CN110470914A

CN110470914A - 一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法

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Publication number: CN110470914A
Application number: CN201910632593.6A
Authority: CN
Inventors: 左炎春; 郭立新; 尚军平; 刘伟
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2019-07-13
Filing date: 2019-07-13
Publication date: 2019-11-19

Abstract

本发明属于高频天线无相位近场测量技术领域，公开了一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，基于典型平面近场幅值扫描技术对待测天线近场两平面、两相互正交分量进行探头采集；基于近场扫描数据，使用迭代傅里叶变换算法对扫描点位置的相位进行还原；使用还原相位和相应采样点位置的幅值组成复数场，并使用近远场变换求得天线远场方向图。本发明克服现有高频天线近场测量技术中对机械定位精度要求苛刻，由此造成的成本激增问题；可以有效与现有近场天线测量***对接，实现高低频一体化测量。本发明涉及近区天线辐射场幅值采集、扫描点位置相位还原、近远场变换技术，可用于有效兼容现有测量***，可用于高、低频近场天线测量之中。

Description

一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法

技术领域

本发明属于高频天线无相位近场测量技术领域，尤其涉及一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法。

背景技术

目前，天线性能的评估在天线设计与制造领域不可获取，早期和经典的天线测量技术主要使用平面、球面、柱面等扫描方式获取天线近场扫描点位置的幅值和相位，并借助外推技术实现天线远场方向图的给定，最早的综述性报道见于A.D.YAGHJW，但随着天线频率的不断提升，近十年来无相位近场测试技术逐渐兴起，无相位近场天线测量技术在诞生之初就是为了解决毫米波天线测量问题，正如Rocco Pierri等人在1999年发表论文中叙述的那样，在毫米级和亚毫米级近场天线测量中，相位的获取受探头位置误差、温湿度变化、传动转置精度以及接收器稳定度等多因素的影响常常难以达到令人满意的结果。计算表明，在高频段探头相对于被测天线微弱的摇摆都会造成相位噪声的增大，实际测试表明在100GHz的测试频率时，探头摇摆0.001英寸就可能导致3度的相位误差，因此扫描架的基台建设需要采用严格的避震，这需要有专门的基建设计来完成。另一方面，在高频测试中温度的影响也不可活略，细小的温差就能轻易产生0001英寸形变，尤其对于高于1000Hz的测试，室温变化需要尽晕控制在±0.5度，如此高的要求无疑提升了暗室建造和测试的成本，也增加了测试难度和测试结果的不确定性。目前，国内外对高频天线的测量仍采用提高暗室和测量***精度来予以实现，增加扫描架的定位精度，提升支架***的稳定性等等，但测量成本将随着频率的提高迅速攀升，生产和设计精度将无法满足飞速发展的频率提升，因此传统高频天线测量不具有可持续发展特性。

综上所述，无相位近场天线测量技术存在几个显著的不足：首先，从国内外发展情况下，国内外主流暗室(美军雷达反射实验室、加州大学微波暗室、波音公司天线测量暗室、西安电子科技大学微波暗室、东南大学微波暗室等)都仍采用提升机械精度和控制温漂来实现高频天线测量，其测试成本很高，其次，在公开的国内外文献中，对无相位近场天线测量技术的理论研究很不成熟，研究较好的见于美国加州大学Sammi团队和西安电子科技大学天线所，但他们的研究都并不彻底，这是制约无相位近场天线测量技术开展和实施的重要瓶颈，高效和准确的相位还原算法暂未得到有效研究和实施；其次，高频天线测量的主流频段一般最高至40GHz，国内外确有60GHz频段测量***的报道(NASA目标特性暗室等)，但测量成本极高，不利于普及和商用；再次，高频段天线测量中，波长较小，导致使用探头按照二分之一波长采样法则给定的采样方式较难实施，这是因为采样间隔过小导致采样过于密集，单位长度采样路程下，测试时间过长，使得***的测试效率低下，同时，过密的采样间隔将增加***精度的研究，在某些频段，测试理论要求的精度将无法在现实中达到。。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)就目前国内外公开报道来看，对无相位近场天线测量技术，尤其是相位还原技术的研究不充分、不彻底，理论造成的技术瓶颈致使无相位近场天线测量技术走入实际进展缓慢。

(2)随着通信技术的发展，天线的测试频率提升已经成为大趋势。在高频天线测量中，定位精度的要求愈加苛刻，致使测量成本显著提升，甚至在一些频段，加工精度无法满足误差需求，同时，也会因为测试步长过短导致测量时间过长，减低测试***的效率，这些因素导致传统的高频天线测量技术很难持续性支持高频天线的研发工作。同时增加了高频天线的研发成本。

(3)经典近场天线测量中，在不提升定位精度的情况下，由于探头的位置误差，如果不使用无相位近场测量中的相位还原算法对位置误差进行一定程度的补偿，则使用现有数据进行的近远场变换将无法得到满意的天线远场方向图。

解决上述技术问题的难度：如何使用近场双极化扫描幅值数据对扫描点位置处的相位进行还原，并使用近远场变换算法获取远场天线辐射方向图是主要技术难点。

解决上述技术问题的意义：有效实现高频天线低成本测量，放宽对现有近场扫描设备的精度要求，实现近场扫描数据采集和高效利用，从而提供一种高效、低成本的高频天线测试技术。促进高频天线研发成本的降低，促进算法和测试过程高度融合的方式在近场天线测量中的应用和推广。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法。

本发明是这样实现的，一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，所述基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法包括以下步骤：

第一步，基于典型平面近场幅值扫描技术对待测天线近场两平面、两相互正交分量进行探头采集；

第二步，基于近场扫描数据，使用迭代傅里叶变换算法对扫描点位置的相位进行还原；

第三步，使用还原相位和相应采样点位置的幅值组成复数场，并使用近远场变换求得天线远场方向图。

进一步，所述第一步基于典型平面近场幅值扫描技术对待测天线近场两平面、两相互正交分量进行探头采集的双平面、双极化近场天线幅值探头测量包含以下步骤：

(1)进行***预热、待测天线架设，使待测天线口面与二维近场扫描平面平行，使用预扫描测试技术，测量两个正交路径的幅值特性判定天线最大辐射方向，若天线主波束方向不在近场扫描平面的中心，则对天线进行调整；

(2)在两个相互平行的扫描#1和#2平面上，使用相同的采样规则，采集矩形网格节点位置上的x和y方向的极化电场幅值信息：

#1平面：和

#2平面：和

其中提及的采样规则是Nyquist采样定理：

x方向采样间隔满足：c为光速，f为测量频率；

y方向采样间隔满足：c为光速，f为测量频率。

进一步，所述第二步基于近场扫描数据，使用迭代傅里叶变换算法对扫描点位置的相位进行还原设置天线口径面、#1和#2扫描平面，且位置为z＝0、z＝d₁和z＝d₂，并设#1平面位置切向场幅值为#2平面位置切向场幅值为两相互平行平面z＝d₁、z＝d₂切向场也是通过傅里叶变换关系联系在一起的：

对于z＝d₁平面有：

对于z＝d₂平面有：

无论在近区采哪两个相异平行平面上的场分布，重建相同的天线远场方向图：

进一步相位还原的过程包括：

(1)双平面采样幅值的获取，提取使用线极化探头在#1和#2扫描平面上采集的数据，分别记为M_#1和M_#2；

(2)扫描点位置的相位还原，进行相位还原需要给定初始迭代相位，对扫描点位置的相位进行还原；使用随机相位作为初始迭代相位，并使用迭代傅里叶变换技术对扫描点位置的相位进行还原；

操作1：预处理，在[-π,π]内随机产生#1平面扫描点位置的相位值，并与#1平面的采样幅值构成初始迭代场

操作2：使用#1平面的测量幅值M_#1代替复数场中的振幅得到#1平面的替代场

操作3：使用公式计算得到#2平面的场分布：

使用测量幅值M_#2替代的幅值；

操作4：使用及推导式求得#1平面的第n+1次迭代场分布为：

同时，进行误差计算：

如果误差满足设定限度，或者达到最大迭代次数则迭代过程停止，否则，使用测量幅值M_#1替代的幅值，并返回操作2继续进行。

进一步，所述第三步使用还原相位和相应采样点位置的幅值组成复数场，并使用近远场变换求得天线远场方向图包括：使用采样获得幅值数据，以及还原相位可以构成扫描点位置的复数场，使用这一复数场结合近远场变换理论求得天线的远场方向图：

则远场方向图表示为：

本发明的另一目的在于提供一种所述基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法在近区天线辐射场幅值采集、扫描点位置相位还原、近远场变换中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法在高、低频近场天线测量***中的应用。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明具体涉及近区天线辐射场幅值采集、扫描点位置相位还原、近远场变换技术，可用于有效兼容现有测量***，可用于高、低频近场天线测量之中。本发明以解决高频天线近场天线测量为目的，使用双平面双极化采样策略，采集两平行平面上矩形网格节点位置处的切向电场幅值数据，在此基础上，使用迭代傅里叶变换算法对一平面扫描点位置处的相位进行还原，使用还原相位和幅值构成的复数场进行近远场变换得到天线的远场方向图。

本发明基于迭代傅里叶变换算法，可以实现高频天线在现有测试***上进行低成本快速准确测量。同时提高了近场数据使用效率，基于快速傅里叶变换算法的迭代过程，大大提升了数据处理效率。可以从下表中可以看到，先行的技术测试的频率一般在45GHz左右，超过60GHz以上的测试***极其少见，在定位精度方面，现行的测量***对探头的定位精度较本专利的方法更为苛刻，同时，对无相位天线测量的专门技术国内研究较少，由于暗室资源和研究群体的限制，推向实际的无相位技术鲜见。

表1进展对比表

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法实现流程图。

图3是是本发明实施例提供的实验仿真装置示意图。

图4是本发明实施例提供的相位还原技术算法流程图。

图5是本发明实施例提供的近远场变换理论验证结果图；

图中：(a)E面方向图比较；(b)H面方向图比较。

图6是本发明实施例提供的阵列无相位近场测量仿真结果图；

图中：(a)E面方向图比较；(b)H面方向图比较；(c)迭代误差曲线；(d)X中心相位比较；(e)Y中心相位比较。

图7是本发明实施例提供的探头位置误差对相位还原算法的影响图；

图中：(a)方差为0.1迭代误差曲线图；(b)方差为0.2迭代误差曲线图；(c)平面间距1.8，不同方差影响。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法包括以下步骤：

S101：基于典型平面近场幅值扫描技术对待测天线近场两平面、两相互正交分量进行探头采集；

S102：基于近场扫描数据，使用迭代傅里叶变换算法对扫描点位置的相位进行还原；

S103：使用还原相位和相应采样点位置的幅值组成复数场，并使用近远场变换求得天线远场方向图。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法包括以下步骤：

(1)进行双平面、双极化近场天线幅值探头测量包含以下步骤：

(1.1)进行***预热、待测天线架设，使待测天线口面(等效口面)与二维近场扫描平面平行，可使用预扫描测试技术，测量两个正交路径的幅值特性来判定天线最大辐射方向，若天线主波束方向不在近场扫描平面的中心，则对天线进行调整。

(1.2)如图3所示，在两个相互平行的扫描平面上(设为#1和#2平面)，使用相同的采样规则，采集矩形网格节点位置上的两正交方向(可设为x和y方向)的极化电场幅值信息，记为：

#1平面：和

#2平面：和

其中提及的采样规则是Nyquist采样定理：

x方向采样间隔满足：c为光速，f为测量频率；

y方向采样间隔满足：c为光速，f为测量频率；

在近场数据采样的过程中，一般探头采用对应频段的波导天线，因其极化纯度高，且辐射方向图有解析解，便于去探头耦合。在一般的天线暗室中，扫描路径为自上而下的S折线型轨迹，数据采集以使用矢量网络分析仪采集S₂₁为主，在这里仅使用采集幅值信息，虽然矢量网络分析仪可以在获取幅值的同时得到相位，然而在高频段，相位的测量往往不满足测量精度需求。

(2)基于近场扫描数据，使用迭代傅里叶变换算法对扫描点位置的相位进行还原包含以下步骤：

设置天线口径面、#1和#2扫描平面，且它们的位置为z＝0、z＝d₁和z＝d₂，并设#1平面位置切向场幅值为#2平面位置切向场幅值为由传统天线测量理论可知，两相互平行平面z＝d₁、z＝d₂切向场也是通过傅里叶变换关系联系在一起的，即：

对于z＝d₁平面有：

对于z＝d₂平面有：

无论在近区采哪两个相异平行平面上的场分布，都可以重建相同的天线远场方向图，于是：

如图4所示，相位还原的过程有以下几个主要步骤：

①双平面采样幅值的获取。提取使用线极化探头在#1和#2扫描平面上采集的数据，分别记为M_#1和M_#2；

②扫描点位置的相位还原。进行相位还原主要需要两大步骤，一是，给定初始迭代相位，二是，对扫描点位置的相位进行还原。这里使用随机相位作为初始迭代相位，并使用迭代傅里叶变换技术对扫描点位置的相位进行还原.。

操作3：使用上文推导的公式，可以计算得到#2平面的场分布，即：

和操作2类似，使用测量幅值M_#2替代的幅值；

操作4：使用及上文推导式可以求得#1平面的第n+1次迭代场分布为：

同时，进行误差计算：

(3)使用还原相位和相应采样点位置的幅值组成复数场，并使用近远场变换求得天线远场方向图，包含以下步骤：

使用采样获得幅值数据，以及还原相位可以构成扫描点位置的复数场，使用这一复数场结合近远场变换理论求得天线的远场方向图，即：

则远场方向图可表示为：

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

一、仿真条件：本仿真实验使用对称阵子阵列天线进行仿真，仿真频段为30GHz，一个副瓣电平为-40dB的阵列天线，在x方向点数为19点，电流幅度按照余弦分布，在y方向点数为19点，振元间距均为0.5个波长，电流幅度按照切比雪夫分布，激励电流的相位相等且为0。

二、仿真内容与结果

仿真1(如图5)，在近场采集一平面上的切向场幅值和相位数据，并进行近远场变换，与理论值吻合良好。

仿真2(如图6)，在近场采集两平面上的切向场幅值数据，使用迭代傅里叶变换技术进行相位还原和近远场变换，相位和方向图均与理论值吻合良好。

仿真3(如图7)，在近场采集两平面上的切向场幅值数据，在此基础上，为探头的采样位置添加正态随机抖动误差，其均值为0，方差见图中所示，使用迭代傅里叶变换技术进行相位还原和近远场变换，结果表明，即便是有探头的位置误差的影响，但随着迭代的进行误差将进一步减小，低至-30dB，此误差满足近场测量中近远场变换的精度要求。

通过一系列的实验仿真对***性能进行了评估，对阵列天线辐射情况下无相位近场天线测量技术进行了验证，在相同的条件下，鲜见公开报道的对比结果，无论是否有探头的位置误差加入，误差均在迭代过程中逐渐减小，并小于-30dB，满足近场测试需求，由于不进行相位采集，采样设备得到简化，相位处理模块被移除，有效降低了测试成本，因此本发明的适用性和准确度都较高，对于结构简单、方向性好的天线本发明效果更好。

在天线暗室开展无相位近场天线测量，对上述仿真进行实际验证，结果如下表所示。可以清楚地看到，理论和实测有加好的拟合，无论是在还原相位还是在远场方向图重建上均有很好的精度。从实验测量证明了本专利所提方法的可靠性。

表2实测结果表

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，其特征在于，所述基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，其特征在于，所述第一步基于典型平面近场幅值扫描技术对待测天线近场两平面、两相互正交分量进行探头采集的双平面、双极化近场天线幅值探头测量包含以下步骤：

#1平面：和

#2平面：和

其中提及的采样规则是Nyquist采样定理：

x方向采样间隔满足：c为光速，f为测量频率；

y方向采样间隔满足：c为光速，f为测量频率。

3.如权利要求1所述的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，其特征在于，所述第二步基于近场扫描数据，使用迭代傅里叶变换算法对扫描点位置的相位进行还原设置天线口径面、#1和#2扫描平面，且位置为z＝0、z＝d₁和z＝d₂，并设#1平面位置切向场幅值为#2平面位置切向场幅值为两相互平行平面z＝d₁、z＝d₂切向场也是通过傅里叶变换关系联系在一起的：

对于z＝d₁平面有：

对于z＝d₂平面有：

4.如权利要求3所述的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，其特征在于，进一步相位还原的过程包括：

操作3：使用公式计算得到#2平面的场分布：

使用测量幅值M_#2替代的幅值；

操作4：使用及推导式求得#1平面的第n+1次迭代场分布为：

同时，进行误差计算：

5.如权利要求1所述的基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法，其特征在于，所述第三步使用还原相位和相应采样点位置的幅值组成复数场，并使用近远场变换求得天线远场方向图包括：使用采样获得幅值数据，以及还原相位可以构成扫描点位置的复数场，使用这一复数场结合近远场变换理论求得天线的远场方向图：

则远场方向图表示为：

6.一种如权利要求1～5任意一项所述基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法在近区天线辐射场幅值采集、扫描点位置相位还原、近远场变换中的应用。

7.一种如权利要求1～5任意一项所述基于迭代傅里叶变换算法的无相位近场天线测量方法在高、低频近场天线测量***中的应用。