天线测试方法介绍

关于近场和远场
无线电波应该称作电磁波或者简称为EM波，因为无线电波包含电场和磁场。来自发射器、经由天线发出的信号会产生电磁场，天线是信号到自由空间的转换器和接口。
因此，电磁场的特性变化取决于与天线的距离。可变的电磁场经常划分为两部分——近场和远场。要清楚了解二者的区别，就必须了解无线电波的传播。
电磁波

图1展示了典型的半波偶极子天线是如何产生电场和磁场的。转发后的信号被调制为正弦波，电压呈极性变化，因此在天线的各元件间生成了电场，极性每半个周期变换。天线元件的电流产生磁场，方向每半个周期变换。电磁场互为直角正交。
1.围绕着半波偶极子的电磁场包括一个电场(a)和一个磁场(b)。电磁场均为球形且互成直角。
天线旁边的磁场呈球形或弧形，特别是距离天线近的磁场。这些电磁场从天线向外发出，越向外越不明显，特性也逐渐趋向平面。接收天线通常接收平面波。
虽然电磁场存在于天线周围，但他们会向外扩张(图2)，超出天线以外后，电磁场就会自动脱离为能量包独立传播出去。实际上电场和磁场互相产生，这样的“独立”波就是无线电波。

2. 距离天线一定范围内，电场和磁场基本为平面并以直角相交。注意传播方向和电磁场均成直角。在(a)图中，传播方向和电磁场线方向成正交，即垂直纸面向内或向外。在(b)图中，磁场线垂直纸面向外，如图中圆圈所示。
近场
对近场似乎还没有正式的定义，它取决于应用本身和天线。通常，近场是指从天线开始到1个波长(λ)的距离。波长单位为米，公式如下：
λ= 300/fMHz
因此，从天线到近场的距离计算方法如下：
λ/2π = 0.159λ
图3标出了辐射出的正弦波和近场、远场。近场通常分为两个区域，反应区和辐射区。在反应区里，电场和磁场是强的，并且可以单独测量。根据天线的种类，某一种场会成为主导。例如环形天线主要是磁场，环形天线就如同变压器的初级，因为它产生的磁场很大。

3.近场和远场的边界、运行频段的波长如图所示。天线应位于正弦波左侧起始的位置。
辐射区内，电磁场开始辐射，标志着远场的开始。场的强度和天线的距离成反比(1/ r3)。
图3所示的过渡区是指近场和远场之间的部分(有些模型没有定义过渡区)。图中，远场开始于距离为2λ的地方。
远场
和近场类似，远场的起始也没有统一的定义。有认为是2 λ，有坚持说是距离天线3 λ或10 λ以外。还有一种说法是5λ/2π，另有人认为应该根据天线的尺寸D，距离为50D2/λ。
还有人认为近场远场的交界始于2D2/λ。也有人说远场起始于近场消失的地方，就是前文提到的λ/2π。
远场是真正的无线电波。它在大气中以3亿米/秒的速度，即接近18.64万英里/秒的速度传播，相当于光速。电场和磁场互相支持并互相产生，信号强度和距离平方成反比(1/r2)。麦克斯韦在其的公式中描述了这一现象。
麦克斯韦方程组
19世纪70年代末，在无线电波发明之前，苏格兰物理学家詹姆斯?克拉克?麦克斯韦预测出了电磁波的存在。他综合了安培、法拉第和欧姆等人的定律，制定了一套方程表达电磁场是如何相互产生和传播的，并断定电场和磁场互相依存、互相支持。19世纪80年代末，德国物理学家海因里希?赫兹证明了麦克斯韦的电磁场理论。
麦克斯韦创造了四个基本方程，表达电场、磁场和时间之间的关系。电场随时间推移产生移动电荷，也就是电流，从而产生磁场。另一组方式是说，变化的磁场可以产生电场。天线发出的电磁波在空间中自行传播。本文没有列出这些方程组，但你应该记得包含一些不同的方程。
应用
远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定：
Pr = PtGrGtλ2/16π2r2
公式中，Pr =接收功率；Pt =发射功率；Gr = 接收天线增益(功率比)；Gt =发射天线增益(功率比)；r=到天线的距离。公式在视线所及的无障碍开阔空间中适用。
这里有两个问题需要讨论。接收功率和距离r的平方成反比，和波长的平方成正比，也就是说，波长较长、频率较低的电磁波传的更远。例如，同等的功率和天线增益下，900MHz的信号会比2.4GHz的信号传播得更远。这一公式也常常用它来分析现代无线应用的信号强度。
为了准确测量信号的传播，还必须了解天线在远场的辐射模式。在近场的反应区里，接收天线可能会和发射天线会由于电容和电感的耦合作用互相干扰，造成错误的结果。另一方面，如果有特定的测量仪器，近场的辐射模式就可以准确测量。
近场在通信领域也很有用。近场模式可以用于射频识别(RFID)和近场通信(NFC)。
RFID是条形码的电子版，它是一个内部有芯片的很薄的标签，其中芯片集成了存储和特定的电子代码，可以用作识别、总或其他用途。标签还包含一个被动收发器，在接近“阅读器”的时候，由阅读器发出的很强的RF信号就会被标签识别。阅读器和标签的天线都是环形天线，相当于变压器的初级和次级。
由标签识别的信号经过整流滤波转换成直流，为标签存储和转发供能。发射器将代码发送到阅读器上，用于识别和处理。主动标签有时会用到电池，将感应距离延长到近场以外的地方。RIFD标签的频率范围各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。
在900MHz，波长为：
λ= 300/fMHz
λ= 300/fMHz
λ= 300/900 = 0.333 meter or 33.33 cm
λ= 300/900 = 0.333 米或33.33 cm
因此根据近场距离计算公式：
λ/2π = 0.159λ = 0.159(0.333) = 0.053 meter (about 2 inches)
λ/2π= 0.159λ= 0.159(0.333) = 0.053 米(约2英寸)
感应距离通常超过这一数字，所以这一频率下距离实际上也延伸到了远场。
NFC也采用了存储和类似于信用卡的特定代码。电池驱动的内部转发器可以把代码发射到阅读器上。NFC也使用近场，范围一般为几英寸。NFC的频率为13.56MHz，因此波长为：
λ= 300/fMHz
300/13.56 = 22.1 meters or 72.6 feet
近场距离为不超过：
λ/2π = 0.159λ = 0.148(72.6) = 11.5 feet
因为电量消耗低，实际的感应距离很少超过1英尺。
近场工作区反射电平测试原理及方法
近场工作区反射电平测试原理
采用自由空间电压驻波比法测量近场工作区反射电平，测量原理是基于微波暗室中存在有直射信号和反射信号，微波暗室中空间任意一点的场强是直射信号和反射信号的矢量合，在空间形成驻波，驻波数值的大小就反映了微波暗室内反射电平的大小。

VSWR法测量原理图
当接收天线主瓣对准发射天线时，所接收到的信号为ED。移动接收天线，则接收天线的直射信号ED与反射信号ER的相对相位将会改变，此时接收天线收到的信号幅度将产生波动，如图所示，这一波动反映空间固有驻波，由此即可得到反射电平。
暗室空间驻波图
将接收天线转到比电平低a（dB）的方位角q时，则所接收的直射信号Eq=ED10a/20。当反射信号与直射信号同相时合成场，这时以b表示

当反射信号与直射信号反相时合成场，这时以c表示：

则反射电平：

因此测出空间驻波曲线和接收天线方向图，就可以计算出微波暗室反射电平。
测试方法
在近场工作区内针对主反射墙的吸波材料进行特定频段吸收特性的测试。
测试位置的选取
测试近场工作区反射电平时，发射天线先置于暗室中心轴线上，接收天线置于正对被测墙壁的一个合理位置，并沿两天线轴线移动一段距离进行反射电平的测试。测试位置如图所示。

近场静区测试位置示意图(俯视图)

近场静区测试位置示意图(侧视图)

测试设备连接示意图
测试步骤
a）连接好测试系统，按图2-5置发射天线及接收天线于测试位置Ⅰ；
b）设置信号源频率为1GHz，输出功率调至合适大小使发射天线辐射信号，接收天线在正对发射天线方向，沿待测行程线移动，并记录接收信号曲线，测试曲线作为这条行程线的参考电平线；
c）将接收天线方向朝向被测墙壁吸波材料方向，接收天线沿这条测量行程线移动，并记录空间驻波曲线；
d）改变天线极化方式，重复以上步骤a）～c）的测量；
e）分别在2GHz、5GHz、10GHz、18GHz、40GHz频率点，重复步骤b）~d），直至完成所有频率点测量；
f）改变发射天线及接收天线位置，如图2-3所示，分别至位置Ⅱ、位置Ⅲ，重复上述步骤b）~e）的测量;
g）改变发射天线及接收天线高度，如图2-4所示，分别至H2、H3，重复上述步骤b）~f）的测量。
数据处理

远场静区幅度均匀性测试方法
远场静区幅度均匀性是指发射天线保持不动，接收天线在静区内沿指定行程线移动时，接收信号幅度变化情况。
在进行幅度均匀性测试时，接收天线沿图所示的区域不同高度的行程线进行横向运动，采集区域内各个位置的幅度数据，经过数据筛选及处理后得到静区内一个圆形平面的幅度均匀性测量结果。通过对静区内多个平面进行测量，得到整个静区的幅度均匀性测试结果。
测试行程线示意图（静区横切面）
测试间隔的设置
远场幅度均匀性的测试间隔距离如表所示：
表  行程线的选取
间隔类别
测试间隔
测试面
0.5m
测试面内行程线
0.2m
测试设备连接示意图
测试步骤
a）连接好测试系统，按图3-2置发射天线及接收天线于测试位置Ⅰ；
b）设置信号源频率为1GHz，输出功率调至合适大小使发射天线辐射信号，接收天线在正对发射天线方向，沿待测行程线移动，并记录接收信号曲线；
c）改变测试行程线在一个测试面内的不同高度进行测量；
d）改变天线极化方式，重复以上步骤a）～c）的测量；
e）分别在3GHz、5GHz、10GHz、18GHz频率点，重复步骤b）~d），直至完成所有频率点测量；
f）改变测试面，重复上述步骤b）~e）的测量;
数据处理
大型天线的测试
对天线与某个应用进行匹配需要进行的天线测量。天线工程师需要判断天线将如何工作，以便确定天线是否适合特定的应用。这意味着要采用天线方向图测量(APM)和硬件环内仿真(HiL)测量技术。
虽然有许多不同的方法来开展这些测量，但没有一种能适应各种场合的理想方法。例如，500MHz以下的低频天线通常是使用锥形微波暗室(anechoic chamber)，这是20世纪60年代就出现的技术。遗憾的是，大多数现代天线测试工程师不熟悉这种非常经济的技术，也不完全理解该技术的局限性(特别是在高于1GHz的时候)。因此，他们无法发挥这种技术的效用。
如果对频率低至100MHz的天线测量，天线测试工程师理解各种天线测试方法(如锥形微波暗室)的优势和局限的重要性就愈加突出。在测试天线时，天线测试工程师通常需测量许多参数，如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线方向图的技术之一是远场测试，使用这种技术时待测天线(AUT ：Antenna Under Test)安装在发射天线的远场范围内。其它技术包括近场和反射面测试。选用哪种天线测试场取决于待测的天线。
为更好地理解选择过程，可以考虑这种情况：典型的天线测量系统可以被分成两个独立的部分，即发射站和接收站。发射站由微波发射源、可选放大器、发射天线和连接接收站的通信链路组成。接收站由AUT、参考天线、接收机、本振(LO)信号源、射频下变频器、定位器、系统软件和计算机组成。
在传统的远场天线测试场中，发射和接收天线分别位于对方的远场处，两者通常隔得足够远以模拟想要的工作环境。AUT被距离足够远的源天线所照射，以便在AUT的电气孔径上产生接近平面的波阵面。远场测量可以在室内或室外测试场进行。室内测量通常是在微波暗室中进行。这种暗室有矩形的，也有锥形的，专门设计用来减少来自墙体、地板和天花板的反射(图1)。在矩形微波暗室中，采用一种墙面吸波材料来减少反射。在锥形微波暗室中，锥体形状被用来产生照射。
图1：这些是典型的室内直射式测量系统，图中分别为锥形(左)和矩形(右)测试场。
近场和反射测量也可以在室内测试场进行，而且通常是近场或紧缩测试场。在紧缩测试场中，反射面会产生一个平面波，用于模拟远场行为。这使得可以在长度比远场距离短的测试场中对天线进行测量。在近场测试场中，AUT被放置在近场，接近天线的表面上的场被测量。随后测量数据经过数学转换，即可获得远场行为(图2)。图3显示了在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波。
图2：在紧缩测试场，平坦波形是由反射测量产生。
一般来说，10个波长以下的天线(中小型天线)容易在远场测试场中测量，这是因为在可管理距离内往往可以轻松满足远场条件。对大型天线(electrically large antenna)、反射面和阵列(超过10个波长)来说，远场通常在许多波长以外。因此，近场或紧缩测试场可以提供更加可行的测量选项，而不管反射面和测量系统的成本是否上升。
假设天线测试工程师想要在低频下进行测量。国防部门对此尤感其兴趣，因为他们需要研究诸如在低频下使用天线等事项，以便更好地穿透探地雷达(GPR)系统中的结构(针对工作在400MHz范围的射频识别(RFID)标签)，以及支持更高效的无线电设备(如软件定义无线电(SDR))和数字遥感无线电设备。在这种情况下，微波暗室可以为室内远场测量提供足够好的环境。
矩形和锥形是两种常见的微波暗室类型，即所谓的直接照射方法。每种暗室都有不同的物理尺寸，因此会有不同的电磁行为。矩形微波暗室处于一种真正的自动空间状态，而锥形暗室利用反射形成类似自由空间的行为。由于使用了反射的射线，因此终形成的是准自由而非真正自由的空间。
众所周知，矩形暗室比较容易制造，在低频情况下的物理尺寸非常大，而且随着频率的提高工作性能会更好。相反，锥形暗室制造起来较复杂，也更长一些，但宽度和高度比矩阵暗室要小。随着频率的提高(如2GHz以上)，对锥形暗室的操作必须十分小心才能确保达到足够高的性能。
通过研究每种暗室中使用的吸波措施可以更清楚地认识矩形和锥形暗室之间的区别。在矩形暗室中，关键是要减小被称为静区(QZ)的暗室区域中的反射能量。静区电平是进入静区的反射射线与从源天线到静区的直接射线之差，单位是dB。对于给定的静区电平，这意味着后墙要求的正常反射率需等于或大于要达到的静区电平。
由于矩形暗室中的反射是一种斜入射，这会使吸波材料的效率打折扣，因此侧墙非常关键。但是，由于存在源天线的增益，只有较少的能量照射到侧墙(地板和天花板)，因此增益差加上斜入射反射率必须大于或等于静区反射率水平。
通常只有源和静区之间存在镜面反射的侧墙区域需要昂贵的侧墙吸波材料。在其它的例子中(例如在位于源后面的发射端墙处)，可以使用更短的吸波材料。在静区周围一般使用楔形吸波材料，这样有助于减少任何后向散射，并防止对测量造成负面影响。
锥形暗室中采用什么吸波措施呢?开发这种暗室的初目的是为了规避矩形暗室在频率低于500MHz时的局限性。在这些低频频段，矩形暗室不得不使用低效率天线，而且必须增加侧墙吸波材料的厚度来减少反射并提高性能。同样，必须增加暗室尺寸以适应更大的吸波材料。采用较小的天线不是解决之道，因为更低的增益意味着侧墙吸波材料仍必须增大尺寸。
锥形暗室没有消除镜面反射。锥体形状使镜面区域更接近馈源(源天线的孔径)，因此镜面反射成为照射的一部分。镜面区域可以用来通过形成一组并行射线入射进静区，从而产生照射。如图3所示，终的静区幅度和相位锥度接近自由空间中的期望值。
图3：在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波。
使用阵列理论可以更清楚地解释锥形暗室的照射机制。考虑馈源由真实的源天线和一组映像组成。如果映像远离源(在电气上)，那么阵列因子是不规则的(例如有许多纹波)。如果映像比较靠近源，那么阵列因子是一个等方性图案。对位于(远场中的)AUT处的观察者来说，他看到的源是源天线加上阵列因子后的图案。换句话说，阵列将看起来像是自由空间中的独立天线。
在锥形暗室中，源天线非常关键，特别是在较高频率时(如2GHz以上)，此时暗室行为对细小的变化更加敏感(图4)。整个锥体的角度和处理也很重要。角度必须保持恒定，因为锥体部分角度的任何变化将引起照射误差。因此测量时保持连续的角度是实现良好锥形性能的关键。
图4：在典型的锥形暗室中，吸波材料的布局看起来很简单，但离源天线较近的区域(锥形暗区域)非常重要。
与矩形暗室一样，锥形暗室中的接收端墙体吸波材料的反射率必须大于或等于所要求的静区电平。侧墙吸波材料没有那么重要，因为从暗室立方体部分的侧墙处反射的任何射线会被后墙进一步吸收(后墙处有性能的吸波材料)。作为一般的“经验之谈”，立方体上的吸波材料的反射率是后墙吸波材料的一半。为减少潜在的散射，吸波材料可以呈45度角或菱形放置，当然也可以使用楔形材料。
表中提供了典型锥形微波暗室的特性，可以用来与典型的矩形暗室作比较。较少量的锥形吸波材料意味着更小的暗室，因此成本更低。这两种暗室提供基本相同的性能。不过需要注意的是，矩形暗室要想达到与锥形暗室相同的性能，必须做得更大，采用更长的吸波材料和数量更多的吸波材料。
图5：一个用于天线测试的200MHz至40GHz小型锥形暗室。
虽然从前面的讨论中可以清楚地知道，在低频时锥形暗室可以比矩形暗室提供更多的优势，但测量数据表明锥形暗室具有真正的可用性。图5 是一个200MHz至40GHz的小型锥形暗室，外形尺寸为12×12×36英尺，静区大小为1.2米。这里采用了一个双脊宽带喇叭天线照射较低频率的静区。然后利用安捷伦(Agilent)公司的N9030A PXA频谱分析仪以一个对数周期天线测量静区。在200MHz点测得的反射率大于30Db(如图6所示)。图7 和 图8分别显示了馈源顶部的源天线和静区中的扫描天线。
图6：从图中可以看出，在200MHz点测得的反射率大于30dB。
图7：图中测试采用双脊喇叭作为源。
有许多像APM和HiL那样的不同方法可进行天线测量。测量技巧在于选择正确的天线测试场，具体取决于待测的天线。对于中型天线(10个波长大小)，推荐使用远场测试场。另一方面，锥形暗室可以为低于500MHz的频率提供更好的解决方案。它们也可以用于2GHz以上的频率，但操作时需要备加小心才能确保获得足够好的性能。通过了解锥形微波暗室的正确使用，今天的天线测试工程师可以使用非常有用的工具开展100MHz至300MHz以及UHF范围的天线测量。
图8：图中测试采用一个对数周期天线来扫描QZ以测量反射率。