從準遠場距離獲得計算遠場方向圖的設計方法詳解

　　一、研究背景

　　在微波暗室內對基站天線進行測試是一種常用的方法。由于暗室尺寸的限制，對增益較高的天線，往往不能滿足遠場測試條件。在這種情況下測試結果與遠場情況下的測試結果有較大差異。本報告給出了一種由準遠場距離上測得的方向圖計算遠場方向圖的方法。

　　二、修正算法的基本原理

　　如圖1所示的AUT為基站天線，天線沿著y軸方向的尺寸較小，容易滿足遠場條件，而x方向的尺寸較大，不滿足遠場條件。針對這類天線的方向圖，可以采用該方法進行修正。

　　圖1 天線坐標系

　　以oy為軸作一個能完全包圍待測天線的最小柱面，設該柱面的半徑為rmin。在該柱面之外，天線產生的電場可表示成矢量波函數的加權和，即

　　（1）

　　令場點位于xoz平面（即y=0），且ρ較大時，式（1）可以表示為

　　（2）

　　其中：Nm=krmin+10

　　由于場點（ρ，φ，0）已經處于天線的準遠區，且ρ相對于天線的垂直尺寸（y軸方向）已經很大了，對上式中的積分可以采用一維駐相法進行計算，并考慮到，從而有

　　（3）

　　對于任意的線極化電場分量均可以表示為

　　 （4）

　　如果在ρ=ρo處測得電場為Em，則有

　　 （5）

　　可以求出

　　 （6）

　　將Cn代入公式（5），命ρ→∞，則得到天線遠場為

　　（7）

　　其中，C為與角度無關的常數，可以略去。天線的遠場方向圖為

　　 （8）

　　基于以上關系式，容易得到遠場條件下天線增益與準遠場條件下增益的差值為

　　三、數值仿真驗證

　　為了驗證該算法的正確性，進行數值仿真驗證。選取一個工作頻率為900MHz，口徑為2.6m的陣列天線進行數值仿真分析，準遠場測試距離為29m（該測試距離不滿足遠場條件）。數值仿真流程和數值仿真結果圖3所示。

　　圖3 數值仿真結果

　　由圖3可知，測試結果（Measured Pattern）與理論結果（Theoretic Pattern）差別較大，修正后的結果（Corected Pattern）與理論結果（Theoretic Pattern）吻合很好。

　　四、實驗驗證

　　為了驗證以上算法的正確性，對給定的天線分別按如下兩種方法測試：準遠場測試和球面近場測試。通過修正算法對準遠場測試結果進行修正，并將修正得到的遠場方向圖與球面近場得到的方向圖進行對比，結果如圖4所示。

　　圖4 實驗結果與修正結果

　　圖4可知，準遠場測試結果（Comba Finite Field）與球面近場測試結果（Comba SG128）有較大差距，修正結果（Corrected Far Field）與球面近場測試結果（Comba SG128）吻合良好。

　　五、結論

　　經過數值仿真分析和實驗測試證明了上述算法的可行性與準確性。