测控与通信 ２００６年第１期
ＮＳＩ２０００天线近远场测量系统测试原理与方法木
史够黎 赵军民 盛 军
（中国电子科技集团公司第３９研究所 西安７１００６５）
摘要详细论述了ＮＳＩ２０００天线近远场测量系统的测试原理和方法，并对天线近远
场测量结果作了比对，同时对测试中应注意的问题作了简要说明。
关键词 天线测量系统 远场测量 近场测量 微波暗室
１ 概 述
随着高精度天线的生产和发展，天线特性的精确测量已成为非常重要的问题之一。本文介绍
的ＮＳＩ２０００近远场天线测量系统，是由美国ＮＳＩ公司于２０００年研制的一套高自动化、高精度的
天线测试系统。频率范围为１００ＭＨｚ～４０ＧＨｚ（近场４００ＭＨｚ～４０ＧＨｚ），该系统不仅能对小口径的
天线进行远场测量，而且能对口径较大的天线通过近场幅度和相位自动转换为远场进行测量。由
于具备多频测量功能，极大地提高了测试效率，该系统还能同时完成天线的增益与轴比的测量，
使用起来非常方便。
２ 系统工作原理
２．１ 系统构成
１）机械子系统
近场由ＮＳＩ倒Ｔ型直立５．４ｍｘ５．４ｍ扫描架，ＮＳＩ ＡＲＣ轴控制器，Ｘ轴、Ｙ轴、ｚ轴、极化轴
步进电机及各个频段波导探头组成。
远场由Ｓ／Ａ转台、位置控制器及其显示单元组成。
２）共用射频子系统
射频子系统由收发两部分组成，其中发射子系统由Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ８２４７Ｃ综合源、ＨＰ８７３００Ｃ定向
耦合器和发射天线组成。接收子系统由Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ８２４７Ｃ综合源、频率变换器、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ８３６３Ｂ矢
量网络分析仪和接收天线组成。频率变换器又包括Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３２０Ａ／Ｂ混频器模块、Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３０９Ｃ
本振／中频分配单元。
射频转换开关进行远近场转换。
３）共用计算机子系统
由ＮＳＩ２０００ Ｗｉｎｄｏｗｓ系统软件、ＮＳＩ ＤＯＳ系统控制器及相应附件组成。
２．２基本工作原理
如图１所示接收机通过计算机总线控制射频源和本振源。射频源、定向耦合器和发射天线为
接收天线提供激励信号。
接收天线接收到的激励信号，送入Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３２０Ａ测试混频器，经混频、分离滤波，变换成
中频信号。此中频信号再被送入Ａｇｉｌｔｎｔ ８５３０９Ｃ的分离滤波器，经外部跳线和内部的参考中频放
大器送给接收机的ｂ。端，ｂ。就是初始的测试信号。
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图１ 天线近远场测量系统框图
射频源发出的射频信号经Ａｇｉｌｅｎｔ ８７３００Ｃ定向耦合器，一路被送给发射天线，另一路被送给
Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３２０Ｂ参考混频器。
从定向耦合器来的射频信号，被送入参考混频器，经混频变成中频信号，再被送入Ａｇｉｌｅｎｔ
８５３０９Ｃ，经过２０ＭＨｚ的带通滤波器，参考中频放大器，输出到接收机的ａｌ端。ａｌ就是参考信号，
接收机用此中频信号作为初始测试信号幅度和相位的参考。
ｂｌ／ａｌ的幅度和相位就是系统最终的测试信号的幅度和相位。
本振源产生的本振信号送入Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３０９Ｃ，经过本振输入放大器，功分器，被分成两路。
路经斜率衰减器，参考本振放大器，被送给Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３２０Ｂ作本振信号；另一路经斜率衰减器、
测试本振放大器、分离滤波器，被送给Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３２０Ａ作本振信号。
参考混频器内有一个功率检测器，用来检测输入参考混频器的本振信号电平值，并输出一个
与本振信号电平成比例的直流电压到Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３０９Ｃ。此本振／中频单元监测此值，通过调整本振
输入放大器的放大量，使参考混频器的本振输入功率值保持不变。
Ａｇｉｌｅｎｔ ８５３０９Ｃ本振／中频单元内有一个检测电压显示器，显示检测到的直流电压值。有一个
本振功率调整旋钮和本振功率超出自动电平控制范围指示灯。
为了使混频器产生的２０ＭＨｚ中频信号能在接收机的检测带宽内，本振源、射频源和接收机
的１０ＭＨｚ参考信号连在一起。 本地控制器通过计算机可以直接用手柄控制扫描架（远场转台）移动，为被测天线的放置提
供方便。
３ 测量类型及步骤
３．１ 远场测量
天线在旋转方位和俯仰的过程中记录远场数据，并将相对应的数据以方位／俯仰角为横坐标，
以幅相数据为纵坐标绘出远场方向图。
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３．２ 近场测量
如图２所示场分为电抗性近场，辐射状近场和远场，通常所说的近场范围指的是０－１０入。
电抗性近场 ＼
场分布 辐射状近场 远场
０ ＾ ２Ｄ ２ Ｒａｎｇｅ
＾
图２ 场分布图
１）近场理论 近场测量通过测试天线口面的电磁场，通过数学变换将采集到的数据转换为相应角度。近场
测量依靠惠更斯理论，每个点的电磁场可以被看作在任意方向上传播相同的第二个球型微波源。
将近场测量到的电磁场分量通过惠更斯理论转换为远场角度，通过相加在远场内有效的球面微波
近场分量得到远场能量。
天线不动
图３近场测量示意图 ＦＦＴ变换和探头校准
假如在一个幅相不变的平面内测量理想天线，所有的能量将会从同一方向到达平面。如果测
量面或者天线是倾斜的，测量到的相位将会相对于轴产生一个校正倾斜角，传送波也会有延迟。
相位倾斜可以通过一系列每单位距离变化的等相位面的空间频率（如图４所示）来测量。近场术
语中空间频率相当于多普勒波束理论中的多普勒频率，孔径合成中的相位倾斜距离，相位倾斜距
离（ｄ）和延迟角（ｐｈｉ）之间的关系为：
ｓｉｎ（ｐｈｉ）＝ （入＝波长）
１２＝３６０。＝２ｎｒａｃＲａｎｓ＝ｌｃｙｃｌｅ 当能量从一点到达扫描面时，空间频率最小（Ｏｃｙｃｌｅ／Ａ），当能量平行于扫描面时，空间频率
最大（１ｃｙｃｌｅ／Ａ）。扫描面有两种特性，空间频率包含ｘ、Ｙ分量并且大小和位置交替。ＦＦＴ能对
天线同时产生两种不同的角度，能量产生两种不同的空间频率进行分类。实际上天线在各个方向 ＼／／
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上传播能量，产生不同空间频率。近场范围测量，射频前向相位通过两种特性的ＦＦＴ变换为一系
列空间频率系数，空间频率系数归一，通过前面的等式转换为相应的远场角度。近场已知的空间
频率能量和特定的远场角度之间是一一对应的。
．．一 ）
Ａ￣ｏｎｎａ ＰＩ嘲ｆｒｏｎｔ— ＞
图４前向相位分布图 ２）近场采样理论
近场天线测量是一种快速精确的测量，做近场测量时必须作如下的扫描参数设置。
①扫描类型（平面）
②扫描尺寸（高度、宽度、半径）
正确的扫描高度和ＡＵＴ的物理尺寸（射频能量从天线的边缘直线传输）有关，扫描范围示
意图如图５所示，扫描高度Ｌ＝Ｄ＋Ｐ＋２Ｚ Ｔａｎ（ ）
最大采样角
Ｚ＝ＡＵＴ到探头距离，该距离严重影响测
试结果，一般情况下Ｚ＝３入～５入。
当Ｚ＜３入时，感应场的幅相特性未知，探
头和天线耦和比较厉害以产生多普勒效应。
当Ｚ＞５入时，多普勒效应太弱，易产生断
点。
③探头天线规格（探头频率范围和极化
方式１。
④扫描参数：采样间隔一般≥０．５入。 图５
３）近远场转换理论 ＡＵＴ到探头距离（Ｚ）
扫描范围示意图
近远场转换是将采集到的近场数据转换为远场。在远场范围内，远场被定义为相位斜率较小
的范围，这个角度通常选择２２．５。，这相当于远场的２Ｊ［） 。转换的远场距离定义为无限大。实
际上测量方向图时ＡＵＴ不动，通过改变Ｘ、Ｙ来改变角度。
３．３ 基本测量
３．３．１ 方向图测量
测试步骤：
１）扫描架设置如图６所示
激活新扫描，确信扫描架可以获得绝对位置，移动扫描架，使其对准ＡＵＴ的中心并记录此
时Ｘ、Ｙ的值。
２）ＮＳＩ２０００主要测试设置如图７所示
设置文件名：输入ＡＵＴ参数包括被ＡＵＴ尺寸、最大远场角度、－探头到ＡＵＴ距离；输入带
宽参数：扫描带宽，扫描中心，扫描点数或者扫描距离，该项可采用自动设置；输入测量类型： ＿］【
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位置增加或减少
图６扫描架对话框
近场采用Ｎｅａｒ—ｆｉｅｌｄ Ｐｌａｎｅｒ Ｘ—Ｙ类型，远场采用Ｆａｒ－ｆｉｅｌｄ Ａｚ／Ｂ１类型；输入开始频率，采用双向扫
描方式。
注意：自动扫描设置有可能宽度较大，不能超出扫描架的最大扫描尺寸。
图７扫描架主要设置对话框 激活新扫描
波束列表
选择参考类型 自动扫描参数 设置
开始扫描
选择扫描类型 般为该类型
３）ＮＳＩ２０００多波速设置：输入起始频率Ｄｅｌｔａ频率和要测的点数加载并存储。
多波束测试理论，如图８所示。
４）ＮＳＩ２０００探头设置
选择极化方式：单极化测试选择Ｐｏｌ１．０。或Ｐｏｌ１．９０。，Ｐｏ１２为ｎｏｎｅ；圆极化Ｐｏｌｌ－０。，Ｐｏ１２－９０。。
选择探头类型：选择相应的频段测试探头。
设置好后开始扫描，获得近场数据。采集一组数据可以绘出近场幅度方向图、相位方向图、
场方向图、等势线方向图、３Ｄ方向图、数据列表；通过近远场转换可以绘出幅度方向图如图９Ｐ）ｒ
示，相位方向图如图ｌ０所示，轴比方向图如图ｌｌ所示，等势线方向图如图ｌ２所示，场方向图如图
ｌ３所示，３Ｄ方向图如图ｌ４所示，数据列表如图ｌ５所示，从图上可以读出３ｄＢ、５ｄＢ、ｌ０ｄＢ带宽、
最大电平、左右副瓣、方向性系数，热飘移等。
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