GB/T 40602.2-2021 天线及接收系统的无线电干扰 第2部分：基础测量 高增益天线方向图室内平面近场测量方法

　　ICS 33 . 120 . 40 CCS L 06

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40602 . 2—2021

　　天线及接收系统的无线电干扰

　　第 2 部分：基础测量 高增益天线方向图

　　室内平面近场测量方法

　　Antennasandreceptionsystemsforradiointerference—

　　part2：Basicmeasurement—Methodfornearfieldmeasuringhighgainantenna

　　patterninmicrowaveanechoicchamber

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40602 . 2—202 1

　　GB/T 40602 . 2—202 1

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　本文件是 GB/T 40602《天线及接收系统的无线电干扰》的第 2 部分。 GB/T 40602 已经发布了以下部分：

　　— 第 1 部分：基础测量 天线方向图的窒内远场测量方法;

　　— 第 2 部分：基础测量 高增益天线方向图窒内平面近场测量方法。

　　本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国无线电干扰标准化技术委员会(SAC/TC 79)提出并归口 。

　　本文件起草单位：上海电器科学研究院、中国电子科技集团公司第三十九研究所、广东省珠海市质量计量监督检测所、上海添唯认证技术有限公司、上海无委无线电检测实验窒有限公司、上海机器人产业技术研究院有限公司、上海霍莱沃电子系统技术股份有限公司、厦门大学、上海电器科学研究所(集团)有限公司、芮锋射频技术(上海)有限公司。

　　本文件主要起草人：郑军奇、史够黎、于超、梁观胜、喻金龙、熊蒙、袁书传、毛小莲、张淼、王存祥、叶琼瑜、宋江伟、张峰衔、谢延萍、朱怡宁、罗宇翔、何志辉。

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　　引 言

　　天线及接收系统的无线电干扰是以“天线”(无形天线-无线接收系统)为切入点，建立天线和无线电接收系统的电磁兼容标准，涵盖天线、测量场地和无线接收系统。

　　GB/T 40602《天线及接收系统的无线电干扰》拟由如下部分构成。

　　— 第 1 部分：基础测量 天线方向图的室内远场测量方法。 目的在于规定天线辐射方向图(以下简称辐射方向图)在微波暗室内等高架远场的测量方法。

　　— 第 2 部分：基础测量 高增益天线方向图室内平面近场测量方法。 目 的在于规定高增益天线平面近场扫描法在微波暗室内测量天线方向图的方法。

　　— 第 3 部分：场地测量 紧缩场场地性能确认方法。 目的在于规定紧缩场屏蔽效能、静场辐射特性、相位特性和交叉极化性能的测量方法。

　　— 第 4 部分：无线接收系统 集成无线电模块电子设备电磁兼容测试方法。 目 的在于规定用于工业、科学、医疗、汽车、家用电器等集成无线模块电子设备的电磁兼容测试要求和测试方法。

　　上述四部分与之前已发布的关于车载天线及系统的 GB/T 38889—2020 共同构成了天线及接收系统的无线电干扰标准体系。

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　　天线及接收系统的无线电干扰

　　第 2 部分：基础测量 高增益天线方向图

　　室内平面近场测量方法

　　1 范围

　　本文件描述了高增益天线平面近场扫描法在微波暗室内测量天线方向图(以下简称方向图)的方法。

　　本文件适用于增益 ≥15 dBi,最大测量角度 ≤60°天线的方向图的测量。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB 8702—2014 电磁环境控制限值

　　GB/T 14733 . 10—2008 电信术语 天线

　　3 术语和定义

　　GB 8702—2014 和 GB/T 14733 . 10—2008 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　近场测量 nearfieldmeasurement

　　在被测天线的近场区进行的测量。

　　3.2

　　坐标系统 coordinatesystem

　　一种包含天线坐标系、转台坐标系、场地坐标系的系统。

　　注 1 ：一般选择天线坐标系为测量坐标系，若选择其他坐标系，需从该天线坐标系变换到另外的测量或工作坐标系中去，只要它们的相对取向和位置是已知的。

　　注 2：用这种坐标系统，测得的天线参数与天线的安装或取向无关。

　　3.3

　　线极化天线 linearly-polarizedantenna

　　在最大增益方向上，作发射时辐射线极化电磁波的天线，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射线极化电磁波的天线。

　　3.4

　　圆极化天线 circularly-polarizedantenna

　　在最大增益方向上，作发射时辐射圆极化电磁波的天线，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射圆极化电磁波的天线。

　　3.5

　　辐射方向图 radiationpattern

　　表征天线辐射量在空间的分布。

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　　注：表征场的量，如电磁场的一个规定分量的大小或场强-距离乘积、辐射强度、方向性、绝对增益或相对增益等。 [来源：GB/T 14733 . 10—2008,712-02-15,有修改]

　　3.6

　　辐射强度 radiationintensity

　　在给定方向和辐射场区内天线每单位立体角的辐射功率。

　　注 1 ：辐射强度以每球面度的瓦数表示。

　　注 2：辐射强度可以认为是两个正交极化分量辐射强度之和。

　　[来源：GB/T 14733 . 10—2008,712-02-41,有修改]

　　3.7

　　增益 gain

　　在输入功率相等的条件下，实际天线与标准增益天线在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。

　　注 1 ：如果用理想的无方向性的点源天线作比较对象，增益的单位为分贝(dBi),在各方向上的增益是均匀的。

　　注 2：如果用半波对称阵子天线作比较对象，则增益的单位为 dBd, dBd= dBi-2.15。

　　注 3：增益不包括阻抗和极化失配引起的损耗，并且不依赖于天线所连接的系统。

　　注 4：对应于各向同性辐射功率的辐射强度等于天线接收的功率除以 4 π。

　　注 5：如果天线无损耗，则给定方向上天线的绝对增益在数值上和它的方向性系数相同。

　　注 6：如果未指定方向，则为最大辐射强度的方向。

　　3.8

　　主瓣 majorlobe;mainlobe

　　对所需极化，包含辐射强度最大值方向在内的天线辐射瓣。

　　[来源：GB/T 14733 . 10—2008,712-02-24]

　　3.9

　　副瓣 secondarylobe;minorlobe

　　除主瓣以外的任何辐射瓣。

　　[来源：GB/T 14733 . 10—2008,712-02-25]

　　3 . 10

　　副瓣电平 sidelobelevel

　　对于某规定的极化，副瓣内最大辐射值与参考瓣内最大辐射值之比。

　　注 1 ：通常以分贝表示。

　　注 2：如未作规定，则参考瓣即为主瓣。

　　3 . 1 1

　　微波暗室 microwaveanechoicchamber

　　一种经过专门设计的能模拟自由空间的封闭室。

　　3 . 12

　　可信角域 angleofvalidity

　　被测天线边缘到探头行程边缘的夹角对应的角域范围。

　　4 测量条件

　　4 . 1 概述

　　天线在空间的辐射场域可分为三个区域，即电抗近区、辐射近区和辐射远区。 各个辐射场的示意图

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　　如图 1 所示。

　　近场测量就是指在小于最小远区电抗近场区的距离内，获得天线远近场特性的测量。 近场测量克服了“有限距离效应”，不需要庞大的窒外测试场，它具有测试精度高，可全天候工作等一系列优点。 近场测量技术包括：场源分布法、近场扫描法、缩聚法、聚焦法和外推法。 本文件主要用于近场扫描法测量。

　　现在所说的天线近场测量技术通常指天线近场扫描技术。 近场扫描法测量是用一个特性已知的探头，抽样测量天线近区某一表面上的场强的幅度和、相位的分布，然后通过严格的数学变换可以确定天线的远场特性。 测量面通常作为平面、柱面或球面，相应地测量技术称为平面扫描的近场测量技术、柱面或球面扫描的近场测量技术。 该法的基本思想是把被测天线在空间建立的场展开成平面波谱函数(或柱面波函数、或球面波函数)之和，展开天线式中的加权函数包含着远场的完整的信息，根据近场测量数据算出加权函数，进而确定天线的方向图。

　　平面近场扫描需要较小的暗窒环境、较简单的调整技术和数学分析，适用于高增益天线方向图测量，如相控阵天线、反射面天线等。

　　图 1 场区划分与各种测量距离的使用范围

　　4 . 2 被测天线状态

　　被测天线的状态有发射状态、接收状态、连续波状态、脉冲工作状态。

　　当被测天线是无源、线性可逆的装置，则该天线的辐射特性可以在发射状态或接收状态下测量。

　　当被测天线含有源、非线性和不可逆电路元件时，应在天线相应的工作状态下测量。

　　注 ：当天线在大功率状态下工作时，需对系统测量设备进行相应的设计与保护。

　　4 . 3 坐标系统

　　近场测量的结果，一般是以辐射电场矢量的分量随方向或位置的变化来表示的。 不论是矢量的分量还是方向参数都应有坐标系来定义。 为了最大限度地实用，坐标系应相对于被测天线固定。 用这种坐标系，测得的天线参数与天线的安装或取向无关。 如果需要，可以从该天线坐标系变换到另外的测量或工作坐标系中去，只要它们的相对取向和位置是已知的。

　　平面近场测量中采用天线坐标系，如图 2 所示。 其 狓oy平面为被测天线的 口径面或天线阵的阵面，原点与口径面的几何中心重合，≈ 轴垂直于被测天线口径面，指向测量探头，如图 3 所示。 对线极化天线，天线口面场主极化的方向取作 狓 轴或y 轴;对非线极化天线，狓 轴和y 轴的取向尽可能满足结构上的某种对称性。

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　　图 2 天线测量的标准坐标系统

　　图 3 平面近场测量坐标系

　　5 测量环境

　　5 . 1 测量环境要求

　　除另有规定外，测量应在以下条件下进行：

　　a) 环境温度：15 ℃ ~35 ℃ ;

　　b) 相对湿度：25%~75% ;

　　c) 大气压力：86 kPa~106 kPa。

　　5 . 2 电源要求

　　除另有规定外，测量应在以下电源条件下进行：

　　a) 微波暗窒的电压应在额定电压的 ±5%内，频率应在额定频率的 ±5%内，宜配不间断电源;

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　　b) 微波暗室的测量用电应进行滤波。

　　5 . 3 测量场地要求

　　若在微波暗室进行高增益天线平面近场方向图测量，应满足的要求如下：

　　a) 微波暗室净空间尺寸满足测量设备和被测天线安装架设和扫描采样的空间需求，净空间尺寸是指不包含吸波材料的尺寸;

　　b) 微波暗室工作频率覆盖被测天线工作频率范围;

　　c) 微波暗室扫描静区的范围应大于等于被测天线的采样区域;

　　d) 微波暗室扫描静区的交叉极化隔离度应满足 ≤-25 dB;

　　e) 微波暗室的多路径损耗 ±0.25 dB;

　　f) 包含场地在内的测量系统应满足 GB 8702—2014 对无线电干扰保护的要求。

　　6 测量系统

　　6 . 1 系统框图

　　平面近场测量系统包括垂直扫描平面近场测量系统和水平扫描平面近场测量系统，两者均包括机械子系统、射频子系统、控制子系统和测量软件。

　　垂直扫描平面近场测量系统和水平扫描平面近场测量系统主要是机械子系统不一样，其余均相同。系统典型的连接框图如图 4 所示。

　　图 4 平面近场测量系统框图

　　6 . 2 机械子系统

　　机械子系统包括平面近场扫描架、天线支架。 平面近场扫描架由一对正交叠放的位移平台组成，通常包括 狓 轴 、y 轴 、≈ 轴和极化轴(Pol 轴)。狓 轴和 y 轴用于控制探头采样运动;≈ 轴集成探头安装位置，可前后小范围伸缩，调节探头与被测天线之间的距离;y 轴上集成极化轴，用于调整探头的极化。

　　天线支架用于架设被测天线，可以根据实际测量架设需求进行设计。

　　扫描架安装时需对准，使 狓 轴和 y 轴垂直、≈ 轴垂直于扫描平面，探头 狓 轴和 y 轴平行于扫描架狓 轴和y 轴 。探头扫描平面的总平面度，应控制在 0.01λ~0.02λ 的电尺寸之内，减小扫面架的周期位置误差，并且减小扫描架的周期变形。 扫描架安装时的对准可使用反光镜、经纬仪、电子水准仪及激光跟

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　　踪仪等。

　　极化轴定位精度应小于天线方向图波瓣宽度和指向精度技术指标要求，典型值是波瓣宽度和指向

　　精度的 1/10~1/3。

　　垂直扫描平面近场测量系统采用垂直平面扫描架进行扫描采样，适用于易垂直架设的被测天线，如物理尺寸较小的天线、相控阵天线，测量时被测天线辐射口径垂直于地面架设，如图 5 所示。

　　水平扫描平面近场测量系统采用水平平面扫描架进行扫描采样，适用于易水平架设的被测天线，如大型反射面天线、柔性天线、带整星平台的卫星天线，以及产线测量等，测量时被测天线辐射口径平行于地面架设，如图 6 所示。

　　此外，也可采用机械臂等机械定位设备替代平面扫描架实现垂直扫描和水平扫描。

　　图 5 垂直扫描平面近场测量系统

　　图 6 水平扫描平面近场测量系统

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　　矩形扫描技术常被用于垂直扫描和水平扫描，探头在指定的 x、y 位置的栅格上采量数据，如图 7所示。 探头安装在 y 轴的导轨上，y 轴导轨安装在沿x 轴的第二幅直线导轨上。 测量时，根据被测天线矩形扫描区域尺寸的不同，可以沿 y 轴导轨连续运动，x 轴导轨步进运动;也可以沿 x 轴连续运动，沿 y 轴步进运动，以获取最佳的采样效率。

　　图 7 垂直扫描平面近场示意图

　　6 . 3 射频子系统

　　6 . 3 . 1 概述

　　射频子系统包括信号源、矢量网络分析仪(接收机)、特性已知的参考天线(探头)、电缆及实现测量功能的其他射频设备和器件。 可根据被测天线频率范围，选择混频器、倍频器、定向耦合器等设备。 测量使用的设备和仪表应具有良好的稳定性、可靠性、动态范围和测量精度。

　　在测量过程中，射频系统的稳定性对测量精度至关重要，根据不同的测量要求配置不同的射频系统射频，典型的射频系统配置方式分为直连模式和外混频模式：

　　a) 直连模式

　　基于矢量网络分析仪的直连模式系统框图如图 8 所示，由矢量网络分析仪内部源信号源提供激励信号(也可信号源提供)，接收机直接接收，根据测试需求可增加放大器(功放)保证系统动态范围在 40 dB 以上。

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　　图 8 直连模式射频系统

　　b) 外混频模式

　　外混频模式的系统框图如图 9 所示，外混频模式选择两路信号的比值作为最终的测试信号，其中一路为参考信号，另一路为测试信号。

　　射频信号源提供射频信号(可选择单独信号源也可由矢量网络分析仪内部信号源提供)，本振信号源提供本振信号(可选择单独信号源也可由矢量网络分析仪内部本振信号提供)。射频信号经定向耦和器被分为两路，直通口出来的信号直接供给待测天线，耦合 口 出来的信号送给参考混频器的射频输入端 。本振源产生的本振信号被分为两路，一路送给参考混频器，一路送给测试混频器。 参考混频出来的中频信号被送给中频本振单元，经过带通滤波器，参考中频放大器，输出到接收机的 a 端，a 为参考信号。

　　探头接收到信号送入测试混频器射频输入端，本振源提供本振信号，混频出来的中频信号，此中频信号再被送入中频本振单元，经分离滤波再经外部的测试中频放大器送给接收机的 b 端，b 为测试信号。

　　测试信号 b 和参考信号 a 的幅度(相位)比值就是系统最终的测试幅度(相位)。

　　图 9 外混频模式射频系统框图

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　　6 . 3 . 2 测量设备

　　6 . 3 . 2 . 1 矢量网络分析仪

　　频率分辨率：1 Hz

　　频率准确度：3 × 10- 8

　　源输出功率：≥0 dBm

　　动态范围：≥110 dB

　　6 . 3 . 2 . 2 信号源

　　频率准确度：3 × 10- 8

　　频谱纯度：谐波<-30 dBc,非谐波<- 50 dBc

　　输出功率：≥0 dBm

　　6 . 3 . 2 . 3 接收机

　　频率分辨率：10 Hz~3 MHz

　　频率准确度：3 × 10- 8

　　显示平均噪声电平：≤- 140 dBm/Hz

　　6 . 3 . 3 测量探头

　　测量探头的性能对于平面近场测量系统的性能影响较大，在精密测量时应对探头的特性进行校准。平面近场测量探头应具有以下特性：

　　a) 低驻波比;

　　b) 低散射截面，以减小探头与被测天线间的多次耦合;

　　c) 半空间(至少在宽的立体角内)无零辐射点;

　　d) 具有尽可能宽的频带;

　　e) 极化特性和方向图特性便于校准或便于精确计算;

　　f) 极化纯度高，且方向图足够宽;

　　g) 结构紧凑、稳定可靠;

　　h) 机械接口易于定位，可以实现机械与光学对准;

　　i) 探头交叉极化应小于 -30 dB;

　　j) 满足以上条件后通常使用开口波导。

　　6 . 4 控制子系统

　　控制子系统包括实时控制器、计算机和控制线缆等，实现各设备的协同控制。

　　6 . 5 测量软件

　　测量软件应具有数据采集与数据分析功能，并能实现方向图、增益、方向性系数、波束宽度、副瓣电平、波束指向、极化、轴比等计算转换测量功能。 数据采集软件可自动采集天线口面的幅度和相位分布，数据分析软件可完成近远场转换和数据分析，绘制出远场方向图。

　　数据采集软件和数据分析软件的功能和要求如下：

　　a) 数据采集软件功能和要求为：

　　1) 能对被测天线的频率进行单频点、多频点测量，并能观测系统的信噪比;

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　　2) 能设置测量仪器的频率、信号功率和中频带宽;

　　3) 能设置采样面的大小、采样间隔、测量距离;

　　4) 能设置探头的频率范围和极化方式;

　　5) 能设置扫描架 狓 轴 、y轴的运行速度;

　　6) 能实时观测采集原始数据的幅相值;

　　7) 能输入文件名及相关测量信息。

　　b) 数据分析软件功能和要求为：

　　1) 根据测量需求能绘出近场单极化、双极化、幅度或相位方向图;

　　2) 根据测量需求能绘制出远场线极化方向图、交叉极化方向图、圆极化方向图、立体方向图、等高增益线方向图、幅度或相位方向图;

　　3) 能绘出归一化后的方向图;

　　4) 能绘出远场直角坐标、极坐标方向图;

　　5) 具有自动寻找远场方向图最大值功能;

　　6) 能分析方向图的波束宽度、波束指向、零深、副瓣等参数。

　　7 测量方法

　　7 . 1 基本理论

　　平面近场测量是利用探头天线来测量被测天线孔径上场的幅度和相位，满足近场条件后根据电磁场平面波展开理论，计算出天线的辐射远场，从而获取天线的辐射特征参数。 根据远场方向图进一步计算得到方向图的各种参数。

　　7 . 2 测量实施

　　7 . 2 . 1 系统对准

　　测量探头一般安装在扫描架 y 轴并沿 y 方向进行扫描，被测天线一般架设在天线支架上，平行于扫描架 狓 轴，垂直于扫描架 y 轴，如图 5 和图 6 所示。

　　被测天线坐标系与扫描面的坐标系对齐并且平行。 测量场地坐标系的 狓 轴和 y 轴平行于探头单轴扫描中其坐标原点形成的正交轨迹线。 探头 ≈ 轴垂直于扫描面，探头 狓 轴和y 轴需要对准至平行于扫描架狓 轴和y 轴，如图 7 所示。

　　根据被测天线测量指标及精度，探头和待测件的对准可通过卷尺、卡尺、经纬仪、激光跟踪仪等设备来完成，对准精度要求与被测天线相适应。

　　被测天线通常相对扫描平面进行机械校准，有时通过电对准，也可测量记录被测天线相对扫描平面的偏移量，通过数据后处理进行校准。

　　7 . 2 . 2 测量距离

　　测量距离的选择应考虑以下因素：

　　a) 确保非传播模式不显著影响近场测量数据;

　　b) 有效扫描区域覆盖足够范围的方向图;

　　c) 探头与被测天线之间互耦。

　　注：缩短测量距离可增加方向图覆盖，增加测量距离可减小多次反射和凋落波，测量距离的选择应在二者之间进行平衡，测量距离宜为 3λ~5λ。

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　　7 . 2 . 3 采样面

　　理论上平面近场采样的扫描平面无限大，但这无法实现。 工程上通常选取扫描平面的边缘电平比中心电平小 30 dB~40 dB 的区域为扫描区域，其他区域数据设置为无限小。 平面近场采样的扫描区域与可信角域如图 10 所示。

　　图 10 平面近场采样面示意图

　　扫描平面在 y 方向的有效扫描范围 L 见式(1) :

　　L=D+d+ 2Ztanθ …………………………( 1 )

　　式中：

　　L — 向上和向下扫描的距离，单位为米(m) ;

　　D —被测天线等效辐射口径，单位为米(m) ;

　　d —探头直径，单位为米(m) ;

　　Z —被测天线和探头之间的距离，单位为米(m) ;

　　θ —扫描平面在 y 方向的有效角域范围，θ 的典型值宜为 60°。

　　注：扫描平面在 r 方向的扫描区域与可信角域计算方法与y 方向相同。

　　7 . 2 . 4 采样间隔

　　采样间隔是测量数据中两相邻数据所需要的最短周期。 测量选择在凋落波(菲传播模式)影响的最小区域，r 和 y 方向上的采样步进应小于λ/2。

　　7 . 3 测量参数

　　平面近场天线方向图测量的主要参数如下：

　　a) 线极化天线：

　　1) 幅度方向图;

　　2) 相位方向图;

　　3) 波束宽度;

　　4) 波束指向;

　　5) 零深;

　　6) 副瓣电平;

　　7) 交叉极化/轴比;

　　8) 增益;

　　9) 方向性系数;

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　　10) 相位中心。

　　b ) 圆极化天线：

　　1) 幅度方向图;

　　2) 相位方向图;

　　3) 波束宽度;

　　4) 波束指向;

　　5) 零深;

　　6) 副瓣电平;

　　7) 交叉极化/轴比;

　　8) 增益;

　　9) 方向性系数;

　　10) 天线极化方式;

　　11) 相位中心。

　　7 . 4 测量步骤

　　7 . 4 . 1 方向图测量

　　方向图测量的主要步骤如下：

　　a) 根据被测天线的频率范围，设定测量频谱，按照图 5 进行垂直扫描连接、按照图 6 进行水平扫描连接。 将被测天线架设于天线支架上，将对应频段的探头安装于扫描架上，连接测量链路的射频线缆、控制线、电源线等。

　　b ) 系统控制设备开机，根据 7 . 2 . 1 进行被测天线和探头的机械对准，根据 7 . 2 . 2 调整测量距离。

　　c) 根据被测天线的极化方式调整探头的极化，选择与之匹配的极化方式。

　　注 1 ：若被测天线为线极化，探头极化方式选为与之匹配的单极化;若被测天线为圆极化时，探头的极化方式为 Pol1选为垂直(水平)极化，Pol2 选为水平(垂直)极化。

　　d) 在系统测量软件中设置测量参数，包括测量频率、信号功率和中频带宽等参数，根据 7 . 2 要求，设置 r 方向和y 方向扫描范围、采样间隔，设置扫描架的扫描速度等。

　　e) 系统测量软件执行测量任务，控制测量探头实现 r 方向和 y 方向的扫描采样，矢量网络分析仪采集测量信号幅度和相位值。 系统测量软件记录每个坐标点的探头采集到的幅度和相位值。

　　注 2 ：幅度值的量纲为分贝(dB)或线性值。

　　注 3：相位值的量纲为度(°)或弧度。

　　f) 若被测天线为圆极化天线，完成一个测量后，探头 自动旋转 90°重复步骤 a) ~d)测量另一个极化。

　　7 . 4 . 2 增益测量

　　增益测量采用比较法，主要步骤如下：

　　a) 按照 7 . 4 . 1 的步骤 a) ~步骤 e)测量被测天线的幅度和相位值;

　　b ) 将被测天线替换为标准增益天线，按照 7 . 4 . 1 的步骤 a) ~步骤 e)测量标准增益天线的幅度和相位值;

　　c) 在后处理软件中对原始数据进行处理分析得到增益方向图、最大幅度等参数，计算见式(2) :

　　G=Gs +(Px - Ps ) …………………………( 2 )

　　式中：

　　G —被测天线增益，单位为 dBi 或者 dBd;

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　　Gs —标准增益天线增益标定值，单位为 dBi 或者 dBd;

　　Px —被测天线远场方向图的最大功率电平，单位为分贝毫瓦(dBm) ;

　　Ps —标准增益远场方向图的最大功率电平，单位为分贝毫瓦(dBm)。

　　注 1 ：对于圆极化天线，G和Gs 的单位为 dBi。

　　注 2：对于半波对称阵子天线，G和Gs 的单位为 dBd。

　　7 . 5 数据分析

　　根据数据采集软件采集到的被测天线原始数据进行近远场变换，得到被测天线的远场方向图。 近远场转换方法见附录 A。

　　7 . 6 辐射方向图表示方法

　　辐射方向图的显示包括三维辐射方向图和二维辐射方向图。 三维辐射方向图应具有三维球坐标显示功能、三维直角坐标显示功能。 二维辐射方向图应具有二维直角坐标显示功能、二维极坐标显示功能和二维平面图显示功能。 各种结果显示均可以输出为图片、数据或动画等形式。

　　辐射方向图的表示方法有直角坐标表示法和极坐标表示法，如图 11 所示。 辐射方向图的其他表示方法见附录 B。

　　a)极坐标表示法

　　b)直角标表示法

　　图 1 1 辐射方向图的表示

　　7 . 7 测量不确定度分析

　　表 1 给出了增益测量时不确定度评估的示例，测量不确定度评估的说明见附录 C。

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　　表 1 增益误差估算表

　　8 测量报告

　　8 . 1 测量报告要求

　　测量结果应记录在一份综合的测量报告中。 表 2 给出了要求的所有条目的摘要清单。 测量报告具有可提供测量重复性的信息。

　　a) 通用信息：

　　1) 通用信息应包括测量所在的地点、负责的(能承担责任)的所有者等;

　　2) 如果场地确认是由其他方或组织进行的，应给出该方或该组织的信息;

　　3) 应借助绘图、照片、部件号码等方式描述测量的配置，包括其辅助设备;

　　4) 另外还应给出进行测量的 日期，在报告的封面还应有报告的编制者和授权人的姓名及其签名。

　　b) 有效期和限制条件的评估：

　　在进行测量之前，应证明场地的有效期，并明确声明测量报告中的环境条件、配置条件或者限制条件。

　　c) 测量布置：

　　1) 无论在检查还是在测量中，都应对每一条规范性要求的条目进行核查，以确定是否符合

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　　要求;

　　2) 不同类型天线的测量程序，应在测量报告中给出。 若对测量布置有调整，也应在报告中注明。

　　表 2 测量报告清单

　　8 . 2 测量结果输出

　　根据测量大纲要求出具测量结果及辐射方向图，辐射方向图测量数据记录信息见表 3 。

　　表 3 辐射方向图测量数据记录信息

　　9 安全防护

　　9 . 1 安全防护要求

　　微波暗室进行天线测量时，应满足人身和仪表的安全防护规定：

　　a) 微波辐射安全限值按照 GB 8702—2014 中的规定执行;

　　b) 仪表严格按照其出厂说明安全使用。

　　9 . 2 安全防护措施

　　微波暗室进行天线测量时，安全防护措施如下：

　　a) 被测天线进行低功率量级测量;

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　　b) 微波暗室内划分辐射区域并安置标识;

　　c) 天线测量期间进入微波暗室时，应穿戴防护用品;

　　d) 测量中断，天线调试应关闭信号源射频开关;

　　e) 登高作业，应学习登高基本知识，并获得登高资格证书;

　　f) 被测天线需大功率工作时，应提前计算射频链路各环节器件功率。

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　近远场转换方法

　　平面扫描近场测量技术的基础是平面波展开理论。 在线性、均匀、各向同性的无源介质中，简谐时

　　间变化(ejωt)的电磁场满足 Helmholtz方程的表述为式(A. 1) :

　　k2 = 0 …………………………( A.1 )

　　在图 2 所示的直角坐标系中，式(A. 1)基本解的表述为式(A. 2) :

　　( )= ( )exp(- j ·)

　　=kx+ky+k≈ …………………………( A.2 )

　　式中：

　　—观察点(x，y，≈) 的位置矢量;

　　—矢量波束;

　　( )—平面波 ( )的复振幅矢量。

　　在 x≥0 的半空间内，kx 的表述为式(A. 3) :

　　kx

　　即 的三个分量只有两个是独立的。

　　由于 和 的关系满足麦克斯韦方程：Δ × =jωμ，所以与式(A.2) 相对应的电场强度的表述

　　为式(A. 4) :

　　由于场方向是线性的，使用式(A. 2) 和式(A. 3) 对 ky 和 k≈ 进行积分，便可构成无源区电磁场的 一般解的表述为式(A. 5) :

　　ky dk≈ ……………

　　若以 x 轴为传播方向，y0≈平面为天线(或馈源)所在平面，在某一距离 x=x0(常数)平面上，场的横向分量 Er(x0,y，≈)是已知的或者能够测量得到的，式 (A. 5)可转化为式(A. 6) :

　　Er kxx0 e-j dky dk≈ ………………

　　由式(A. 6)可以看出，Er(x0,y，≈)与 Ar ( )是一对二维 Fourier变换，因此 Ar(k)的表示为式(A. 7) :

　　Akxx Er dyd≈ ………………

　　由于无源场满足Δ · =0, 即式(A. 1)可转化为式(A. 8) :

　　kxAx kyAy k≈A

　　式(A. 8)表明，式(A. 2)表示的场的取向与场的传播方向垂直。 所以 ( )的三个分量中也只有两

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　　个是独立的。 若令两个独立的分量为 Ay ( )、A≈ ( )，于是 Ax ( )的表示为式(A. 9) :

　　Ax ……………………

　　若已知 Ay ( )、A≈ ( )和 ky、k≈ ,可由式(A. 3)求得 k，再由式(A. 9)求得 Ax ( )，从而求出 ( )。将 ( )代入式(A. 5),便可求得 x>0 区域任意点的场。

　　在远场条件下，通常用最速下降法或驻相法对式(A. 5)的磁场求解，其结果的表述为式(A. 10) :

　　= = (sinθcosφ+ sinθsinφ+

　　式中：

　　θ —观察点相应的极角;

　　φ —观察点相应的方向角;

　　k0x — 在 x 轴上的投影，k0x = k sinθcosφ

　　为了确定天线远场辐射方向图，只需知道平面谱函数 ( )= (kx，ky)在 k+ 2 的函数关

　　系 。k

　　若远场点(r，θ,φ) 已知，则由式(A.10)计算得到电场强度 。

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　　附 录 B

　　(资料性)

　　辐射方向图表示方式

　　天线辐射方向图表示方式有直角坐标辐射方向图表示、极坐标辐射方向图表示、辐射方向图数据列表表示和等增益线图表示，其示例见图 B. 1~图 B. 4 。

　　图 B.1 直角坐标辐射方向图

　　图 B.2 极坐标辐射方向图

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　　图 B.3 辐射方向图数据列表

　　图 B.4 等增益线图

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　　附 录 C

　　(资料性)

　　测量不确定度评估的说明

　　C.1 探头方向图

　　近场扫描探头有一定的大小且有一定的方向性，它们的存在会对近场测量产生扰动。 探头移动中接收到的信号与被测场的分布并非线性关系，需要利用探头补偿的方法来解决非理想探头的接收效应，仅在系统软件中采用理想探头修正，这对于超低副瓣测试精度的要求是不够的，要在一定的测试频带内对各种波导探头进行实际测试校正。 探头主极化方向图不确定度直接影响到任意指定角度的被测天线校准远场方向图。

　　探头在开口波导模式下，主极化方向图不同角度对应的不确定度影响量如表 C. 1 所示。

　　表 C.1 探头开口波导模式，主极化方向图不同角度对应的不确定度影响量

　　C.2 探头极化比

　　探头极化比一般不影响主极化测量，但影响交叉极化测量。 如果被测天线的交叉极化比相对较低，则探头交叉极化产生的误差可以忽略。

　　C.3 探头增益

　　可参考使用探头增益测量的不确定度。

　　C.4 探头对准

　　探头对准误差指探头极化矢量和近场坐标系统之间的误差。 探头方位和俯仰上的对准误差可以由探头方向图读出。 根据经验值，探头对准误差一般选择 0 . 05 dB。

　　C.5 归一化常数

　　归一化常数是测量系统损耗时产生的所有幅度误差的参数。 该误差通过多次重复测量所得。

　　注：该误差影响增益测量的不确定度，但不影响交叉极化或副瓣测量的不确定度。

　　C.6 阻抗失配

　　阻抗失配是由于探头与被测天线，或线缆与被测天线之间没有完美的匹配而产生的，根据经验值，探头对准误差一般选择 0 . 08 dB。

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　　C.7 被测天线对准

　　被测天线在方位和俯仰方向上的对准误差并不直接影响方向图测量的误差，该误差可以忽略不计。

　　C.8 采样间隔

　　自 由空间传播限制了近场采样密度不能小于 0 . 5 波长间隔。 在这种间隔下产生图形失真的误差约

　　为 0.01 dB。

　　C.9 测量区域截断

　　天线方向图的近远场变换是基于被测天线辐射的所有能量均能被测量得到。 在天线前半球面测量天线的所有能量，扫描平面理论上需要无限延伸的。 而实际测量时，扫描平面是有限的，则截断的能量就会丢失，这些丢失的能量就会影响到被测天线的方向图。

　　C.10 探头 x-y 轴位置误差

　　探头 x-y 轴位置的误差可在接近扫描架机械轴时可忽略不计。

　　C.1 1 探头 z 轴位置误差

　　探头 狕 轴位置的误差对近扫描架轴处影响最大，该误差为 0 . 01 dB。

　　C.12 多次反射

　　探头和被测天线之间的多次反射可以通过更改探头到天线之间的距离，并比较多次扫描结果来进行鉴别。

　　C.13 接收机幅度线性度

　　接收机幅度线性度误差可通过接收机校准的不确定度得到。

　　C.14 系统相位误差

　　系统相位误差是接收系统的误差。 对于短时间测试，该误差可忽略不计。

　　注：随机相位误差单独有一个误差项，并不包括在该误差项内。

　　C.15 接收机动态范围

　　接收机动态范围误差可以通过接收机校准的不确定度得到。

　　C.16 暗室散射误差

　　暗室散射误差是在近场范围内扫描架、地板、天花板和其他房间内的固体造成的影响。

　　C.17 泄露和串扰

　　由于线缆连接头、线缆和旋转关节而产生的泄露和串扰会对测试结果产生一定的误差。

　　C.18 随机误差

　　该项误差是所有接收机、线缆、温度、泄露、被测天线变换等产生的非重复性误差的总和。

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 38889—2020 天线及接收系统的无线电干扰 天线测量 车载天线及系统

　　[2] IEEE Std 1720TM —2012 IEEE Recommended Practice for Near-Field Antenna Measure- ments

　　[3] Dan Slater Near-Field Antenna Measurements Artech House Piblishers

　　[4] SOM-NSI2000 Operating Manual (Near-field Edition)