如何测轴比

轴比测量是评估天线性能的核心指标，尤其在卫星通信和雷达系统中至关重要。本文将系统阐述轴比测量的基本原理、多种主流方法及其适用场景，涵盖远场、近场及紧缩场测量技术，并深入分析测量误差来源与校准策略。内容结合工程实践，旨在为射频工程师与研究人员提供一套从理论到实操的完整指南。

       在无线通信与雷达探测领域，天线的性能直接决定了整个系统的效能。其中，轴比作为一个衡量天线辐射电磁波极化纯度的关键参数，其精确测量对于确保通信质量、提升信号抗干扰能力以及实现精准目标识别具有不可替代的意义。无论是服务于全球导航卫星系统的圆极化天线，还是应用于合成孔径雷达的高性能馈源，对其轴比的把控都显得尤为严格。本文将深入探讨轴比的本质，并详尽解析从经典到前沿的多种测量方案，为相关领域的工程师和技术人员提供一份扎实的实践参考。

       理解轴比：极化纯度的度量衡

       要掌握测量方法，首先必须透彻理解轴比的定义。简单来说，轴比描述了天线所辐射的椭圆极化波中，椭圆长轴与短轴的幅度之比。对于一个理想的圆极化波，其电场矢量端点旋转轨迹为一个完美的圆，此时长轴与短轴相等，轴比为一比一，通常用一分贝表示，代表极佳的极化纯度。反之，轴比值越大，表明极化椭圆越扁，极化纯度越差，越趋近于线极化。因此，轴比是定量评估天线产生预期圆极化波能力优劣的核心指标。

       测量基石：远场条件与测试环境

       绝大多数轴比测量都建立在远场条件之上。所谓远场，是指被测天线与测量探头之间的距离满足特定公式，以确保测量点处于天线辐射的平面波区域。根据中国计量科学研究院发布的无线电计量技术规范，通常要求测试距离大于二倍乘以天线口径的平方再除以工作波长。一个纯净、无反射的测试环境同样不可或缺，专业的微波暗室通过在内壁铺设吸波材料，能够有效屏蔽外界干扰并吸收内部反射，为测量创造理想的自由空间条件。

       经典之法：旋转线性天线测量法

       这是最传统且直观的测量方法。其原理是利用一个已知极化为线极化的标准增益喇叭天线作为发射源，使被测圆极化天线在接收模式下工作。测量时，令线性极化天线在其自身平面内匀速旋转三百六十度，同时记录被测天线接收到的功率随旋转角度的变化曲线。这条接收功率曲线理论上应呈现为一条起伏的正弦曲线，其最大值与最小值的比值，即为被测天线在该方向上的轴比值。此方法设备要求相对简单，但精度受限于旋转机构的机械精度和极化对准的准确性。

       高效之选：双线性天线测量法

       为了克服旋转法耗时较长的缺点，双线性天线法应运而生。该方法需要两副正交放置的线性极化天线，例如两个在空间上精确垂直摆放的喇叭天线。两副天线同时发射等幅但相位差九十度的信号，以此合成一个标准的圆极化波照射被测天线。通过矢量网络分析仪分别测量被测天线与两个正交端口之间的传输系数，经过特定的矢量运算，可以直接解算出轴比和极化倾角。这种方法测量速度极快，非常适合批量测试和生产线上使用。

       精度之巅：圆极化标准天线测量法

       当对测量精度有极致要求时，会采用圆极化标准天线法。该方法使用一个轴比经过精密校准、性能已知的圆极化天线作为标准天线。测量分为两步：首先，标准天线作为发射天线，被测天线作为接收天线，测量接收功率；然后，保持测试链路不变，将标准天线绕其机械轴旋转一百八十度，再次测量接收功率。两次测量功率之比与标准天线自身的轴比相结合，通过计算即可得到被测天线的轴比。此方法将测量精度依赖于更高等级的标准器，常用于实验室的基准标定和量值传递。

       场变换技术：近场扫描测量

       对于大口径或高频段天线，建造满足远场条件的测试场往往造价高昂。近场扫描技术提供了另一种解决方案。该方法是在距离被测天线几个波长的近场区域内，用一个精密移动的探头扫描测量天线口径面上的幅度和相位分布。根据电磁场理论，通过严格的数学变换（如平面波谱展开），可以将测得的近场数据计算出天线在远区的全部辐射特性，包括任意方向的轴比。这种方法能一次性获取天线的完整三维辐射图，信息量巨大，但系统复杂，数据处理计算量繁重。

       紧凑空间方案：紧缩场测量技术

       紧缩场技术巧妙地将远场条件“压缩”在有限的室内空间。其核心是一个大型的抛物面反射镜或双曲面反射镜系统。馈源天线发出的球面波经过反射镜反射后，在镜前特定区域形成一片高质量的平面波照射区。被测天线置于此静区之内，就如同处于远场平面波的照射下，从而可以在短距离内完成包括轴比在内的远场性能测量。紧缩场是测量大型天线，特别是毫米波、太赫兹波段天线的主流高端方案。

       核心仪器：矢量网络分析仪的设置

       在现代轴比测量系统中，矢量网络分析仪扮演着中央控制与测量的角色。正确设置仪器参数是获得可靠数据的前提。需要根据被测天线的工作频率设置准确的起始频率与终止频率；选择合适的输出功率，既要保证足够的信噪比，又要避免放大器饱和；中频带宽的设置需在测量速度与噪声水平之间取得平衡；此外，充分的校准，包括端口匹配校准和传输校准，是消除系统误差、确保测量准确度的基石。

       误差溯源：影响测量精度的主要因素

       认识到测量过程中的误差来源，是进行精确测量和结果评估的关键。主要误差包括：一是多径反射误差，即测试环境中的残余反射信号与直射信号叠加，干扰了真实的辐射场；二是极化失配误差，源于发射天线与被测天线极化未完全对准；三是仪器误差，来自矢量网络分析仪本身的幅度和相位测量不确定度；四是机械误差，如转台的角度定位误差、探头的定位误差等。系统分析这些误差并加以控制，是提升测量可信度的必经之路。

       环境校准：暗室性能评估与场地衰减

       一个微波暗室的性能并非一成不变。定期对暗室进行性能评估至关重要，其中“场地衰减”测试是一项核心验证。该测试使用一对已知增益的天线，在暗室内测量其传输损耗，并将测量结果与理论自由空间传输公式的计算值进行比较。两者的吻合程度直接反映了暗室吸收反射波、模拟自由空间的能力。只有场地衰减测试合格的暗室，其内部的轴比测量数据才具有权威性。

       相位是关键：极化测量中的相位校准

       在基于双天线或需要获取复数数据的测量方法中，相位的准确测量与校准直接决定了轴比结果的精度。任何测量电缆的长度差异、接头的微小形变、仪器的相位漂移都会引入误差。因此，必须使用精密的相位校准件，在测量前对系统的整个信号通路进行全二端口矢量校准，以消除这些系统性相位误差。对于极高精度的要求，有时还需要在测量过程中监测环境温度，因为温度变化会导致电缆相位特性发生改变。

       数据处理：从原始数据到轴比值

       测量仪器记录下来的往往是电压、功率或散射参数等原始数据。如何从中提取出轴比值，需要依据所采用方法的数学模型进行计算。对于旋转线性天线法，需从功率曲线中提取最大值与最小值；对于双线性天线法，需对两个正交通道的复数信号进行合成分析；对于近场扫描，则需要执行复杂的场变换算法。如今，专业的天线测量软件通常集成了这些算法，能够自动完成计算并图形化显示轴比随频率和空间角度的变化。

       宽频带测量：轴比随频率的变化特性

       天线的轴比并非在所有频率上都保持恒定，它通常是一个与频率相关的函数。一个设计良好的圆极化天线，其轴比在一比一（一分贝）以下的频带宽度，被定义为轴比带宽。进行宽频带轴比测量时，需要以一定的频率步进，在每个采样频点上重复测量流程，从而绘制出轴比随频率变化的曲线。这条曲线直观地展示了天线极化性能的频带特性，是评估天线工作带宽的核心依据。

       方向图集成：三维轴比方向图的获取

       天线的辐射特性具有方向性，轴比亦然。为了全面评估天线性能，不仅需要测量其主轴方向（最大辐射方向）的轴比，还需要测量其在三维空间中不同角度上的轴比，即绘制轴比方向图。这通常通过将被测天线安装于可进行方位和俯仰二维转动的转台上实现，通过程序控制转台转动，在每一个角度位置进行测量，最终生成一个立体的轴比分布图，清晰揭示天线在不同指向上的极化纯度。

       特殊场景：车载与星载天线的在役测试

       对于一些已安装在大型平台上的天线，如车载卫星通信天线或星载天线，难以甚至无法在暗室中进行测量。此时，需要采用外场或在役测试方法。例如，利用已知轨道和极化特性的在轨导航卫星作为信号源，在地面测量车载天线接收信号的极化特性，从而反推其轴比。这类方法受环境影响大，测试条件不可控，但却是验证天线在实际工作环境下性能的唯一手段，对系统集成与验收至关重要。

       标准与规范：测量结果的比对依据

       为了确保测量结果的一致性和可比性，必须遵循国家和国际通用的标准与规范。例如，国际电工委员会发布的关于天线测量的标准，以及中国国家标准化管理委员会发布的相关国家标准。这些文件详细规定了测量条件、方法、步骤、数据处理和报告格式。严格依据标准进行测量，不仅是技术严谨性的体现，也是在不同实验室、不同时间所测数据能够进行有效比对的前提。

       未来展望：自动化与智能化测量趋势

       随着技术的发展，天线测量正朝着高度自动化和智能化的方向演进。集成化的测量系统能够通过计算机程序自动控制转台、切换仪器状态、采集数据并生成报告，极大提升了效率并减少了人为操作误差。更进一步，结合人工智能算法，系统可以对测量数据进行实时分析，自动识别异常，甚至预测天线性能趋势。这些进步使得快速、精准、大规模的轴比测量成为可能，有力支撑了现代无线通信设备与系统的研发与生产。

       综上所述，轴比测量是一项融合了电磁场理论、精密机械、电子测量与计算机技术的综合性工作。从理解基本原理开始，根据被测天线的特性和测量需求，选择合适的测量方法与配置，并严格控制误差来源，才能最终获得真实可靠的轴比数据。这份数据不仅是评估天线设计优劣的标尺，更是保障整个无线系统高性能运行的基石。希望本文的系统阐述，能为读者在应对实际测量挑战时提供清晰的思路与实用的工具。