天线时域近场测试超宽带探头误差机理研究

The probe error is the most important error in antenna's Time-Domain Near-Field measurement. Because of the distinct characteristics of time-domain ultra-wide-band probe, such as larger volume, none analytical solution and complicated transfer function, compared with typical frequency-domain narrow-band probe, the analysis for the value and effects on measurement results and the probe correction will be faced with enormous theory and technique difficulty. Based on the conjunction of modern signal processing methods and full digital electromagnetic computing methods, the value and effects on measurement results of time-domain ultra-wide-band probe will be studied thoroughly through the research works. Then the probe correction mechanism and techniques will be investigated. Some key scientific problems, such as the near-near field effect built by the antenna-under-test and the probe, the implementation for the digital deconvolution with probe transfer functions, will be solved carefully. This research will build the bases for the applications of antenna's time-domain near-field measurement technique.

天线时域近场测试探头误差是时域近场测试最重要的误差来源。由于测试中所利用的时域超宽带探头具有体积大、口径分布无解析解和传递函数频响复杂等特性，与传统频域近场测试中使用的探头存在很大差异，导致在描述探头效应对测试结果的影响和进行探头效应修正方面存在很大理论和技术困难。针对这一问题，本课题提出采用基于分数阶傅里叶变换和数值反卷积等现代信号处理手段和基于时域有限差分算法等完全数值手段相结合的方法，深入研究时域超宽带探头效应对时域近场测试结果的影响，在此基础上，探索时域探头修正的理论和技术，解决时域超宽带探头双近场和探头传递函数数值反卷积实现等关键科学问题，为天线时域近场测试技术的高精度实现奠定理论基础。

天线时域近场测试是一项全新的、有望在不久的将来居于主导地位的天线测试技术，尤其是针对大口径、超低副瓣、超宽带雷达天线。做为一项测试技术，其误差水平是决定其生命力的主要因素。而这种测试中需要的时域超宽带探头是导致测试误差的主体。对时域探头误差的认识和修正是决定时域近场测试能力和水平的最重要衡量指标，是目前天线时域近场测试技术走向工程化应用中最大和最困难的问题，也是最急需解决的问题。该项目对时域近场测试误差项来源进行了系统的研究，明确了时域近场测试包含的误差项来源，除了确定时域测试包含频域测试的18个误差项外，还包含时域独有误差项：信号源稳定度误差、时间采样长度误差、时间采样间隔误差和探头调制误差。对测试中产生的几个特有误差项进行修正后，测试结果的误差从1—2dB降低为0.2dB左右；提出了信号源稳定度误差的时域修正方法，仿真结果显示修正后的时域信号幅值误差小于5%，实际测试中进行误差修正后的S频段天线测试结果的副瓣电平误差从1.4dB左右降低到0.3dB左右，C频段副瓣电平误差降低到0.5dB左右；并利用时域信号的特点提出了新的多重反射误差的分析方法和采样面截断误差修正方法；明确了探头调制误差的定义，对误差的机理进行了研究，以近场测试的开口矩形波导为例，根据误差项的组成，利用探头调制函数对探头调制误差进行了修正，仿真结果表明经过修正后信号幅值误差小于1%，实际测试在信噪比只有10dB左右的情况下修正后幅值误差小于10%。对频域近场测试中的近远场变换与误差修正理论进行系统梳理，提出探头的馈电特性与辐射特性共同组成探头传递函数的概念，扩展了传递函数内涵。该项目研究成果为时域近场测试技术应用于实际工程测试铺平了道路，完成了画龙点笔睛式的一笔。