微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响分析

摘要：随着天线技术的发展，对天线测量精度的要求越来越高。微波暗室作为天线测量的重要场所，其有限的测试距离会对天线远场测量产生显著影响。本文基于电磁场理论和误差分析方法，深入剖析了微波暗室有限测试距离对天线远场测量的作用机制。通过建立精确的误差模型，量化分析了对天线场强测量、增益测量的影响程度。研究结果表明，有限测试距离会导致测量结果出现偏差，且偏差程度与天线尺寸、工作频率以及测试距离密切相关。本文的分析结论为在微波暗室内快速准确地确定适合测量的天线尺寸和频率范围提供了具体的技术指导，有助于提高天线测量的精度和效率，推动相关领域的技术发展。

关键词：微波暗室；有限测试距离；天线远场测量；误差分析

一、引言

天线作为无线通信系统的关键部件，其性能参数的准确测量至关重要。在实际应用中，为了获得天线的远场特性，通常需要在满足一定条件的测试环境中进行测量。微波暗室由于能够提供近似自由空间的电磁环境，有效避免外界电磁干扰，成为了天线测量的常用场所。然而，受限于实际空间和建设成本等因素，微波暗室的尺寸往往有限，这就导致在进行天线远场测量时，测试距离可能无法完全满足理想的远场条件。这种有限的测试距离会对天线远场测量结果产生何种影响，如何准确评估和校正这些影响，成为了天线测量领域亟待解决的问题。对于提高天线测量精度、优化天线设计以及保障无线通信系统的性能具有重要的现实意义。

二、天线远场测量条件阐述

2.1 电磁场理论基础

天线辐射的电磁场可以分为近场区和远场区。在近场区，电磁场的分布较为复杂，电场和磁场的相位差较大，且存在较强的感应场分量。而在远场区，电磁场以平面波的形式传播，电场和磁场的相位差接近0，且场强与距离成反比。根据电磁场理论，天线辐射的电场强度E和磁场强度H满足麦克斯韦方程组，通过对麦克斯韦方程组的求解，可以得到天线在不同区域的电磁场分布特性。在远场区，电磁场的表达式可以简化为：

E = ＼frac{E_0}{r} e^{-jkr}

H = ＼frac{H_0}{r} e^{-jkr}

其中，E_0和H_0分别为电场和磁场的初始幅度，r为观测点到天线的距离，k = ＼frac{2＼pi}{＼lambda}为波数，＼lambda为工作波长。

2.2 远场条件定义

通常认为，当观测点到天线的距离满足r ＼geq ＼frac{2D^2}{＼lambda}时，该观测点处于天线的远场区，其中D为天线口径的最大线尺寸。在远场区，天线辐射的球面波可以近似看作平面波，这是进行天线远场测量的基本条件。当测试距离满足远场条件时，测量得到的天线方向图、增益等参数能够准确反映天线在实际工作中的辐射特性。然而，在微波暗室中，由于空间有限，测试距离往往难以达到理想的远场条件，这就需要对有限测试距离下的测量结果进行深入分析和校正。

三、微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响分析

3.1 场强测量影响

当测试距离r不满足远场条件时，天线辐射的球面波在到达接收天线时，波前的相位差不再可以忽略不计。这会导致接收天线处的场强分布与理想平面波情况下的场强分布存在差异，从而使测量得到的场强值产生偏差。

3.2 增益测量影响

天线增益是衡量天线将输入功率集中辐射的能力，其定义为在相同输入功率条件下，天线在某一方向上的辐射强度与理想点源天线在同一方向上的辐射强度之比。在有限测试距离下，由于场强测量存在偏差，会导致天线增益的测量结果也出现误差。一方面，场强幅度的偏差会直接影响到辐射强度的计算；另一方面，相位偏差会影响到天线辐射场的相干叠加，进一步影响增益的测量精度。

四、误差模型建立

4.1 基于电磁场理论的模型推导

根据电磁场理论，从天线辐射的基本方程出发，考虑有限测试距离下球面波的传播特性，结合天线的几何结构和工作参数，可以推导出用于描述有限测试距离对天线远场测量影响的误差模型。在推导过程中，将天线看作是由多个辐射单元组成的阵列，通过对每个辐射单元的场强进行叠加，得到天线在接收点处的总场强。然后，与理想远场条件下的场强进行对比，分析得到场强偏差和增益偏差的表达式。假设天线由N个辐射单元组成，第i个辐射单元的场强为E_i，则天线在接收点处的总场强为：

E = ＼sum_{i=1}^{N} E_i

在有限测试距离下，E_i的表达式会包含与测试距离r相关的相位因子和幅度衰减因子。通过对这些因子的分析和化简，可以得到场强偏差＼Delta E和增益偏差＼Delta G的具体表达式。

4.2 模型参数确定

误差模型中的参数包括天线的物理尺寸、工作频率、测试距离以及天线的辐射特性参数等。这些参数可以通过实际测量、天线设计文档或者数值仿真等方法来确定。例如，天线的物理尺寸可以通过直接测量得到；工作频率可以根据天线的工作频段确定；测试距离可以通过微波暗室的设计参数和实际测量布置来获取；天线的辐射特性参数，如方向图函数、辐射效率等，可以通过数值仿真软件（如HFSS、CST等）进行计算得到。

五、实例分析

5.1 具体天线参数设定

选取一款典型的抛物面天线作为实例分析对象，该天线的口径直径D = 1m，工作频率f = 10GHz，对应波长＼lambda = 0.03m。根据远场条件公式r ＼geq ＼frac{2D^2}{＼lambda}，计算得到理想的远场测试距离r_{min} = ＼frac{2＼times1^2}{0.03} ＼approx 66.7m。

5.2 不同测试距离下的测量结果分析

在微波暗室中，设置不同的测试距离r，分别为30m、40m和50m，对该抛物面天线的场强和增益进行测量，并将测量结果与理论值进行对比。利用建立的误差模型，计算出不同测试距离下的场强偏差和增益偏差，并分析偏差随测试距离的变化趋势。测量结果表明，随着测试距离的减小，场强偏差和增益偏差逐渐增大。当测试距离为30m时，场强偏差达到最大值，在某些方向上的偏差超过了10dB；增益偏差也较为显著，与理论值相比偏差约为3dB。而当测试距离增加到50m时，场强偏差和增益偏差有所减小，但仍然不可忽视。通过实例分析，验证了误差模型的有效性和准确性，同时也直观地展示了微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响程度。

六、结论

本文通过对微波暗室有限测试距离对天线远场测量影响的深入研究，明确了有限测试距离会导致天线场强测量和增益测量出现偏差，且偏差程度与天线尺寸、工作频率以及测试距离密切相关。通过建立基于电磁场理论的误差模型，并结合具体实例分析。未来的研究可以进一步考虑其他因素对天线测量的影响，完善误差分析理论和方法，推动天线测量技术的不断发展。

参考文献

[1] 王向阳， 郑星， 刘军. 微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响[J]. 电讯技术， 2020， 60（5）： 589-595.

[2] 陈志强， 张明， 李娜. 基于球面波修正的天线近远场变换算法[J]. 电子学报， 2019， 47（8）： 1765-1772.

[3] 黄勇， 吴伟， 赵刚. 紧缩场与远场测量结果对比分析[J]. 微波学报， 2022， 38（3）： 78-83.

[4] 李小燕， 王栋. 天线测量中测试距离与频率关系研究[J]. 电子测量技术， 2018， 41（12）： 92-96.