天线近场测量技术探讨
引言：为什么需要近场测量？
天线作为无线系统的“眼睛”和“嘴巴”，其性能直接决定了通信的质量、距离和可靠性，为了精确表征天线性能，最直接的方法是在远场进行测量，远场测量遵循“弗里斯传输方程”，通过测量接收到的功率来计算天线的增益、方向图等参数。
（图片来源网络，侵删）
远场测量存在诸多限制：
- 距离要求苛刻：根据远场准则（$D^2/\lambda$，D为天线最大尺寸，λ为波长），对于大型天线（如相控阵基站天线、卫星天线）或高频天线（毫米波），所需的测试距离可能长达数十米甚至上百米，这需要巨大的暗室或室外开阔场地,建设和维护成本极高。
- 环境敏感：室外测量易受天气、地面反射、电磁干扰等影响，室内暗室虽能屏蔽环境,但仍需考虑墙面反射。
- 效率低下：远场测量只能逐点或逐角度获取数据，要获得完整的三维方向图，需要耗时很长的机械转动，对于有源天线或相控阵天线,还涉及到复杂的相位同步问题。
为了克服这些限制，近场测量技术应运而生，它允许在距离天线仅几个波长甚至更近的“近场区”进行测量，然后通过数学变换（主要是平面波谱理论）重建出天线的远场方向图。
核心原理：从近场到远场的变换
近场测量的理论基础是平面波谱理论，该理论指出，一个天线在空间中任意一点产生的场，可以看作是由无数个不同传播方向、不同振幅和相位的平面波叠加而成的。
近场测量的核心思想是：
（图片来源网络，侵删）
- 采集数据：用一个高精度的探头，在紧邻待测天线的某个预设表面上（如平面、柱面、球面），逐点扫描并测量电场（或磁场）的幅度和相位信息。
- 数学变换：将采集到的近场数据，通过严格的数学变换（如近场-远场变换算法），从时域/空域转换到波数域（平面波谱域）。
- 远场重建：在波数域中，可以方便地计算这些平面波在远场叠加后的结果，从而精确地重建出天线在远区的完整方向图、增益、极化等性能参数。
这个变换过程是近场测量的“灵魂”,其算法的精度和效率直接决定了测量的准确性。
主要的近场测量系统类型
根据扫描表面的不同,近场测量主要分为以下三种类型：
平面近场测量
这是最常用、最成熟的近场测量技术，尤其适用于测试高增益、笔状波束的天线，如抛物面天线、平板天线等。
- 扫描方式：探头在一个平行于待测天线口面的平面上进行二维（x-y）机械扫描,覆盖整个天线口面。
- 探头极化：探头通常需要具备双极化能力（如X和Y极化）,以同时测量待测天线的两个正交电场分量。
- 优点：
- 数学处理最简单：平面变换算法相对直接,计算效率高。
- 精度最高：平面扫描的机械运动误差（如导轨不直度）易于修正,测量精度非常高。
- 适用于高增益天线：对于波束很窄的天线,平面扫描区域可以精确覆盖其主辐射区域。
- 缺点：
- 只适用于平面天线：对于非平面天线（如共形天线）,测量结果会有误差。
- 近场截断效应：扫描平面必须足够大，以截获天线辐射到近场的绝大部分能量，否则会导致远场方向图出现“旁瓣抖动”等误差。
柱面近场测量
主要用于测试水平面全向或宽波束的天线，如基站天线、广播天线等。
（图片来源网络，侵删）
- 扫描方式：探头围绕待测天线进行一维（方位角）旋转，同时沿天线轴向进行一维（高度）平移,形成柱面扫描。
- 探头极化：探头需要能够测量轴向电场（Ez）和方位向电场（Eφ）。
- 优点：
- 适用于全向天线：能够精确重建天线在水平面360°内的方向图。
- 扫描范围灵活：可以适应不同高度的天线。
- 缺点：
- 数据处理复杂：柱面变换算法比平面复杂,计算量更大。
- 探头遮挡效应：探头在旋转过程中可能会遮挡待测天线，影响测量结果,需要进行修正。
- 对天线高度敏感：扫描柱面的高度必须大于待测天线的高度,否则会截断能量。
球面近场测量
这是最通用、功能最强大的近场测量技术，适用于测试任意形状和波束的天线，尤其是低增益、宽波束或赋形波束的天线。
- 扫描方式：探头在一个包围待测天球的球面上进行二维扫描（极角θ和方位角φ）。
- 探头极化：探头需要能够测量两个正交的电场分量（如θ和φ分量）。
- 优点：
- 通用性强：理论上可以测量任何天线,无需考虑天线形状和波束指向。
- 信息最完整：一次扫描即可获得天线完整的3D方向图和极化信息。
- 缺点：
- 成本最高：需要复杂的双轴转台系统,机械结构要求极高。
- 数据处理最复杂：球面变换算法计算量巨大,对计算机性能要求高。
- 探头遮挡效应最严重：探头在球面上运动时，遮挡问题比柱面更突出,修正也更复杂。
近场测量的关键步骤与挑战
一个完整的近场测量流程包括：
- 系统校准：这是保证测量精度的前提，使用一个已知特性的标准探头（如偶极子、小喇叭天线），在待测天线的位置进行扫描，建立探头与测量系统之间的幅度和相位响应关系,消除系统误差。
- 环境控制：必须在微波暗室中进行，以消除墙壁、天花板、地板的反射波对近场测量的干扰。
- 机械定位精度：扫描系统的定位精度必须远小于工作波长（通常要求λ/100或更高），任何机械抖动、倾斜都会引入相位误差,严重影响变换结果。
- 数据采集：需要使用矢量网络分析仪或专用的近场采集系统，精确测量每个采样点的复数（幅度和相位）数据。
- 近场-远场变换：运行核心算法,将数据从近场面变换到远场。
主要挑战：
- 成本高昂：高精度的扫描架、暗室、VNA等设备投入巨大。
- 操作复杂：对操作人员的专业技能要求高，涉及电磁场理论、机械控制、软件操作等多方面知识。
- 数据处理量大：尤其是球面测量,数据量和计算量非常可观。
- 探头设计与选择：探头本身必须是一个“好”的接收天线，其方向图、极化特性、尺寸都会影响测量精度。
近场测量的应用与未来发展
应用领域：
- 5G/6G基站天线：大规模MIMO天线、有源天线系统的精确测试。
- 卫星通信：星载天线、地面站天线的研发与验收。
- 雷达系统：相控阵雷达、合成孔径雷达天线测试。
- 汽车雷达：77GHz毫米波雷达天线的量产测试。
- 物联网与终端设备：手机、Wi-Fi路由器等内置天线的设计验证。
未来发展趋势：
- 毫米波与太赫兹测量：随着5G毫米波和6G太赫兹技术的发展，对近场测量系统的带宽、精度和动态范围提出了更高要求。
- 紧凑型与自动化近场测试：开发更小、更便宜、自动化的近场测试系统，使其能集成到生产线中,实现天线的高效量产测试。
- 近场成像与诊断：利用高分辨率近场数据，对天线进行“CT扫描”，找出天线表面的缺陷、馈电网络的问题,实现天线故障诊断和优化。
- 多探头并行测量：使用探头阵列进行并行扫描，极大地缩短测试时间,提高效率。
- AI/ML辅助测量：利用人工智能算法进行数据降噪、误差修正和快速方向图预测。
天线近场测量技术通过“以近测远”的巧妙思想，成功解决了远场测量的诸多痛点，成为现代天线研发和测试不可或缺的“金标准”，它以高精度、高效率、环境友好的优势，支撑了从传统微波到现代5G/6G、卫星通信等前沿领域的发展，尽管成本高昂、技术复杂，但随着技术的不断进步和应用需求的持续驱动，近场测量技术正朝着更高频段、更高效率、更智能化的方向不断演进,将继续在无线世界的演进中扮演核心角色。
