A new and efficient method is presented for computing far field antenna atterns from spherical near field antenna measurement data. The method utilizes a novel Uniform Geometrical Theory of Diffraction (UTD) based transformation of spherically scanned antenna tangential electric near field measured values to present to obtain the antenna far field patterns more efficiently.
If the tangential near fields on the spherical surface S enclosing AUT completely are only of the electric type by assuming S is replaced by perfact electric conductor (PEC), the field external to S can then be expressed, via an appropriate equivalence theorem, directly as the field produced by an equivalent magnetic surface current source distribution on PEC sphere S (PECS). The equivalent magnetic surface current density on PECS is exactly related to the measured tangential electric field on the original surface S. The field external to the PECS due to an equivalent magnetic surface current distribution on the same PECS can thus be expressed as an integral of the dot product of an appropriate dyadic Green''s function. A highly accurate and relatively simple asymptotic high frequency UTD form of this special dyadic Green''s function is presented in essentially closed form.
Numerical results of the presented method show good agreements with those of far field pattern obtained from direct computation for various antenna configurations over the whole observation range. The method introduced in this dissertation is simpler in analysis and faster in computing than the conventional spherical modal expansion method.
In this method, it is postulated that the measurement probe is ideal one. Generally, the practical antenna as a probe is used in a near field measurement, then the size of the probe influences the near field measurement in two way. Initial error of the practical probe is that the measurement signal is a weighted average of the field over the probe aperture, rather than the field value at a single point. This error can be sufficiently reduced that the probe is selected the small size antenna like a short dipole. The second error is the reflected signals between the probe and test antenna, and then it is added to the direct radiated field. This mutual coupling between the probe antenna and the AUT is often suppressed by using a physically small probe antenna, increasing the probe to AUT separation, or minimizing the probe antenna voltage standing wave ratio(VSWR). Therefore, the short dipole antenna as a probe is used in spherical near field measurement.
Also, the physical spherical near field measurement system is introduced in this dissertation. The measurement system has the three major subsystems. The computer acts as the central controller and data processor for the system. The RF source/receiver subsystem measures the coupling between the AUT and the probe. The robotic positioning subsystem moves the probe, AUT, or both, such that the desired near field surface is scanned.'
본 논문에서 안테나의 구형으로 측정한 근거리 전자장 측정데이터로부터 원거리 복사패턴을 계산하는 기존의 모드전개 방법과 새롭고 효율적인 방법을 제시하였다. 이 방법은 구형으로 측정하여 얻은 근거리 전자장의 접선성분과 기하학적 회절이론 (uniform geometrical theory of diffraction ; UTD)를 사용하여 안테나의 복사패턴을 기존의 모드 방법에 비하여 더욱 효과적으로 구할 수 있음을 보여준다.
AUT를 완전히 감싸는 구형 측정면 S상에서 근거리 전자장의 접선방향성분을 측정 할 수 있다면, S 외부의 전자장은 적절한 등가이론을 통하여 표현할 수 있다. 그러고 측정면을 가상의 완전한 전기적인 도체구(PECS)로 가정하면 AUT의 복사패턴은 PECS위의 등가 자기전류의 분포에 의하여 형성되는 전자장으로 직접 구할 수 있다. 전기적으로 완전한 도체구 S위의 등가 자기전류밀도는 처음의 측정면 S위에서 측정한 전기장의 접선성분과 정확히 연관되며 PECS상의 등가 자기전류 분포에 의한 PECS 외부의 전자장은 적절한 다이애드 Green 함수와 자기잔류의 접선성분의 스칼라적에 대한 적분식으로 표시한다. 이와 같은 특수한 다이애드 Green 함수의 표현을 매우 정확하고 비교적 간단 한 UTD를 사용하였다.
본 논문에서 제시한 수치적인 결과는 전체 관측영역에서 여러 안테나 형태에 대하여 직접 계산한 원거리 전자장 패턴과 아주 잘 일치한다. 이 방법은 일반적인 구형 모드함수 전개법에 비하여 해석적으로 더 간단하고 계산속도는 더욱 빠르다.
위에서 제안한 측정 프로브는 이상적인 안테나이다. 일반적인 측정 프로브 안테나로 AUT를 측정하면 프로브의 크기에 의한 에러가 두가지 방법으로 나타난다. 하나는 측정 프로브에서 측정되는 신호가 한점에서의 전자장의 값이 아니라 프로브 표면에서 가중 평균된 값이다. 이 에러는 국소 다이폴 안테나 같은 작은 프로브를 사용하여 충분히 제거할 수 있다. 두 번째 에러는 AUT와 프로브 사이의 다중반사에 의한 mutual coupling이다. 이 mutual coupling은 물리적으로 작은 프로브를 사용하거나, 측정거리를 증가시키거나 또는 프로브의 VSWR을 줄여서 제거한다. 그러므로 국소 다이폴 안테나를 프로브로 사용한다.
또한, 본 논문에서 구형으로 측정하는 근거리 전자장 측정 시스템을 소개하였다. 측정 시스템은 3개의 중요 부시스템으로 이루어져 있다. 컴퓨터는 시스템의 제어와 테이터 수행을 하는 시스템이며, RF 전원/수신 부시스템은 AUT와 프로브의 커플링을 측정하며, 로보트 위치 시스템은 근거리 전자장을 측정하는 표면에서 AUT와 프로브를 이동시킨다.