1 概述
天线的测量具有重要的意义，高精度的天线测量成为天线研制生产和产品检验过程中的一个十分重要的环节。天线测量技术综合性较强，测量方法和手段各有特点，测量的精度直接关系到其应用的情况。
天线测量技术的发展可追溯至1901年，马可尼第一次利用方锥天线完成了跨大西洋无线电通信实验，人们开始探索天线参数精确测量的方法^[1]。从天线技术的发展来看，1930年以前为线天线时期，代表性的天线为八木宇田天线和菱形天线，这一阶段尚未形成专门的天线测量方法。20世纪30-50年代进入面天线时期，天线测量方法开始初步建立，常常采用开阔场测量。20世纪50年代-70年代是阵列天线时期，1953年，麻省理工学院采用吸波材料降低室内背景反射电平，建立了世界上第一个微波暗室，进行精确的天线参数测量，通常采用逐点移动法。20世纪70-80年代为相控阵天线时期，自动化天线测量技术和微波暗室被广泛使用。1980年，美国天线测量技术协会成立，致力于技术推进和标准制定^[2]。20世纪80年代以来，特别是1983年AMPS第一代蜂窝移动通信系统在芝加哥商用为标志，移动通信进入大发展时期，天线测量的需求大幅增长，各种技术手段不断完善，紧缩场、平面扫描近场、柱面扫描近场、球面扫描近场、多探头近场等技术得到广泛应用。天线测量方法随着理论的发展和技术的进步，由室外向室内、远场向近场、单一参数向多种参数不断丰富完善。近些来年，MIMO技术、毫米波技术、太赫兹技术的发展，对天线测量技术提出了新的挑战。
天线测量技术涉及仪器设备的设计制造、高精度转台和扫描架的设计加工、吸波材料的设计加工、无电磁泄漏屏蔽体的设计加工、自动控制和处理、计算机和软件以及各类算法等。用于天线测量的微波暗室属于大型设备和高技术集成产品，具有造价高、技术水平高、综合性强的特点，标志着行业技术发展的最高水平。
国际上具有天线测量完整解决方案的厂商有美国的ETS公司、MI-Technologies公司和NSI公司，意大利的IDS公司，法国的MVG公司（SATIMO公司和以色列的Orbit公司合并而成）等，这些厂商各有自身的技术优势和特点。国内的航天207所、中电41所、北京航空航天大学、北京理工大学、西安电子科技大学等研究所和高等院校也可提供天线测量解决方案。但是，经过调研，我国自主知识产权的天线测量技术的市场占有率不到30%，我国尚未形成专业的测量和维护人员体系，没有建立行业内培训和认证机制，我国尚未形成完整的天线测量标准体系。总体上看，同国外的技术水平还存在一定差距。
    截止2016年5月，全国4G用户已经达到58458.2万户，总体移动用户达到129660.3万户，移动电话交换机容量达到212052.6万户，移动通信基站数量超过300万台，天线测量的需求大幅增加，各种测量技术和方法都得到了应用，无论哪一种方法，天线测量都需要满足三个基本要求，即：准确，稳定，高效。
2 天线测量方法
2.1 测量方法的分类依据
    根据电磁理论，图1给出天线辐射三分区的划分定义，式中D为天线口径，为测量波长。
Rayleigh区（）为感应近场区;
Fresnel区（）为辐射近场区;
Frounhofer区（）为辐射远场区。

图1.天线辐射三分区
 
为了获取天线的远场方向图，故天线测量方法可分为远场测量和近场测量两种测量方式。远场测量包括传统意义上的室外远场测量、室内远场测量及在暗室内进行的紧缩场测量；近场测量根据近场扫描平面的选取不同又分为平面近场测量、柱面近场测量及球面近场测量。
为保证远场测量的精度，当满足的经典远场条件，即从源天线按球面波前到达待测天线之边缘与待测天线之中心的相位差为可以视为平面波近似。远场测量示意图如图2所示。

图2.远场测量示意图
 
2.2 远场测量法
远场测量法包括室外远场、室内远场和紧缩场，如图3所示。

  
 
 
 
 
 

    
 图3.三种远场测量方案
(a)室外远场  (b)室内远场  (c)紧缩场
 
室外远场为避免地面反射波的影响，通常把收发天线架设在水泥塔、相邻高大建筑物或山顶。此时待测天线在方位或俯仰面上旋转采集数据，可以得到天线的方向图信息，可直接测量得到天线的远场特性^[3]。经典远场条件容易得到满足，保证了测量精度；测量结果对于天线相位中心的位置变化不太敏感，因而旋转待测天线并不会导致明显的测量误差；待测天线和源天线之间的耦合和多次反射可以忽略。容易受到外界干扰和保密性差是室外远场测量的主要缺点。图4为美国国家级室外远场测量场NRTF/RATSCAT。

图4. NRTF/RATSCAT
 
相对于室外远场，室内远场具有全天候测量、保密性、抗电磁干扰等众多优势，但受制于室内空间和建设成本，通常室内远场可测量的天线口径较小。图5所示为北京理工大学的室内远场测量暗室。

图5. 北京理工大学室内远场
紧缩场测量指的是在有限的测量距离上，通过反射面、透镜或其他手段，将源发射出的球面波转化为准平面波（即幅度抖动满足±1.0dB，相位抖动满足±10°）照射到待测天线上进行测量的系统^[4]。系统中准平面波照射的区域被称作“静区”。紧缩场在具备室内测量优点的情况下，可在较小的场地内得到准平面波，测量结果具有实时和高速的特点，但是紧缩场暗室造价高，技术难度大，对反射面的机械加工精度要求极高。北京邮电大学实现的国内首套三反射镜紧缩场天线测量系统，频率范围40GHz-550GHz，静区口径70cm，静区幅值扰动小于1dB，相位扰动小于10°，填补了国内该领域的空白。
2.3 近场测量法
近场测量指的是在近场测量天线辐射场的幅值和相位，通过近远场变换算法求得天线远场特性的测量方法^[5]。由于近场测量基本克服了“有限距离效应”， 不需要满足远场条件从而节约测量场地，具有可室内测量、可全天候工作、不会引入因距离带来的误差、减小随机误差等一系列优点，故近场测量一直是天线测量领域研究的重点课题。常用的三种近场扫描测量方法如图6所示：

图6.三种近场测量扫描方案
(a)平面； (b)柱面； (c)球面
 
近场测量系统所适合的待测天线的类型是不同的。平面扫描法扫描的数据是在网格上特定的x，y点处收集得到，通过对获取的扫描平面近场做近远场变换处理得到远区场。采样点之间的间隔为：
                          
平面波展开式：

柱面扫描法是将待测天线安装于转台之上，扫描探头位于平行于转台转轴的方向上，通过转动转台及移动探头采集柱面近场数据，经近远场变换得到远场数据。方位角上的最小采样点数：
                    
采样间隔：
                          
竖直方向上采样点之间的间隔为：
                          
基于汉克尔函数的柱面波展开式：
           
球面扫描法通过多个转台，在