摘要：本文搭建并验证了一种低成本平面近场/远场（NF/FF）天线测量系统。并详细介绍了该系统的设计流程，该测量系统可以加速确定近场/远场辐射图。本论文首先综述了近场天线测量的基本理论。详细介绍了利用傅里叶变换进行NF/FF转换的方法。从近场测量中计算出的远场辐射模式与射频消声室中直接测量的远场辐射模式进行了比较。并在实际天线观测中得到了合理的测量结果。该系统的综合建设成本大约为5000人民币。综合考虑其合理准确的结果和建设开发成本，该测量系统是值得被推广的。
关键词：平面近场;傅里叶变换;远场辐射图;建设成本
1引言
天线远场辐射方向图的测量是复杂天线开发和制造中的一个重要课题。用于测量天线远场辐射方向图的技术可分为两大类：直接测量和间接测量[1]。天线辐射电磁场地分布随天线的距离逐渐变化。测量点与天线的距离大致分为两个主要区域：近场区域和远场区域。天线的直接远场辐射模式测量技术是在远场区域进行的。但是该技术无法确定高精度天线的性能。其测量结果受各种因素干扰，包括天气效应、天线重力畸变等等[2]。间接测量技术是依据远场或计算范围的质量可以由近场区域测量确定，然后这些测量值通过数学公式转换为等效的远场测量值。使用近场天线测量来确定远场辐射方向图已在天线测试中得到广泛应用，该技术可以以非常经济高效的方式精确测量天线辐射图。本论文的研究目标是建造和验证了一种低成本的近场/远场测量系统。
2近场/远场测量基本理论
2.1近场和远场的定义
与天线相关的辐射电磁场地分布随与天线的距离逐渐变化。作为与天线距离的函数，有三个区域需要重点关注：反应性近场、辐射性近场和远场[3]。这些区域之间的过渡非常平缓。近场和远场限制有许多不同的定义。本论文中使用的定义为以下三点：
1.离天线最近的区域是倏逝或反映近场区域。电磁能量的倏逝分量随距离迅速衰减。倏逝区域包括非传播（反应）和传播能量，并从任何导电表面延伸六分之一波长的距离。
2.第二个区域是辐射近场或菲涅耳区域，它延伸到2D2/λ，其中λ为波长，D为天线的最大尺寸。虽然存在局部能量波动，但在距天线不同距离处的平均能量密度保持相对恒定。本文对AUT的辐射近场区域进行了近场测量。
3.距离天线最远的区域是远场区或夫琅和费区。相对角度分布在远场区不随距离变化。远场区天线的功率根据平方反比定律随距离衰减。远场区从2D2/λ延伸到无穷远。
2.2近场测量概念
天线远场方向图技术的测量分为两大类：直接测量和间接测量。在直接测量技术中，远场是被测量的量;而在被称为近场技术的间接测量技术中，远场只是由附近测量的近场构成的副产品[4]。
天线向自由空间辐射一个线性系统，其单频时间依赖性为exp（-iwt）。延伸到无穷远的远场区域是电场和磁场的径向依赖性变化近似为exp（ikr）/r的空间区域。远场的内径可根据矢量势的一般自由空间积分进行估算，对于非超反射天线，通常设置为2D2/λ。从天线表面到远场的自由空间区域称为近场区域。它被分为两个分区，反射区和辐射区近场。反应近场区域通常被认为是从天线表面延伸到λ/2π附近。电场和磁场倾向于以相位传播，在到达远场之前不会表现exp（ikr）/r依赖关系。在反映近场和远场之间的这个传播区域称为辐射近场。
倏逝能量通过电容或电感耦合到近场探头，但不是通过自由空间传播。因此，E和H场不是正交的，也不受自由空间的阻抗的影响，倏逝能量随着距离的增加而迅速衰减，因为倏逝能量是非传播的，但通过电容或电感耦合。通常情况下，在距离导电表面数个波长的距离处，倏逝能量已完全衰减。近场通常在倏逝区域外产生，更高的采样密度以及单独的E和H场测量是必需的。
根據不同的扫描系统，近场测量通常在三个坐标系中的一个进行：平面、球面、圆柱。假设测试天线正在发射，近场可大致分解为反应区域在表面的λ/2π范围内，辐射区域在此范围外，最终合并成一个远场区域。在反应区域内，电场和磁场不同相，也不代表将出现在物体真实空间部分的信号。在辐射近场区域加上探头天线，并记录接收信号的振幅和。探头天线足够小，可以在宽角度上拾取能量，同时对测量场造成最小干扰。探头在平面、圆柱形或球形表面上以较小地步进移动半个波长，并存储数据。每个数据点是由探头方向图确定的天线区域的组合信号。在这种情况下，使用近场/远场转换技术。从探头扫描平面的孔径空间数据集E推导出远场方向图的角空间。高增益航天器天线一般采用平面扫描面，只需简单的探头校正，具有较好的零重力模拟性能。球形扫描用于低增益天线和天线馈电元件，因为能量从AUT视轴的大角度捕获。圆柱面通常用于电视广播天线和某些航天器测控全向天线。
3近场天线测量系统
3.1系统介绍
一个典型的近场测量系统可以方便地用三个子系统来描述：（1）计算机（2）射频源和接收器（3）机械扫描仪和探头定位器。本论文设计的近场测量系统主要由计算机、1.5 m×1.5 m平面扫描仪和Wiltron模型360矢量网络分析仪（VNA）组成。计算机和VNA共同组成射频消声室测量系统。包括相关控制部分的新型平面扫描仪总共成本不到5000元人民币。平面扫描仪上的探头由双电机控制器驱动，在水平和垂直方向上移动。在特定位置，探头将测量AUT辐射的近电场的大小和相位，该近电场与扫描平面保持一定距离，并显示在VNA上。多次测量后，VNA将这些数据量和相位传递给计算机存储器，以便进行进一步处理。
由于涉及大量数据，测量系统的计算机控制至关重要。近场天线测量系统中的计算机执行模具管理任务，控制探头的运动。从VNA收集数据。还管理VNA和计算机之间的通信。管理包是用Quickbasic嵌入式汇编语言编写的。