CN109581078B - 一种适用于半空间环境中天线的方向图测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于半空间环境中天线的方向图测量***及方法，包括载体平台、待测天线以及定位测量装置；所述载体平台上的待测天线位于半空间环境，待测天线辐射出测量用信号；所述定位测量装置用于在特定半径的近场半球面上测量待测天线的电场信息，并基于所述电场信息，通过球面近远场变换算法得到球面波展开系数，依据所述球面波展开系数获取天线辐射方向图；相较于传统微波暗室测量，本发明提出在外场环境中(例如，地面)进行天线近场测量，使得待测天线进行真实环境下的电磁辐射测量，对天线本身的实际工作状态进行研究，本发明的测量***及方法具有极大的工程价值。
Description
技术领域
本发明涉及微波测量技术领域，具体涉及一种适用于半空间环境中天线的方向图测量***及方法。
背景技术
天线测量是伴随着天线的设计出现的，是指导天线设计和验证检验天线性能的重要手段；天线测量技术主要包括远场测量和近场测量，对于天线的近场测量，其原理为在距离待测天线几个波长的距离上，使用一个电特性已知的探头在待测天线近场的球面上扫描测量电磁场的幅度和相位数据，再经过数学变换计算出待测天线的远场特性。
现有的天线近场测量方法大多采用传统微波暗室测量，该测量技术所需要的测量距离很小，收到的外部环境的干扰也很小，精度比较高，保密性也有保障，可以不受天气影响进行全天候不停时的测试。但是，传统微波暗室测量也有不足之处，微波暗室中的天线测量只考虑天线和载体平台(如：车辆)的辐射特性，通常不考虑实际载体平台所处外场环境(如：地面)的电磁影响。
发明内容
考虑到传统微波暗室测量技术存在的局限性，本发明提供了一种适用于半空间环境中天线的方向图测量***及方法，该测量***在外场环境(例如，地面)进行近场测量，不同于传统微波暗室测量，天线本身的外场辐射性能更接近工程实际状态，也更有研究价值和意义。
本发明通过下述技术方案实现：
一种适用于半空间环境中天线的方向图测量***，包括载体平台、待测天线以及定位测量装置；
所述载体平台上的待测天线位于半空间环境，待测天线辐射出测量用信号；所述定位测量装置用于在特定半径的近场半球面上测量待测天线的电场信息，并基于所述电场信息，通过球面近远场变换算法得到球面波展开系数，依据所述球面波展开系数获取天线辐射方向图。
优选的，所述定位测量装置包括定位模块、电场测试设备、存储设备及辅助设备。
优选的，所述定位模块用于实现携带电场测试设备到达指定空间位置，所述电场测试设备采用三维电场记录仪。
优选的，所述定位测量装置用于在特定半径的近场半球面上测量待测天线的电场信息具体包括以下步骤：
步骤S1，所述定位测量装置到达以待测天线为圆心、R为半径的半球面上的指定位置
其中，M为空间采样点数，
为第i所对应的球坐标空间角度；0≤θi＜85°；
通过所述定位测量装置测量并记录该指定位置的电场信息；
步骤S2，在测量和记录完成之后，将定位测量装置移动到下一指定待测位置，测量并记录此处的待测天线的电场信息；
步骤S3，重复步骤S2，直到上半球面上所有的待测点的电场都被测量并记录。
优选的，在所述步骤S3获得所有的测量数据后，在下半球面空间位置，即85°≤θi＜180°；
区域上的点实行添0处理，从而得到整个完整球面上的天线辐射近场数据。
优选的，基于所述完整球面上的天线辐射近场数据，通过球面近远场变换算法计算得到球面波展开系数：
其中，
为球面近场的采样电场值，Qsmn为球面波展开系数；k和η分别表示自由空间的传播常数和波导纳；下标s、m和n表示展开式中的各球面波模，s＝1和2分别表示TE波和TM波；
为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r，θ，
各自对应的分离变量函数，r为空间位置点的半径，
为空间位置点的角度；N是球面矢量波函数的截断级数。
优选的，通过球面近场的采样电场值，得到球面波展开***Qsmn，再由下式得到远场任意点的辐射场值
其中，
为远场条件下的球面矢量波函数，
为远场方向图的辐射角度，r为远场的距离。
另一方面，本发明还提出了一种适用于半空间环境中天线的方向图测量方法，包括以下步骤：
步骤一，将所述载体平台上的待测天线置于半空间环境，待测天线辐射出测量用信号；
步骤二，采用所述定位测量装置在特定半径的近场半球面上测量待测天线的电场信息；
步骤三、并基于所述电场信息，通过球面近远场变换算法得到球面波展开系数，依据所述球面波展开系数获取天线辐射方向图。
优选的，所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤S21，所述定位测量装置到达以待测天线为圆心、R为半径的半球面上的指定位置
其中，M为空间采样点数，
为第i所对应的球坐标空间角度；0≤θi＜85°；
通过所述定位测量装置测量并记录该指定位置的电场信息；
步骤S22，在测量和记录完成之后，将定位测量装置移动到下一指定待测位置，测量并记录此处的待测天线的电场信息；
步骤S23，重复步骤S22，直到上半球面上所有的待测点的电场都被测量并记录。
优选的，在所述步骤S23获得所有的测量数据后，在下半球面空间位置，即85°≤θi＜180°；
区域上的点实行添0处理，从而得到整个完整球面上的天线辐射近场数据。
本发明具有如下的优点和有益效果：
相较于传统微波暗室测量，本发明提出在外场环境中(例如，地面)进行天线近场测量，使得待测天线进行真实环境下的电磁辐射测量，对天线本身的实际工作状态进行研究，本发明的测量***及方法具有极大的工程价值；
本发明所提出的测量***及方法特别适合电磁频率较低(通常工作频率设定为30MHz～300MHz)下，外场环境中的天线辐射问题，使得载体平台上的待测天线进行真实环境下的电磁辐射测量分析，对天线测量技术实际应用具有很好的指导作用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的半球面近场测量的流程图。
图2为本发明的半球面测量天线近场辐射电场示意图。
图3为本发明中处于半空间环境的天线示意图。
图4为本发明得到的天线辐射方向图与理论对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施提出了一种适用于半空间环境中天线的方向图测量***，该***包括载体平台(如，车辆)，待测天线以及定位测量装置；所述定位测量装置包括定位模块，三维电场记录仪、相关存储设备和其他辅助设备。该测量***的工作过程如下：
(1)载体平台(如：车辆)上的待测天线位于半空间环境(如：地面)中，待测天线辐射出测量用信号。
(2)使用定位测量装置来实现待测天线在制定位置的辐射电场测试，该定位测量装置的主要包括：
a)定位模块，用于实现携带相应电场测试设备达到指定空间位置，一般地，可以采用无人飞行机来实现；
b)三维电场记录仪，用于测量该位置的电场信息；
c)相关存储设备和其他辅助设备。
(3)通过定位测量装置到达以待测天线为圆心，R为半径的半球面上的指定位置
其中，M为空间采样点数，
为第i所对应的球坐标空间角度；对于上半空间而言，0≤θi＜85°；
(4)通过定位测量装置测量该位置的电场信息，并记录在三维电场记录仪中，即，
其中，Ex，Ey，Ez分别为在x,y,z方向的电场分量。相应地，可以通过坐标变换得到球坐标系下的电场：
其中Er，Eθ，
分别为在r,θ,
方向的电场分量：
(5)在测量和记录完成后，指引定位测量装置到下一个指定待测位置，测量并记录此处的待测天线的电场信息；
(6)重复(3)(4)(5)步骤，直到上半球面上所有的待测点的电场都被测量并记录；
(7)下半空间的添0处理：在获取所有的测量数据后，在下半球面空间位置，即：85°≤θi＜180°；
该区间中的位置上其电场为0，因此，对该区域上的点实行添0处理，其添0处理的表示式为：
从而得到整个完整球面上的天线辐射电场数据，如图2所示。特别地，两个半球的空间采样满足相应的空间采样准则。
(8)采集数据的后处理过程：相关存储设备对上半空间的空间采样点进行数据存储，再基于上步骤(7)中对下半空间的添0处理，得到的球面近远场变换所需要的所有近场电场数据。
基于测得的电场数据，通过球面近远场变换算法计算得到球面波展开系数；
Qsmn为球面波展开系数，或称展开式中的加权系数；k和η分别表示自由空间的传播常数和波导纳；下标s、m和n表示展开式中的各球面波模，s＝1和2分别表示TE波和TM波；
为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r,θ,
各自对应的分离变量函数。其中，r为空间位置点的半径，
为空间位置点的角度；N是球面矢量波函数的截断级数。
通过球面近场的采样电场值，由式(2)即可求出球面波展开系数Qsmn。最后，再通过式(4)得到远场任意点的辐射场值。
为远场条件下的球面矢量波函数，
为远场方向图的辐射角度，r为远场的距离。
图3为本发明中处于半空间环境的天线示意图。图4为利用本发明得到的天线辐射方向图与理论值的对比示意图。可以看出，本发明所提出的方法具有相当计算精度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于半空间环境中天线的方向图测量***，其特征在于，包括载体平台、待测天线以及定位测量装置；
所述载体平台上的待测天线位于半空间环境，待测天线辐射出测量用信号；所述定位测量装置用于在特定半径的近场半球面上测量待测天线的电场信息，并基于所述电场信息，通过球面近远场变换算法得到球面波展开系数，依据所述球面波展开系数获取天线辐射方向图；
所述定位测量装置用于在特定半径的近场半球面上测量待测天线的电场信息具体包括以下步骤：
步骤S1，所述定位测量装置到达以待测天线为圆心、R为半径的半球面上的指定位置
其中，M为空间采样点数，
为第i个采样点所对应的球坐标空间角度；0≤θi＜85°；
通过所述定位测量装置测量并记录该指定位置的电场信息；
步骤S2，在测量和记录完成之后，将定位测量装置移动到下一指定待测位置，测量并记录此处的待测天线的电场信息；
步骤S3，重复步骤S2，直到上半球面上所有的待测点的电场都被测量并记录；
在所述步骤S3获得所有的测量数据后，在下半球面空间位置，即85°≤θi＜180°；
区域上的点实行添0处理，从而得到整个完整球面上的天线辐射近场数据。
2.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，所述定位测量装置包括定位模块、电场测试设备、存储设备及辅助设备。
3.根据权利要求2所述的测量***，其特征在于，所述定位模块用于实现携带电场测试设备到达指定空间位置，所述电场测试设备采用三维电场记录仪。
4.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，基于所述完整球面上的天线辐射近场数据，通过球面近远场变换算法计算得到球面波展开系数：
其中，
为球面近场的采样电场值，Qsmn为球面波展开系数；k和η分别表示自由空间的传播常数和波导纳；下标s、m和n表示展开式中的各球面波模，s＝1和2分别表示TE波和TM波；
为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r，θ，
各自对应的分离变量函数，r为空间位置点的半径，
为空间位置点的角度；N是球面矢量波函数的截断级数。
5.根据权利要求4所述的测量***，其特征在于，通过球面近场的采样电场值，得到球面波展开系数Qsmn，再由下式得到远场任意点的辐射场值
其中，
为远场条件下的球面矢量波函数，r为空间位置点的半径，
为空间位置点的角度。
6.如权利要求1-5任一项所述的测量***的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将所述载体平台上的待测天线置于半空间环境，待测天线辐射出测量用信号；
步骤二、采用所述定位测量装置在特定半径的近场半球面上测量待测天线的电场信息；
步骤三、并基于所述电场信息，通过球面近远场变换算法得到球面波展开系数，依据所述球面波展开系数获取天线辐射方向图；所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤S21，所述定位测量装置到达以待测天线为圆心、R为半径的半球面上的指定位置
其中，M为空间采样点数，
为第i个采样点所对应的球坐标空间角度；0≤θi＜85°；
通过所述定位测量装置测量并记录该指定位置的电场信息；
步骤S22，在测量和记录完成之后，将定位测量装置移动到下一指定待测位置，测量并记录此处的待测天线的电场信息；
步骤S23，重复步骤S22，直到上半球面上所有的待测点的电场都被测量并记录；在所述步骤S23获得所有的测量数据后，在下半球面空间位置，即85°≤θi＜180°；
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