料的反射率是后墙吸波材料的一半。为减少潜在的散射，吸波材料可以呈45度角或菱形放置，当然也可以使用楔形材料。表中提供了典型锥形微波暗室的特性，可以用来与典型的矩形暗室作比较。较少量的锥形吸波材料意味着更小的暗室，因此成本更低。这两种暗室提供基本相同的性能。不过需要注意的是，矩形暗室要想达到与锥形暗室相同的性能，必须做得更大，采用更长的吸波材料和数量更多的吸波材料。

图：一个用于天线测试的200MHz至40GHz小型锥形暗室。虽然从前面的讨论中可以清楚地知道，在低频时锥形暗室可以比矩形暗室提供更多的优势，但测量数据表明锥形暗室具有真正的可用性。图5是一个200MHz至40GHz的小型锥形暗室，外形尺寸为12×12×36英尺，静区大小为1.2米。这里采用了一个双脊宽带喇叭天线照射较低频率的静区。然后利用安捷伦(Agilent)公司的N9030APXA频谱分析仪以一个对数周期天线测量静区。在200MHz点测得的反射率大于30Db(如图6所示)。图7和图8分别显示了馈源顶部的源天线和静区中的扫描天线。

图：从图中可以看出，在200MHz点测得的反射率大于30dB。

Inthistestsetup，adualridgehornisusedasthesource

图：图中测试采用双脊喇叭作为源。有许多像APM和HiL那样的不同方法可进行天线测量。测量技巧在于选择正确的天线测试场，具体取决于待测的天线。对于中型天线(10个波长大小)，推荐使用远场测试场。另一方面，锥形暗室可以为低于500MHz的频率提供更好的解决方案。它们也可以用于2GHz以上的频率，但操作时需要备加小心才能确保获得足够好的性能。通过了解锥形微波暗室的正确使用，今天的天线测试工程师可以使用非常有用的工具开展100MHz至300MHz以及UHF范围的天线测量。

图：图中测试采用一个对数周期天线来扫描QZ以测量反射率4.

微波暗室中天线远近场测试

4.1天线测量主要方法1）天线远场测量技术原理：将待测天线架设在离地较高的支架上，在天线辐射远场区（r≥2D^2/λ）安装扫描探头，直接测量天线远场处的各项特性。

优缺点：可直接测量得到天线的远场特性。不存在近场测量中变换理论误差等，但传统的远场受地面反射波的影响较大，难以达到特别理想的测量精度，此外，远场测量还受周围电磁干扰、气候条件、有限测试距离、环境污染和物体的杂乱反射等因素影响，已经越来越难以适应现代卫星天线等各种复杂天线的测量要求。2）紧缩场测试技术原理：在电磁环境与外界隔离的暗室中，将待测天线做为馈源，发送球面波，再经高精度抛物面金属板的反射面反射，而在一定远距离处会形成近似平面波区域（静区）。将扫描探头放置在静区内，可直接测量待测天线远场得到其远场特性。

优缺点：理想远场环境（暗室）下进行测量，能很好的模拟和控制各种电磁环境。但是，暗室造价昂贵，一般情况下不会专门采用，对各机械系统的精度要求非常。

3）近场测量技术原理：探头在天线辐射近场区域内采集天线近场区域辐射场的数据，再经近场——远场变换理论，由计算机处理得到天线的远场特性。

优缺点：不受远场测试中的距离效应和外界环境的影响，具有测试精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列优点，而且通过合适的软件及成熟的校准理论，有效的补偿各种测量误差，其测量精度甚至可优于远场测量，也是当前高性能天线测量的主要方法之一。但是，近场——远场变换理论要求同时已知近场幅度和相位信息，而近场扫描技术中相位信息测量难度较大，对机械系统，测量间距，取样点数，滤波等需要计算机仿真优化，以尽可能的减小测量误差。

天线测量主要测试项：

待测天线的指标测量项：天线电性能主要参数有电路特性参数和辐射特性参数。辐射特性参数：增益、半功率波束宽度、前后比、交叉极化鉴别率、圆度（全向天线）、副瓣抑制（赋形）、零点填充（赋形）、电下倾斜角精度等；电路特性参数：驻波比、三阶交调、隔离度（多端口天线）、幅相一致性（智能天线）、有源驻波（智能天线）等。天线周围的场区分布：

感应场区是指非常靠近天线的区域。感应场区里，占优势的是感应场，其电场和磁场的时间相位相差90度，波印亭矢量为纯虚数，因此不辐射功率，电场能量和磁场能量相互交替地贮存于天线附近的空间内。上图所示电尺寸小的偶极天线，其感应场区的外边界是λ/2π。这里，λ是工作波长。感应场随离开天线的距离的增加而极快衰减，超过感应场区后，就是辐射场占优势的辐射场区了.天线周围的场区分布：

辐射近场区的外边界按通用标准规定为：r=2D^2/λr：观测点到天线的距离D：天线孔径的最大线尺寸孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区：

辐射远场区：辐射近场区的外边界以外就是辐射远场区，范围直到无穷远处。这个区域里的特点是：

场的大小与离开天线的距离成反比；场的相对角分布与离开天线的距离无关；方向图主瓣﹑副瓣和零点已全部形成。辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线辐射特性所包括的各特性参数的测量一般均需在辐射远场区内进行。

孔径天线产生的场：

图：计算孔径天线外场的坐标系

孔径天线所产生场的表达式：

原则上，无论何种场区内的场，均应由上式计算求得。特别是感应场区内，上式难以做任何简化。但是，在辐射场区内，从实际工程和测试工作角度看，可以对该式做一定的简化处理，以利计算和分析，而又不损其精度。

·随距离r的增加，场的振幅按1/r的关系非单调衰减，而是先震荡地变化，然后单调地下降；·场振幅的相对角分布与离天线的距离有关，亦即在不同的距离处天线的方向图是不同的。

图：辐射近场区方向图的变化

可以看到，离天线很近时，方向图只有一个具有起伏包络的波瓣。随着离天线距离的增加，方向图才逐渐接近于无穷远处的情况，形成较明显的主瓣和副瓣，但副瓣电平和零值电平均较高。

由于辐射远场区这个区域离开天线的孔径更远，因此将：

进一步简化为：

这一近似实际上就是把孔径上任意点到观察点p的射线都看成是平行的，得：

可以看出，式中积分内没有与r有关的因子，因此，远区辐射场随距离的变化有以下的特点：

·场的振幅按1/r的关系单调地衰减；·方向图与距离无关，且方向图主﹑副瓣已明显形成，零值点也很深。下面介绍几种扫描方法：近场扫描法原理：近场扫描法是用一个特性已知的探头，在离开待测天线几个波长（近场区）的某一表面进行扫描，测量天线在该表面各离散点上辐射场的幅度和相位分布，然后基于严格的模式展开理论，确定天线的近场特性。最后，经近场-远场变换理论，由计算机编程进行变换以及误差校准处理，近似得到待测天线远场特性。常用分类：根据扫描面几何形状，通常采用平面近场（PNF），柱面近场（CNF）和球面近场（SNF）。每一种都需将平动及转动的组合实现在理想曲面上的扫描。补偿技术：热漂移补偿、阻抗适配补偿、探头位置补偿、电缆扰动补偿、扫描截断补偿、采样补偿、探头与天线间多重反射补偿、系统相位补偿噪声与接收机范围补偿、环境散射补偿、随机误差、串扰与泄漏、组合不确定度补偿等。平面扫描法（PNF）：

图：矩形平面扫描示意图原理：矩形扫描是一种常用的PNF技术，如图1所示，扫描的数据是在网格上特定的x，y点处收集得到。探头放置在沿y轴的直线滑轨上。y轴滑轨安放在沿x轴向的第二个滑轨上。适用类型：适合于像碟状或相位阵列这样的高度定向天线，这类天线几乎所有的接收和发射的能量都会通过平面扫描区域。扫描区域：最简单的是将某扫描区域边缘之外的数据设置为零，并观察计算出的远场变化大小。当远场变化比较明显时，说明扫描区域内测得的数据量过少，应适当的增加扫描点数，从而保证经变化得到的远场近似于待测天线的远场。减小由边界截断带来的测量误差。柱面扫描法（CNF）

图：柱面扫描示意图原理：典型的柱面近场扫描设备是将待测天线安装于转台之上，扫描探头沿平行于转台转轴的直线方向上移动。通过合理地配置这些运动，准确的定位需要测量的网格点位置，保证探头能够在柱面特定的网格点处获取近场振幅和相位数据。

安装：柱面测量系统中，待测天线位于方位转台之上，其口径面边缘垂直于地面，探头沿垂线方向上进行扫描，位于方位转台之上的待测天线沿圆周运动。转动待测天线，垂直方向上扫描一次，一周之后，可完成整个柱面的扫描，该系统的示意图如图2所示。二者的组合运动在柱面上形成了相互关联的采样格点。球面扫描法（SNF）

图：球面扫描示意图原理：在𝜑和𝜃坐标系下采集数据。待测天线安装定位于𝜑轴（横滚）转台上，该转台又安装于另一个𝜃轴（方位）转台之上。

优点：这种技术能用于任何天线的测量，尤其适用于那些不适合用平面和柱面测量的全向或近似全向天线。但球面测量是对天线周围空间的完整测量，其最能完整的体现天线的辐射特性，理论上的误差最小，测量的精度最高，也是未来近场测量发展主要的趋势。缺点：导轨转动的精度及控制对测量结果的影响相对于其他两种方法，其要求较高，实现的难度更大，并且，测量得到的相位信息不太准确。表：近场扫描法对比分析测试方法对比分析PNFPNF方法对高度定向天线效果最好。其可用于定向天线的增益测量，但其对覆盖的方向图区域的限制对直接测量会带来困难。CNF对测量扇形束型天线最有用，如手机的基站天线，其辐射方向图大部分限制在小范围的高度上。SNFSNF方法中，测量面的截断是非必要的，因而，其用于精确的确定任何类型天线远处的旁瓣。因为可覆盖宽泛的角度范围大，其专门用于测量近各向同性天线，如移动电话、手机的天线，以及测量天线的定向性。4.2

误差分析辐射近场区测量天线的误差分析矩形孔径相对误差：

圆形孔径相对误差：

5.

毫米波紧缩场介绍5.1紧缩场简介随着对天线与雷达目标特性研究的不断深入，尤其是电大尺寸目标与天线、超低副瓣天线以及目标探测与识别的研究发展，人们对测量的要求也在不断提高，主要表现在测量距离、电磁环境、测量设备三个方面。为保证天线与目标特性测量的客观、准确，测量必须在一个满足远区条件的场地中进行。在通信和雷达系统的实际工作条件下，接收天线或者雷达需要探测的目标与发射天线的距离往往远大于天线口径和天线的电尺寸，即接收天线或目标处于发射天线远区场的一个很小的局部区域，此时发射天线辐射至接收机或者目标处的电磁波非常接近于均匀平面波。为保证测量条件与实际工作条件接近，理想测量场地应能保证均匀平面波照射待测天线或目标。一般来说，高增益、低副瓣的天线测量，高精度的电大尺寸目标特性测量，所要求的远区距离也就越大。为保证足够的测量精度，应使测量场地反射波和外界辐射源的影响降低到最低限度，测量对电磁环境的要求较高。如果可能，都应使测量在电波无回波屏蔽室内完成，这将非常可能导致远区距离需求与室内有限空间之间的矛盾。测量设备应该能够提供不同极化状态、宽频带的幅度和相位信息，并且具有足够的精度和较高的测量效率。紧缩场测量系统能满足天线与目标特性测量的测量距离、电磁环境、测量设备三方面要求。对紧缩场技术的深入研究与测量系统实现，已经成为天线测量、目标特性测量以及电磁兼容测量技术研究领域的前沿课题。

图1

天线场区划分及不同场区方向图示意图1给出了天线场区的划分以及对应的方向图示意。理想的测量场地应该满足均匀平面波条件，即等相位面是一个平面，并且在电磁波传播的方向上没有幅度衰减。天线的方向图、增益、极化等电参数测量是在满足远区距离条件的外场进行的。根据天远场测试条件2D2/λ可知，当目标尺寸D很大而波长λ很短时，测试距离R必须很大，有些天线的最小测试距离可能需要几公里乃至几十公里，实际中无法实现。另外，外场测试还存在受气候影响大、保密性差、背景电平高等缺点。为解决上述问题，20世纪90年代以后，人们越来越多地关注紧缩场(CompactAntennaTestRange,CATR)技术的发展和应用。它采用精密的反射面,配合馈源的合理照射，可在近距离上获得较为理想的均匀平面波，从而满足远场测试要求。紧缩场已成为是天线测量的重要手段，但紧缩场研制难度很大，其性能会影响到测试的精度和可靠性。紧缩场系统主要由紧缩场天线和微波暗室两部分组成，根据紧缩场天线的不同，紧缩场系统可分为三种基本类型：反射面型、透镜型、全息紧缩场。相对于外场和微波暗室内近场，紧缩场的优点主要有三：紧缩场产生的平面波将聚集在平行波束内，暗室内四个侧壁的照射电平很低，从而降低了对暗室的要求。室内紧缩场保密性好，室内紧缩场受气候境影响小，改善了测试条件，提高了RCS测试效率。紧缩场工作频率很宽，可以满足毫米波和亚毫米波测试要求。在微波暗室中，最关注的就是其静区的性能。所谓“静区”，就是指暗室内受各种杂波干扰最小的特定测试区域。静区的形状、大小及性能主要是由暗室的类型、大小、工作频率及吸波材料的性能等因素决定的；静区的优劣乃是衡量微波暗室性能的主要指标。而微波暗室的性能如何，则对紧缩场系统具有直接影响。在设计暗室时，可以设定各种不同的边界条件，对尖劈的高度、顶角、吸波材料及暗室的长、宽、高和入射角的变化等参数加以改变和优化，得出一系列静区大小的数据，再根据不同的要求，选择不同性能和形状的材料，就可以筛选出暗室设计的最佳方案。5.2紧缩场的各类系统介绍在紧缩场系统中，可以利用电磁波的折射、反射和衍射，借助于反射面、透镜或者全息技术来获得满足测量要求的近似均匀平面波照射，以达到缩短测量距离目的。紧缩场中用于形成近似均匀平面波的透镜或者反射面、全息片等装置及其安装所需的附属物构成准直器(Collimator)。准直器必须和经过良好设计、安装与调校的馈源一起工作。紧缩场建造过程中，必须采取措施削弱准直器本身绕射、环境反射、外部干扰等因素对近似均匀平面波区域的扰动。紧缩场中受扰动较少、满足测量要求的近似均匀平面波区域也被人们形象地称为静区。紧缩场测量是一种等效的远区场测量，但待测天线或目标并不处于准直器和馈源组成的等效天线的远区，而是处于辐射近区(Fresnel区)。由于馈源和准直器结构的多样性，进行天线辐射近区场结构的统一表述是困难的，但可以从下面三点来理解紧缩场的辐射近区中存在近似均匀平面波区域：首先，馈源与准直器之间的距离满足馈源的远区距离条件，在这个距离条件下馈源的空间场结构已经是远区辐射场，表现为辐射电磁波。其次，准直器的良好设计使得准直器将馈源的辐射电磁波转化为均匀平面电磁波，能在与准直器一定的纵向距离范围内形成具有足够大横截面尺寸的静区。第三，馈源与准直器的良好设计与装配使得二者间不存在影响静区性能的互耦或者互耦非常微弱。紧缩场通常建立在暗室内，吸波材料的运用可以降低墙壁的背景反射电平，改善静区性能。有的无回波室为了达到保密和减少外界干扰的目的，还在墙壁内铺设了屏蔽网，从而使得无回波室可以很好地满足天线、目标特性、电磁兼容等各种电磁测量需求。5.2.1反射面紧缩场

反射面紧缩场的结构形式根据实现近似均匀平面波的方式的不同，紧缩场系统可分为三类：反射面紧缩场、介质透镜紧缩场和全息紧缩场。其中反射面紧缩场是至今技术发展最成熟的一种紧缩场，也是常规微波波段应用最广泛的一类紧缩场，它的通用性和先进性已得到了全世界范围的公认。因此，这里也着重阐述反射面紧缩场的设计。根据副反射面数量的不同，反射面紧缩场可以分为单反射面紧缩场和多反射面紧缩场，而反射面的形状可以是柱面或者旋转抛物面等。图2给出了单反射面紧缩场示意图，图3-6给出了多反射面紧缩场示意图。

图2

单反射面紧缩场

图3

双柱面紧缩场

图4格利高里紧缩场

图5卡塞格伦紧缩场

图6三反射面紧缩场

反射面的口径设计以及边缘绕射反射面对静区性能影响的主要因素有两个-表面精度和边缘结构，其中表面精度主要影响频率高端的静区性能，对反射器表面精度的一般要求为起伏均方根不超过λn/100(λn为最高频率对应的波长)，而边缘结构对电磁波的绕射会影响全频带的静区性能，并对频率低端的静区性能起决定性作用。为了获得要求的静区场分布，需要对反射面形状和照射场分布进行优化设计。根据场等效原理，这一问题可以转化为对其口径等效源辐射近场的分析和计算。口径优化设计主要包括两方面内容，一方面是口径整体形状和边缘结构的设计和处理，另一方面是口径场分布的优化设计。其基本原理是通过使电磁波在边缘的能量分布逐渐降低，或使边缘绕射方向分散、偏离，以达到减少边缘绕射波对静区扰动的目的。口径辐射的近区空域场形成不均匀的空间驻波分布，在频率改变时，空域场分布随之改变。为了考察口径设计的优劣，常规方法是在多个频率下比较空间驻波的峰峰值或RMS值，并在全频段进行综合，工作量较大。而且由于这些指标只反映了多种绕射场并存条件下的总场变化，并没有建立起与某一类型绕射场的直接关系，因而不能有针对性地指导和改进设计。根据绕射理论，有限尺寸口径可以看作是由口径面和边缘组成，口径辐射近场可以认为是口径面的直接辐射场和边缘绕射场的叠加。在近场区。口径的各个等效场源中心在时域具有不同的特征。具体表现为等效源中心到观察点的距离不同。因而各绕射波到达观察点的时刻不同。利用这种场的时域特征，可以将口径直达波及各种绕射波成分在时域上分离，并进行定量描述，这为指导口径设计带来方便。口径设计需要考虑的基本问题有：口径的扩散效应、整体形状、口径场锥削。（1）口径扩散效应口径扩散效应表现为，随着观察面到口径距离增大，口径边缘绕射波和口径面直达波到观察点距离趋于一致，口径利用率逐渐降低。良好的紧缩场口径设计应该保证静区主波和绕射波在时域上有良好的隔离，主波电平分布均匀，边缘绕射电平低。（2）整体形状整体形状指口径整体外形的轮廓。口径整体形状对静区场有较大影响，常用的紧缩场反射面口径外形轮廓有圆形和方形两种。方口径中心轴线上边缘绕射波影响要远小于圆口径，因而比较适合用于紧缩场设计。方口径在水平和竖直方向都能获得较理想的场性能，并且相对于圆口径不会在轴线上出现较大的驻波起伏。（3）口径场锥削为了抑制或消除口径边缘绕射在近场区的影响，一般将口径场设计成从中心到边缘呈锥削分布。在紧缩场设计中，不仅要消除口径边缘绕射对近区场的影响，而且要使近场区场幅度呈均匀分布。这就要求尽量减少口径场锥削度，与降低绕射场电平的要求形成矛盾，为此，可采用一种基于多项式设计的理想连续锥削分布。在紧缩场工程设计中，可以通过对馈源方向图的设计，使反射面口径场呈一定锥削分布，但很难实现理想的连续锥削。为此，一般将反射面边缘设计成如图8所示的锯齿形状，使口径场呈现等效的连续锥削。锯齿设计难以达到理想连续锥削设计效果，但