CN109061323B - 一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波测量技术领域，具体提供一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法，该方法是一种球面近场无相位测量方法，测量包围待测天线的两个球面的电场幅度信息，将电/磁偶极子分布在天线的主辐射面上，建立偶极子的激励与球面电场分布关系的方程，通过两个球面间的迭代计算，从而得到具有与待测天线相同辐射特性的偶极子等效模型，基于该模型，能够计算待测天线在空间中的近远场分布，并且在距离天线的不同球面半径上具有较高的精度。

Description

一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法
技术领域
本发明属于微波测量技术领域，具体提供一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法。
现有技术
天线作为能量转换，定向辐射或接收能量的重要设备，天线测试是天线设计过程中的重要步骤；在天线测试领域，主要采用近场测试、远场测试两种方法，对比远场测试，近场测量主要在天线的近区范围内测量，不受远场测试中的距离效应和外界环境的影响，天线近远场变换、天线诊断、电磁干扰预测和近场屏蔽效能计算都有重要的意义。对于幅度扫描数据处理，传统方法采用积分方程法，对积分方程进行迭代计算，然而该方法只能保证在测量面具有较高的精度，当观测面远离观测面时，精度会相应下降，不能保证距离天线不同球面半径的空间的电场数据是可靠的，不能得到可靠的方向图。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法，该方法是一种球面近场无相位测量方法，只测量包围待测天线的两个球面的电场幅度信息，将电/磁偶极子分布在天线的主辐射面上，建立偶极子的激励与球面电场分布关系的方程，再通过两个球面的迭代计算，从而得到具有与待测天线相同辐射特性的偶极子等效模型，进而计算得到空间中的电场分布和远场方向图特性。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集并记录待测天线两个测量球面电场幅度信号，其中，球面1电场幅度信号为：
Figure BDA0001739727470000011
和
Figure BDA0001739727470000012
球面2的电场幅度信号为：
Figure BDA0001739727470000013
和
Figure BDA0001739727470000014
步骤2：采用偶极子构造等效模型，等效模型中的偶极子均匀分布天线等辐射体的辐射口面上，X方向包括[(Lx/0.2λ)+1]个位置点，Y方向包括[(Ly/0.2λ)+1]个位置点，每个位置点放置4个偶极子单元，分别为X方向的电偶极子、X方向的磁偶极子、Y方向的电偶极子与Y方向的磁偶极子；其中，Lx、Ly分别为天线辐射口面X和Y方向的尺寸，λ为天线的工作波长；
步骤3：设定球面1测量值的初始相位为0，则球面1的场分布为
Figure BDA0001739727470000021
Figure BDA0001739727470000022
步骤4：将每个偶极子的辐射电场在局部坐标系下用球面波展开，将位于局部坐标的球面波模式变换为全局坐标系下的球面波展开，得到变换矩阵
Figure BDA0001739727470000023
步骤5：将球面1的场分布为
Figure BDA0001739727470000024
代入公式
Figure BDA0001739727470000025
计算得偶极子激励
Figure BDA0001739727470000026
将偶极子激励
Figure BDA0001739727470000027
代入公式
Figure BDA0001739727470000028
计算得球面2的场分布
Figure BDA0001739727470000029
Figure BDA00017397274700000210
其中，k、η分别是自由空间中的波数和导纳，
Figure BDA00017397274700000211
为球面1的球面波函数矩阵，
Figure BDA00017397274700000212
为球面2的球面波函数矩阵；
步骤6：采用
Figure BDA00017397274700000213
和
Figure BDA00017397274700000214
替换球面2场分布中电场幅度、并保持相位不变，得到：
Figure BDA00017397274700000215
步骤7：将
Figure BDA00017397274700000216
代入公式
Figure BDA00017397274700000217
再次计算得偶极子激励
Figure BDA00017397274700000218
再将
Figure BDA00017397274700000219
代入公式
Figure BDA00017397274700000220
计算得球面1的场分布
Figure BDA00017397274700000221
Figure BDA00017397274700000222
步骤8：采用
Figure BDA00017397274700000223
和
Figure BDA00017397274700000224
替换球面1场分布中电场幅度、并保持相位不变，得到：
Figure BDA00017397274700000225
步骤9：用RMS(均方根误差)判断两个球面是否同时满足设定的误差要求，若不满足、则返回步骤5，若满足、则输出偶极子激励
Figure BDA00017397274700000226
进一步的，两个测量球面半径间距为5～8个工作波长。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法，测量包围待测天线的两个球面的电场幅度信息，将电/磁偶极子分布在天线的主辐射面上，建立偶极子的激励与球面电场分布关系的方程，通过两个球面间的迭代计算，从而得到具有与待测天线相同辐射特性的偶极子等效模型,能够准确计算待测天线在空间中的近远场分布，并且在距离天线的不同球面半径上具有较高的精度。
附图说明
图1是本发明构建偶极子等效模型构的方法流程图。
图2为实施例中天线辐射口面的尺寸示意图。
图3为实施例中偶极子分布结构。
图4为实施例中天线球面近场测量连接框图。
图5为实施例中天线球面近场幅度测量示意图。
图6为实施例中待测天线与等效模型3m处电场幅度分布图。
图7为实施例中待测天线与等效模型3m处电场相位分布图。
图8为实施例中待测天线与等效模型各球面半径的相对误差值。
具体实施方式
下面结合实例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提供一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法，其流程示意如图1所示；本发明中，测量装置如图4所示；将待测天线放置在转台上，通过测试电缆与信号源连接，提供激励信号，待测天线向空间辐射电磁场；将近场测量探头安装在球面扫描架上，通过测试电缆与天线幅度信号采集装置连接，探头在近场扫描球面上移动，采样点为球表面空间均匀分布的若干个点，采集并记录两个间距为5～8个工作波长的球面电场幅度信号，球面1电场幅度信号为：
Figure BDA0001739727470000031
和
Figure BDA0001739727470000032
球面2的电场幅度信号为：
Figure BDA0001739727470000033
和
Figure BDA0001739727470000034
用于后续数据处理；其中，θ表示俯仰角方向、φ表示方向角方向；
Figure BDA0001739727470000035
Figure BDA0001739727470000036
N为采样点数；
本实施例中，待测天线为主辐射方向朝Z方向的单元微带天线或阵列天线；采样间隔在θ和φ方向都为5°。
具有与待测天线相同辐射特性的偶极子等效模型构造算法如下：
步骤1：如图2、图3所示，等效模型中的偶极子均匀分布天线等辐射体的辐射口面上，X方向包括[(Lx/0.2λ)+1]个位置点，Y方向包括[(Ly/0.2λ)+1]个位置点，每个位置点放置4个偶极子单元，分别为X方向的电偶极子、X方向的磁偶极子、Y方向的电偶极子与Y方向的磁偶极子；其中，Lx、Ly分别为天线辐射口面X和Y方向的尺寸，λ为天线的工作波长，[·]表示数值的向下取整运算；
步骤2：设定球面1测量值的初始相位为0，则球面1的场分布为
Figure BDA0001739727470000041
Figure BDA0001739727470000042
步骤3：将每个偶极子的辐射电场在局部坐标系下用球面波展开，将位于局部坐标的球面波模式变换为全局坐标系下的球面波展开，得到变换矩阵
Figure BDA0001739727470000043
步骤4：将球面1的场分布为
Figure BDA0001739727470000044
代入公式
Figure BDA0001739727470000045
计算得偶极子激励
Figure BDA0001739727470000046
将偶极子激励
Figure BDA0001739727470000047
代入公式
Figure BDA0001739727470000048
计算得球面2的场分布
Figure BDA0001739727470000049
Figure BDA00017397274700000410
其中，k、η分别是自由空间中的波数和导纳，
Figure BDA00017397274700000411
为球面1的球面波函数矩阵，
Figure BDA00017397274700000412
为球面2的球面波函数矩阵；
步骤5：采用
Figure BDA00017397274700000413
和
Figure BDA00017397274700000414
替换球面2场分布中电场幅度、并保持相位不变，得到：
Figure BDA00017397274700000415
步骤6：将
Figure BDA00017397274700000416
代入公式
Figure BDA00017397274700000417
再次计算得偶极子激励
Figure BDA00017397274700000418
再将
Figure BDA00017397274700000419
代入公式
Figure BDA00017397274700000420
计算得球面1的场分布
Figure BDA00017397274700000421
Figure BDA00017397274700000422
步骤7：采用
Figure BDA00017397274700000423
和
Figure BDA00017397274700000424
替换球面1场分布中电场幅度、并保持相位不变，得到：
Figure BDA00017397274700000425
步骤8：用RMS(均方根误差)判断两个球面是否同时满足设定的误差要求，若不满足、则返回步骤4，若满足、则输出偶极子激励
Figure BDA00017397274700000426
RMS表示如下：
Figure BDA0001739727470000051
i＝1或2
如图5所示为天线球面近场幅度测量示意图，该待测微带贴片天线工作2.45GHz，采用FEKO软件仿真计算；其中待测天线地面中心位于坐标(0,0,0)，近场扫描探头在包围天线的半径为1m和1.615m的球面上，采样间隔在θ和φ方向都为5°，求解得到半径为1m和1.615m，采样间隔5°的两个球面电场幅度近场数据，采用本专利所提出的方法对近场数据处理，求解等效模型偶极子的激励，从而建立具有天线相同辐射特性的偶极子等效模型。
由两个球面的近场幅度信息建立的偶极子等效模型，从而计算得到的电场方向图和直接通过仿真待测天线的电场方向图对比如图6、图7所示，其中，图6为待测天线与等效模型3m处电场幅度分布图，图7为待测天线与等效模型3m处电场相位分布图；待测天线与等效模型各球面半径的相对误差值如图8所示；由图可知，在不同半径的球面上，该偶极子等效模型拥有较高的精度，能够有效计算待测天线在不同球面上的电场分布。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种采用球面幅度扫描的近场天线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集并记录待测天线两个测量球面电场幅度信号，其中，球面1电场幅度信号为：
Figure FDA0002723140410000011
和
Figure FDA0002723140410000012
球面2的电场幅度信号为：
Figure FDA0002723140410000013
和
Figure FDA0002723140410000014
θ表示俯仰角方向，φ表示方向角方向；
步骤2：采用偶极子构造等效模型，等效模型中的偶极子均匀分布于天线等辐射体的辐射口面上，X方向包括[(Lx/0.2λ)+1]个位置点，Y方向包括[(Ly/0.2λ)+1]个位置点，每个位置点放置4个偶极子单元，分别为X方向的电偶极子、X方向的磁偶极子、Y方向的电偶极子与Y方向的磁偶极子；其中，Lx、Ly分别为天线辐射口面X和Y方向的尺寸，λ为天线的工作波长；
步骤3：设定球面1测量值的初始相位为0，则球面1的场分布为
Figure FDA0002723140410000015
步骤4：将每个偶极子的辐射电场在局部坐标系下用球面波展开，将位于局部坐标的球面波模式变换为全局坐标系下的球面波展开，得到变换矩阵
Figure FDA0002723140410000017
步骤5：将球面1的场分布为
Figure FDA0002723140410000018
代入公式
Figure FDA0002723140410000019
计算得偶极子激励
Figure FDA00027231404100000110
将偶极子激励
Figure FDA00027231404100000111
代入公式
Figure FDA00027231404100000112
计算得球面2的场分布
Figure FDA00027231404100000113
Figure FDA00027231404100000114
其中，k、η分别是自由空间中的波数和导纳，
Figure FDA00027231404100000115
为球面1的球面波函数矩阵，
Figure FDA00027231404100000116
为球面2的球面波函数矩阵；
步骤6：采用
Figure FDA00027231404100000117
和
Figure FDA00027231404100000118
替换球面2场分布中电场幅度、并保持相位不变，得到：
Figure FDA00027231404100000119
步骤7：将
Figure FDA00027231404100000120
代入公式
Figure FDA00027231404100000121
再次计算得偶极子激励
Figure FDA00027231404100000122
再将
Figure FDA00027231404100000123
代入公式
Figure FDA00027231404100000124
计算得球面1的场分布
Figure FDA00027231404100000125
Figure FDA00027231404100000126
步骤8：采用
Figure FDA00027231404100000127
和
Figure FDA00027231404100000128
替换球面1场分布中电场幅度、并保持相位不变，得到：
Figure FDA00027231404100000129
步骤9：用均方根误差判断两个球面是否同时满足设定的误差要求，若不满足、则返回步骤5，若满足、则输出偶极子激励
Figure FDA0002723140410000021
2.按权利要求1所述采用球面幅度扫描的近场天线测量方法，其特征在于，所述步骤1中，两个测量球面半径间距为5～8个工作波长。
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