球面近场天线测量及诊断方法研究

摘要

与平面近场天线测量和柱面近场天线测量相比，球面近场天线测量具有更广的测量角域范围的优点，适用于更多类型天线，包括窄波束天线，宽波束天线和全向天线等。本文从最基本的麦克斯韦方程组出发，着重研究了基于模式展开理论的球面近远场变换，推导出球面波模式表达式，球面波模式系数的求解方法等。分析了在具体计算过程中一些特殊函数比如连带勒让德函数、球汉克尔函数及其导数等的递推关系式，便于程序编写和计算。在球面波模式系数的求解过程中，还可以采用快速傅里叶变换来提高程序运行速度。分别以平面相控阵天线和曲面相控阵天线为计算模型，通过对其近场数据解析解进行球面近远场变换来验证本文所推导近远场变换公式的正确性，计算结果表明，球面近远场变换所得远场方向图和理论值理论远场方向图吻合良好。 随着近场天线测量技术的发展，近场测量还被用来逆向求解天线口径场单元激励电流，此即为天线的近场诊断。尤其是对于相控阵天线，通过诊断可以快速确定各个辐射单元的工作状态，对天线设计和调式等都有重要的实际工程意义。本文以天线辐射场的平面波谱为基础，推导了基于平面波谱的天线口径场的表达式，而平面波谱可以利用结合球面近远场变换计算远场方向图来得到。以平面半波对称振子阵列天线为例，分析了其口径磁场分布，继而等效为各个对称振子单元的电流分布。通过结果分析可以得到，尽管以远场方向图函数来求解平面波谱的过程中忽略了衰减模的存在，但是对于具体的诊断并没有太大的影响，其归一化的波腹电流和理论值吻合得较好。通过引入不工作辐射单元进一步验证了该诊断方法的正确性和可行性。 任何测量技术都会存在误差，近场天线测量也不例外。本文列举了球面近场天线测量常见的一些误差源，并重点研究了在实际测量过程中不能完全获得整个采样球面上的数据而引入的截断误差。以相控阵天线为例，截断误差的大小与天线的最大辐射方向和采样面边缘之间的距离密切相关。针对这种情况，本文提出了模式滤波方法和余弦窗函数加载的方法来减小截断误差。其中模式滤波的基石是表示天线辐射场球面波模式个数是严格按照包围待测天线最小球确定的。最后将模式滤波和余弦窗函数对近场数据的加载结合起来，即先通过模式滤波来重构部分未采样区域的近场数据，再通过余弦窗函数加载来进一步减小截断误差，并通过实例计算来验证该方法的可行性。

目录

第一个书签之前