從準(zhǔn)遠場距離獲得計算遠場方向圖的設(shè)計方法詳解

　　一、研究背景

　　在微波暗室內(nèi)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(jié)果與遠場情況下的測試結(jié)果有較大差異。本報告給出了一種由準(zhǔn)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(biāo)系

　　以oy為軸作一個能完全包圍待測天線的最小柱面，設(shè)該柱面的半徑為rmin。在該柱面之外，天線產(chǎn)生的電場可表示成矢量波函數(shù)的加權(quán)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(jīng)處于天線的準(zhǔn)遠區(qū)，且ρ相對于天線的垂直尺寸（y軸方向）已經(jīng)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(guān)的常數(shù)，可以略去。天線的遠場方向圖為

　　 （8）

　　基于以上關(guān)系式，容易得到遠場條件下天線增益與準(zhǔn)遠場條件下增益的差值為

　　三、數(shù)值仿真驗證

　　為了驗證該算法的正確性，進行數(shù)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(shù)值仿真分析，準(zhǔn)遠場測試距離為29m（該測試距離不滿足遠場條件）。數(shù)值仿真流程和數(shù)值仿真結(jié)果圖3所示。

　　圖3 數(shù)值仿真結(jié)果

　　由圖3可知，測試結(jié)果（Measured Pattern）與理論結(jié)果（Theoretic Pattern）差別較大，修正后的結(jié)果（Corected Pattern）與理論結(jié)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(zhǔn)遠場測試和球面近場測試。通過修正算法對準(zhǔn)遠場測試結(jié)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(jié)果如圖4所示。

　　圖4 實驗結(jié)果與修正結(jié)果

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

　　五、結(jié)論

　　經(jīng)過數(shù)值仿真分析和實驗測試證明了上述算法的可行性與準(zhǔn)確性。