[科普中国]-紧缩场天线测量技术

由于远场天线测量的条件是要使天线表面的最大相位差达到22.5°，即要使待测天线的最小距离大于这个临界值。这个距离随着天线运行频率的上升而不断增大。紧缩场测量技术就是在这个背景下提出来的一个应对高频天线测量的解决方案。

简介：

紧缩场的基本原理是：使待测天线和发射天线之间的距离减小，从而使测量系统变得紧缩起来。反射面紧缩场天线测量系统的原理图如下

在紧缩场系统中，我们认为馈源出射的波是球面波，球面波经过一个或多个发射面镜的发射和转换后，将形成符合天线源场测量的类似与平面波的出射场，我们称之为伪平面波。在实际环境中，绝对意义上的平面波是不存在的，通过球面波的远距离传输或者反射镜转换来无限逼近平面波是远场测试的宗旨，也是伪平面波的定义来源。

紧缩场的指标

传统上，学术界普遍接受的紧缩场的评判指标有以下五项：

■设计加工难度；

■运行频带宽度；

■静区质量；

■高紧缩性；

■交叉极化隔离度。

其中设计加工难度指的是紧缩场在研究设计和加工生产中遇到的难度。按照不同类型来分，紧缩场的加工设计难度是不同的。比如透镜型紧缩场有着中等的设计难度，但却有着较大的制造难度；而全息型紧缩场有着较大的设计难度，加工制造起来却是很方便的。相对前两种紧缩场而言，反射面紧缩场的设计难度和制造加工难度属于中等水平。

在反射镜紧缩场中，实际运行的频带宽度还将最终系统中的馈源、反射镜面的加工误差等因素的影响。因此在设计方案中能达到的宽度需要尽量的宽。现在比较常见的单反射镜紧缩场的运行宽度可以达到。

静区的质量包括两个方面：静区扰动和静区的利用率。在理想的远场天线测试中，测试天线接收的伪平面波，虽然不是理想形式的的平面波，但对于波前的扰动也有一定的限制范围。在紧缩场中，静区的扰动也有着严格的范围控制。静区的扰动包括静区幅度的变化值和相位的变化值。

在紧缩场中，静区的大小是反应紧缩场性能优劣的一个重要指标。要增大静区的尺寸，可以通过两种方式，一是通过增加镜面的大小来提高原有静区的尺寸；二是通过调高静区的利用率来在原有镜面的基础上增大静区的大小。静区的利用率指的是出射场静区的半径和反射镜面半径的比值。这里反射镜面的半径指的是紧缩场系统中最终出射场镜面的尺寸。在相同镜面的情况下，增大静区利用率，不仅能够将镜面加工的误差控制在很小的范围内，还能起到增加静区尺寸，提高紧缩场利用率的效果。

现在常用的方式有单反射镜紧缩场、双反射镜紧缩场和三反射镜紧缩场方式。1

单反射镜面紧缩场是通过一块反射镜面将馈源发射出来的出射波进行聚焦，从而在接收平面上形成平面波的形式。单反射镜紧缩场的实例图和原理图如下图所示。

传统意义上的双反射镜紧缩场系统是卡塞格伦形式的双镜系统。卡塞格伦双反射镜紧缩场系统是由一个馈源、一个双曲面副反射镜和一个旋转抛物面主反射镜组成。

三反射镜紧缩场系统指的是用一个标准面主镜，和两个赋形面的副反射镜组成的反射面紧缩场系统。与之前的单反射镜和双反射镜紧缩场系统相比，三反射镜紧缩场可以达到很高的静区利用率，并且通过设计两块尺寸较小的赋形镜面来降低反射镜系统的制造成本。三反射镜紧缩场的主镜一般采用的是球面、旋转抛物面等等的标准曲面。从馈源发射出来的电磁波经过两块赋形镜的聚焦变换并发射后，照射到主反射镜上，并反射出期望的出射场。按照反射镜两两之间波束聚焦与否，三反射镜紧缩场可以分为以下四种：双卡塞格伦三反射镜紧缩场、卡塞格伦格里高利三反射镜紧缩场、双格里高利三反射镜紧缩场、格里高利卡塞格伦三反射镜紧缩场，具体如下图所示：