天线近场和远场的区别是什么？天线远场天线测试和天线近场测试介绍

天线近场和远场的区别是什么？天线远场天线测试和天线近场测试介绍

天线近场和远场测试是天线设计和测试中的重要概念，它们分别描述了电磁波在不同距离范围内的传播特性。近场测试关注天线附近的电磁场分布，而远场测试则关注天线辐射场的远距离特性。本文将详细介绍天线近场和远场的区别、测试原理以及相应的测试系统组成。

天线近场和天线远场

天线近场和远场的概念源于电磁波的传播研究。在早期的无线电通信中，人们发现电磁波的传播特性在靠近和远离天线时存在明显的差异。为了更好地理解和利用这种特性，人们提出了近场和远场的概念。在光电领域，近场和远场的概念被广泛应用于研究和设计光电设备和系统。对于天线辐射场的分布，可以将天线振子的场分为近区场、远区辐射场和中间区。

近场和远场的理论基础是麦克斯韦方程组。在电磁波传播过程中，近场区域主要受到电磁场的电场分量和磁场分量的影响，而远场区域主要受到电磁场的辐射分量的影响。近场和远场的边界通常定义为距离光源或物体的距离等于波长的一半。在这个距离之内，电场和磁场的强度随距离的增大而快速衰减，称为近场区域；在这个距离之外，电磁场的强度随距离的增大而缓慢衰减，称为远场区域。

近场和远场的主要参数指标包括电场强度、磁场强度和辐射强度。电场强度和磁场强度用于描述近场区域的电磁场特性，辐射强度用于描述远场区域的电磁场特性。此外，近场和远场的划分也取决于观察点与光源或物体的相对位置，因此观察点的位置也是一个重要的参数指标。

对于天线辐射场的分布，可以将天线振子的场分为近区场、远区辐射场和中间区。在天线设计中，我们主要关注三个场区域。这些场区域定义了传播电磁辐射的行为，并被限制在与源天线不同的边界距离 R 内。

1. 感应近场区（0<r<λ/2π）

• Poynting矢量为三维坐标函数（r, θ，φ），
• 且衰落很快(>1/r)，无辐射，感应场

2. 辐射近场区（λ/2π<r<2D2/λ）

• 此区域分为两个子区域，
  a） λ/2π<r<D2/4λ,场衰落>1/r,有辐射且与r关系密切
  b）D2/4λ<r<2D2/λ，场衰落=1/r，通常称为Fresnel区域。

3. 远场区（r>2D2/λ或10λ）

• Poynting矢量仅具有两个分量（ θ，φ），
• 方向图依赖于r

天线近场和远场的区别

近场指的是光波与物体表面相互作用的区域，其传播距离通常不超过波长的一半，即𝜆/2。在这个区域内，光波的振幅、相位和偏振状态等特性受到物体的影响而发生变化。近场的电磁场强度比远区场大得多，且电磁场强度随距离的变化比较快，空间内的不均匀度较大。近场内的电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系，且感应场和辐射场相临，又称为无功近场。

远场指的是光波传播距离物体较远的区域，其传播距离通常大于波长的数倍。在这个区域内，光波的特性主要受到波传播距离的影响，而与物体的形状和电性质等关系较小。远场的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比近场慢得多。远场为弱场，其电磁场强度均较小。一般来说，以离发射体2𝐷2/𝜆的距离作为近场和远场的分界。

天线远场测试原理

根据天线测量距离的远近，天线测量有近场测试和远场测试之分。近场测试是通过研究待测天线近场的幅度、相位以及频谱等信息，通过傅里叶变换获得远场的幅度、相位和方向图，并最终重构被测天线辐射场部分的远场分布。

远场测试是指直接测量待测天线的远场数据。由于近场天线测量中，会由于多径效应和外界干扰等原因造成误差因此，在天线测量中远场测试往往更加可靠。

远场测试原理是用已知特性参数的平面波照射天线，得到天线的接受特性参数，然后利用天线的互易性原理，得到天线的传播特性参数。互易性原理指的是，天线用作发信天线时的参数，与用作收信天线的参数保持不变。

天线远场距离计算公式

天线远场距离的计算方式可以通过天线的波长和天线尺寸来确定。当天线与辐射场之问的距离大于远场距离时，可以近似认为天线处于远场区域。

其中，D. 为天线最大尺寸，入 为天线工作频率的波长。这个公式是通过射线的千涉和相位前进来推导的。在天线远离辐射源时，远场距离的增加将导致辐射场的衰减，天线接收到的辐射功率也随之减小。

天线近场测试原理

天线近场测试原理是在一个面上采集待测天线近场数据，然后通过近远场变换算法，得到待测天线远场辐射特性。而根据采集面的不同，又分为平面、柱面、球面近场天线测量技术。

天线测量技术可以应用于天线的测试与诊断。也可以设计为天线近场测量系统。天线近场测量系统是一套在中心计算机控制下进行天线近场扫描、数据采集、测试数据处理及测试结果显示与输出的自动化测量系统。

MATLAB 软件用于信号发生器、信号分析仪和频谱分析仪的MATLAB软件可对数据测试调制机制进行分析、过滤和显示，并可实现自动化测量。

天线远场测试 - 直接接收机方式

上图为天线远场测试的典型组成框图，通过测试可得到被测试天线的增益，方向图，工作频段等参数。

天线测试系统

天线测试系统组成包括：信号发射源、本振源、混频器、接收机及相关连接件；测试转台、极化转台及相关驱动器、控制器；数据采集、控制、数据处理软件及相关计算机、辅助设备等。

远场天线测试

远场天线测试系统主要组成部分：

1. 接收端单轴或多轴转台子系统（包括控制驱动器及电缆组件）。
2. 发射端系统， 通常由一个单轴转台，控制驱动器及电缆组件组成。
3. 射频子系统，包括发射源，接收机及射频电缆组件。发射源的选择可以使用外置信号源或网络仪的内置激励源，选择的依据是根据测试的距离，工作频率，测试速度等方面的要求。采用外置源可以让发射源尽量接近发射天线，系统测试动态范围大，但测试速度相对较慢，而采用网络仪内置的信号源，测试速度较快，但测试动态范围相对较小。
4. 系统主控器及一个负责给转台子系统发定位指令，采集测试数据和分析测试结果的系统软件。

天线测试系统测试状态分为接收状态和发射状态的天线测试两大类。该测试系统的核心由高性能PNA矢量网络分析仪（具有脉冲测试功能）、高性能PSG微波信号源（具有脉冲调制功能）、混频单元、测试转台、极化转台、转台控制器、控制计算机、测试软件及相应的测试附件等组成。

天线测试系统的接收状态天线测试是在连续波激励状态下测试天线的方向图、增益、极化等参数。

天线测试系统发射状态测试是在脉冲激励状态下测试天线参数。在发射状态测试中，系统工作模式与接收状态测试基本相同，仅将发射源放置在接收机同侧（相对与接收状态测试）。

天线远场测试 - 外混频接收机方式

对于远距离或微波频段天线测试，由于被测天线和接收机距离较远，这样天线输出到接收机输入端的电缆损耗就会对测试动态范围造成损失，通过外混频器方式可以降低这种损耗的影响。

近场天线测试

所谓近场天线测试的近场是指从测试探头到被测天线口平面的距离约为3λ～5λ.符合这样条件的天线测试即为近场测试.。近场天线测试是依靠扫描架在天线的近场区对天线发射信号在近场区的幅度相位信息信息进行采集，通过运算得到远场区的辐射场形。相比远场天线测试系统，近场天线测试系统的占用面积较小，但成本较高。

由于测试距离比较近，近场天线测试系统对接收机灵敏度要求相对较低，但是由于测试是在扫描过程中完成信号采集，接收机需要具有很快的测试速度。近场天线测试中，网络仪接收机中频带宽可以设置在相对大的状态下，以提高仪表测试速度。

典型的天线近场测试配置

近场天线测试系统组成：

1. 多轴扫描架子系统（包括控制驱动器及电缆组件）。
2. 被测天线定位子系统， 通常由一个单轴或多轴转台，控制驱动器及电缆组件组成。
3. 射频子系统，包括发射源，接收机及射频电缆组件。
4. 系统主控器及一个负责给扫描架及转台子系统发定位指令，采集测试数据，近远场变换计算和分析测试结果的系统软件。