CN103616569A - 一种毫米波平面近场测试相位修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种毫米波平面近场测试相位修正方法，步骤1：对设定的XY面进行平面扫描，并选定信号较强区域内的四个点为相位取样点；步骤2：设置预定周期对上述4个点进行平面扫描，确定每个周期内4个点的采集时刻、采集数据、采集位置；步骤3：通过对选定这4个点的数据变化量对扫描面中的每个点进行相位修正；步骤4：对整个扫描面修正后的数据进行傅立叶变换，由近场数据计算出远场数据，近远场变换公式如下。采用上述方案，通过记录扫描面上指定的采样点位置及在该位置下的采样数据来建立采样点对应的相位漂移和时间的函数关系，通过插值的方式实现对整个扫描面数据的相位补偿，提高近场测试***在毫米波频段下的测试精度。

Description

一种毫米波平面近场测试相位修正方法

技术领域

本发明属于近场测试技术领域，尤其涉及的是一种毫米波平面近场测试相位修正方法。

背景技术

自天线被发明以来，其在通讯、雷达和国防等领域的应用与日俱增，成为无线设备中不可或缺的部分。天线性能的精确与否，影响到整个***的性能。天线测量成为天线设计过程中不可或缺的步骤，是人们研究的重要课题之一。

天线测量是伴着天线的设计出现的，是对天线设计的指导和性能的测试验证。测量方法精确与否直接关系到与之配套***是否实用。而随着国防和信息产业的发展，对天线的要求越来越高，高性能的现代天线的分析与设计离不开先进的测试技术和测量***。各种数值或解析设计方法都是以各种模型为基础，来仿真天线，这些模型只是对实际天线的一种近似，它们与实际问题总是存在或多或少的差别，它们的近似程度要靠实验测量来检验。另外，测量技术也可以及时诊断和发现设计模型中的问题，以便对模型进行修正和改进。一方面，高精度的测试***指导着高性能天线的设计。另一方面，高性能的天线对测量***的精度与测量方法提出了更高的要求，这就要求采用新的方法和技术来评估天线的性能。

随着计算机技术的进步和现代测量手段的发展，天线测量技术也取得了重大进展，已形成多种测量方法，包括远场测量、近场测量和紧缩场测量等。

天线远场测量是指在天线的辐射远场区域内，直接获得天线的远场性能参数。一般情形下，天线远场测试距离R需满足R≥2D2/λ，D为天线口径的最大尺寸，兄是天线的工作波长。对大型天线而言，远场距离一般无法实现，况且受环境和场地因素的影响，远场测量的实现条件和精度受到很大的限制。

近场测量是在天线近区范围内，求得天线的远场特性。由于其不受远场测试中的距离效应和外界环境的影响，具有测试精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列优点，并且能很好的模拟和控制各种电磁环境，并通过合适的软件有效的补偿各种测量误差，其测量精度甚至优于远场测量，从而得到越来越多的应用，一直是人们研究的重点课题，也是当前高性能天线测量的主要方法之一。

紧缩场借助于反射镜、喇叭、阵列等所产生的平面波来仿真无限长度的场地。其静区直径因受抛物面反射镜边缘绕射的影响，一般只有1/3的反射面直径大小。况且室内反射、幅度锥消、边缘绕射、馈源泄露以及偏馈引起的消极化等因素限制了测量场地的质量，使得紧缩场天线测量的应用受到很大限制。

虽然近场测试可以满足一些远场天线测试达不到的要求，但是在毫米波测试频段，要想测量准确，采样探头必须把天线发射出的所有能量都捕获到。像一些高增益天线，如反射面天线和相控阵天线，这些天线发出的能量都集中在和天线孔径垂直的方向上，为了测试这些类型的天线，必须用高精密定位***。同时为了保证天线测试的精度，探头必须满足最小采样为天线信号波长一半的取样间隔，因此，要实现相对与AUT的一个准确的近场测量，探针的精确位置及其平面度是至关重要的。

然而，由于机械加工能力及电缆等不可突破的技术限制，在毫米波频段下的近场测试误差还是非常大的，主要体现在两点，一个体现在机械扫描设备的步进精度、重复定位精度及直线度等产生的误差，另一个体现在射频电缆或机械扫描设备随着测试时间的增加，产生热效应而引起射频电缆和机械设备的形变，这都会对测试数据带来不小影响的误差，比如用性能比较好的戈尔电缆，在10GHz的时候外部环境变化一摄氏度，产生的温差使1m的电缆产生0.5度的天线测量误差，而纯靠机械精度及电缆现有的性能来保证测试精度也被证明是不可行的。

实际应用中天文学、火箭、雷达等的所用天线实际工作频率己经向远高于40GHz甚至到了亚毫米波的研究范围，然而由于远场测试所需的测量距离限制、RF损耗和环境等原因，远场***对这方面的测试一直准确度不高，随着近几年近场天线测试***的发展和测试技术的成熟以及越来越多的科研人员对近场测试***、测试性能的了解，近场测试***逐渐成为对毫米波亚毫米波AUT测试的首选，一方面克服了远场***测试的弊端；另一方面又切实满足了对现有研究中的毫米波亚毫米波天线调试的需求。

虽然我们知道近场***可以满足我们对毫米波亚毫米波研究天线的测量调试，然而如何建设容纳此测量***的屏蔽暗室，如何建设一套满足我们测试调试需求的***，如何对供应商提出***建设的要求，如何解决高于40GHz频率的模块限制带来的***建设限制，我们却有着诸多的不确定。

在低频测试阶段，目前主要靠机械扫描设备的精加工来保证测试精度，仅需要一台单纯的机械扫描架就能组成完整的采集***，这是没有多大问题的，因为低频频段对机械扫描设备的精度要求还不是很高，机械设备的精度和电缆相位漂移的误差对测试结果不会造成不能接收的误差。

其工作原理是在离开待测体(DUT)3～5λ距离上，用一个电特性己知的探头在DUT近区某一平面或曲面上扫描抽样电磁场的幅度和相位数据，再经过严格的数学变换(FFT)计算出DUT的远区场的电特性，这一技术称之为近场测量技术。近场测量方法自上世纪七十年代以来主要用于天线测量(辐射问题测量)，它在待测天线(AUT)的近区做数据采样，并可由得到的数据经过数学变换，得到天线的远场特性，如远场方向图等。

对辐射近场测量而言，根据取样表面的不同，可分为平面扫描技术、柱面扫描技术和球面扫描技术。而平面近场测量技术是近场测量技术中研究最早、应用最多的测量方法，己被广泛用来测量天线的远场辐射特性。目前，平面近场天线测量的基本理论己基本成熟，其核心部分便是考虑探头影响(有探头补偿)时的平面近远场变换理论，即考虑探头影响(有探头补偿)时AUT与探头间的耦合方程以及由近场数据确定待测天线远场方向图的公式。关于藕合方程及其由近场数据确定待测天线远场方向图的公式的推导大体上有两种方法，一种是基于平面波散射矩阵的理论，另一种是基于互易定理。

测量面的大小，应保证边缘处的电平已经低得可以忽略了。这当然与测量***的动态范围以及所要求的预计远场方向图的范围和精度有关。一般应使测量面截断处的场比中心部位的低30～40dB，对于许多侧向辐射的窄波束天线，如果只关心侧向附近一个不大的角域内的方向图，则近场测量的取样间隔根据条件可以增大；而对于超低副瓣天线，为了减小副瓣测量误差，一般取样间隔要小于λ/2。

在毫米波频段目前有采用平面度补偿功能来减小相位的误差，他的原理是通过高精度经纬仪或激光跟踪仪等设备对扫描架的平面度进行检测，由检测数据建立误差修正表格，在进行平面扫描的时候把误差数据进行线性插值补偿到运动平面中，使扫描平面尽可能理想化。

目前平面近场天线测试***在低频频段没有相位修正的算法，普遍采用硬件设备和采用高稳相电缆来保证相位的稳定度，但在毫米波甚至更高频段，仅依靠硬件设备已经不能满足***要求的精度，包括定位精度以及电缆虽温度增加而产生的相位漂移误差。

在毫米波频段目前有采用平面度补偿功能来减小相位的误差，但这种补偿方式仅能把硬件机械设备引出的误差尽可能的修正掉，但是对于温度更敏感的电缆而引起的相位变化确没有考虑进去，无法对毫米波频段的天线进行平面近场测量。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种毫米波平面近场测试相位修正方法。

本发明的技术方案如下：

一种毫米波平面近场测试相位修正方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：对设定的XY面进行平面扫描，并选定信号较强区域内的四个点为相位取样点；

步骤2：设置预定周期对上述4个点进行平面扫描，确定每个周期内4个点的采集时刻、采集数据、采集位置；

步骤3：通过对选定这4个点的数据变化量对扫描面中的每个点进行相位修正；其中，修正公式为：

D[i,j]=A[i,j]*B[i,j]i=1,2…n,j=1,2…n;其中,D为修正后数据;A为采集数据;B为修正数据;i为X轴采集点数;j为Y轴采集点数;n为采集点数；

步骤4：对整个扫描面修正后的数据进行傅立叶变换，由近场数据计算出远场数据，近远场变换公式如下：

所述的毫米波平面近场测试相位修正方法，其中，所述平面扫描采用三轴运动跟踪仪；所述采集位置及采集时刻由激光跟踪仪获取。

所述的毫米波平面近场测试相位修正方法，其中，所述步骤2中，所述预定周期为3-4个预定时间段的周期。

采用上述方案，通过记录扫描面上指定的采样点位置及在该位置下的采样数据来建立采样点对应的相位漂移和时间的函数关系，通过插值的方式实现对整个扫描面数据的相位补偿，提高近场测试***在毫米波频段下的测试精度。

附图说明

图1为本发明***连接示意图。

图2为本发明测试原理流程图。

图3为本发明***数据采集点示意图。

图4为本发明数据插值示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明的硬件设备主要由矢量网络分析仪10、四轴运动扫描架11、近场探头12、发射天线13、发射支架14、主控计算机16等组成。其中，矢量网络分析仪10通过射频电缆15连接射频输出端口到发射天线13，接收端口通过射频电缆连接扫描架11上的接收探头12，主控计算机16则通过控制软件通过局域网或外网控制矢量网络分析仪10及扫描架11等设备进行协调工作，还包括位置调节控制器17控制扫描架11测试原理流程图如图2所示：图2中，

当近场探头在扫描架上进行二维面扫描，在经过事先设定的位置点时，除了记录此时该位置点的数据外，还要记录采集数据的时刻，采集点示意图如图3所示，图3中任意选择4个点，即P1、P2、P3、P4；通过周期性设定采集时间间隔△t，每个△t对应一组数据p，这样就行成了△t数组对应的p（p1,p2,p3…pn）数组，以p1为基准，形成(p2-p1,p3-p1,p4-p1…pn-p1)的误差数组。

运用一维线性插值，如xi在X中两个点(xj,xj+1)之间，该方法在连接(xj,xj+1)的线段间进行插值yi。如下图4所示，图4中，L₁、L₃、L₄

分别为插值数组中的内插点。

在图4中，则有下列公式一：

$L_j\left(x\right)=y_j+\frac{y_{j+1}-y_j}{x_{j+1}-x_j}(x-x_j)$

采用上述方案，不仅能适用在毫米波频段，也能适用在厘米波频段，提高了目前微波毫米波平面近场测试的准确度。

本发明提出一种利用激光跟踪仪结合机械扫描设备，通过记录扫描面上指定的采样点位置及在该位置下的采样数据来建立采样点对应的相位漂移和时间的函数关系，通过插值的方式实现对整个扫描面数据的相位补偿，提高近场测试***在毫米波频段下的测试精度。

实施例2

在上述实施例的基础上，进一步，一种毫米波平面近场测试相位修正方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：对设定的XY面进行平面扫描，并选定信号较强区域内的四个点为相位取样点；

步骤2：设置预定周期对上述4个点进行平面扫描，确定每个周期内4个点的采集时刻、采集数据、采集位置；

步骤3：通过对选定这4个点的数据变化量对扫描面中的每个点进行相位修正；其中，修正公式为：

D[i,j]=A[i,j]*B[i,j]i=1,2…n,j=1,2…n;其中,D为修正后数据;A为采集数据;B为修正数据;i为X轴采集点数;j为Y轴采集点数;n为采集点数；

步骤4：对整个扫描面修正后的数据进行傅立叶变换，由近场数据计算出远场数据，近远场变换公式如下：

所述平面扫描采用三轴运动跟踪仪；所述采集位置及采集时刻由激光跟踪仪获取。

所述步骤2中，所述预定周期为3-4个预定时间段的周期。

采用上述方案，通过记录扫描面上指定的采样点位置及在该位置下的采样数据来建立采样点对应的相位漂移和时间的函数关系，通过插值的方式实现对整个扫描面数据的相位补偿，提高近场测试***在毫米波频段下的测试精度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种毫米波平面近场测试相位修正方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤1：对设定的XY面进行平面扫描，并选定信号较强区域内的四个点为相位取样点； 

步骤2：设置预定周期对上述4个点进行平面扫描，确定每个周期内4个点的采集时刻、采集数据、采集位置； 

步骤3：通过对选定这4个点的数据变化量对扫描面中的每个点进行相位修正；其中，修正公式为： 

D[i,j]=A[i,j]*B[i,j]i=1,2…n,j=1,2…n;其中,D为修正后数据;A为采集数据;B为修正数据;i为X轴采集点数;j为Y轴采集点数;n为采集点数； 

步骤4：对整个扫描面修正后的数据进行傅立叶变换，由近场数据计算出远场数据，近远场变换公式如下： 

。

2.如权利要求1所述的毫米波平面近场测试相位修正方法，其特征在于，所述平面扫描采用三轴运动跟踪仪；所述采集位置及采集时刻由激光跟踪仪获取。 

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