CN110988499B - 一种基于无相位近场测量的天线辐射特性获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无相位近场测量的天线辐射特性获取方法,首先,在距离待测天线不远处的近场区,获取闭合曲面上所有采样点的电场幅度信息,接着,通过球面波展开理论,建立起近场区某一球面上电场分布和测量面上幅度数据的两种非线性关系;最后,利用遗传算法“猜测”出近场区目标球面上的电场分布;当算法停止迭代优化时,该待猜测的球面切向电场分布将基本接近理想结果,此时利用球面波模式展开理论计算出待优化球面上的加权系数,通过球面近远场变换求得远场;本发明提供了一种适应于各类规格天线测量技术。
Description
技术领域
本发明属于微波测量技术领域,特别涉及一种利用近场无相位数据重建远场辐射特性的测试方法。
背景技术
天线测量技术主要包括远场测量,近场测量,紧缩场测量方法三种。远场测量法是一种直接测量法,其通过一定的机械控制,获得天线的远场辐射特性。天线的远场区测试距离R满足λ是波长,D是天线的最大尺寸;随着天线尺寸的增大,直接测量远场已经变得不现实,尤其是当测试尺寸增大且频率升高时,测量远场将变得十分困难,由此发展了天线近场测量技术。该技术具有全天候、测试精度高、保密性好等优点,因而得到广泛关注;近场测量技术是一种间接测量法,一般是在暗室中放置待测天线,然后在距离待测天线3到10个波长的包围面上用一个已知特性的小探头进行扫描,一次来获取被测天线的近场电场信息,然后,通过严格的近远场变换得到天线的远场辐射特性,如果能够合理设计机械控制软件而且妥善处理各种误差,近场测量的精度将会优于直接远场的情况。
近场测量技术按照形状的不同,大致划分为平面、柱面、球面近场测量,三种测量技术均是以麦克斯韦方程组出发,经过等效定理推导而来。不过,从程序编写的角度看,球面近场测量技术比较复杂,而平面和柱面近场测量相对简单;从测量的难度和探头补偿的角度来看,平面和柱面在机械控制上相对容易,且测量成本较低,然而,平面和柱面近场测量在计算远场辐射特性时,存在截断误差等问题;
近场测量技术发展至今,已经成为一种十分成熟而且被广泛应用的手段,其要求在近场区获得电场的幅度和相位信息,二者缺一不可;然而,随着天线频率的升高,想要获得十分精细准确的相位信息变得十分困难,尤其是处于亚毫米波到毫米波段,探头天线位置的误差、测量过程中装置的温度起伏变化、测试***的噪声、待测天线探头和之间的耦合效应以及各种人为的因素等等,导致人们想要在近场区测得准确的相位信息变得十分困难,即使可以获得比较可信的相位数据,也将付出极高的代价,其需要十分精密昂贵的仪器,一般的实验室无法实现高精度的相位测量,于是,人们就开始一种设想,即在考虑忽略相位信号的情况下,仍然可以得到十分精确的远场辐射特性,这就是现在热度逐渐升温的无相位天线近场技术。
就目前而言,有一种比较常用的无相位近场测量技术,这就是相位恢复技术,一般是利用近场区的一组或多组幅度数据恢复出相位数据,然后利用严格的数理变换计算远场,比如申请号为201710676154.6的中国专利,根据近场区两个不同半径上的球面切向电场幅度数据,准确计算远场辐射特性,然而,这种方法只适用于规则采样面的无相位近场测量技术,而且必须测量得到两个测量面上的幅度数据;此外,这种方法对于初始相位的优劣提出很高的要求。申请号为201610614730.X的中国专利提供了一种任意曲面的近场天线测量方法,不过,必须同时获得离散网格点上的幅度和相位数据,当频率升高时,这种方法将付出额外的费用来获得相位信息,这将提高测量成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种任意曲面扫描的无相位近场测量方法,能够适用于任意闭合曲面扫描的近场测试方法,其以重构未知源域的电场分布为目的,然后计算远场。
本发明所采用的技术方案是:一种基于无相位近场测量的天线辐射特性获取方法,其特征在于:将待测天线放置在转台上,在微波暗室中通过可移动的探头,对天线一个闭合曲面上的近场电场信息进行测量,分别获得由两个圆平面和一个圆柱面组成的规则闭合曲面#1、#2、一个非规则面Irregular上的电场幅度数据;
则每个采样点上所获取的电场幅度信息包括:
相对于现有技术,本发明的有益效果是:
第一:通常而言,在近场测量中,需要在近场区域,测量得到扫描面上任意一点的幅度和相位信息,而在本发明中,可以在忽略相位信号的情况下,仍旧获得十分精准的远场辐射特性;对于无相位条件下的近场测量,国内文献较少;
第二:在现有的无相位近场测量中,都是在一个平面或是柱面上进行幅度数据采集,但是,不论是柱面还是平面近场测量,都将不可避免地产生截断误差,且平面和柱面近场测量只适用于一部分天线。而本发明适用于任意天线;另外,本发明将平面和柱面相结合,构成一个封闭面,将避免截断误差;
第三:在现有的无相位近场测量技术中,一般都需要采集距离待测天线两个及以上的测量面幅度数据,这些测量面往往都必须是规则的采样面,如平面,柱面,球面。本发明所要求的测量面可以是任意不规则的曲面,且测量面数量可以为一个及以上,这样可以大大降低测量成本,同时也扩展了本发明的应用范围;
第四:在现有的无相位近场测量技术中,往往是利用局部优化算法进行迭代缩减,这类方法往往要求获得一个合理的初始迭代估计,初始迭代估计的优劣将直接决定重建的远场准确性,而在本发明中,对初始迭代估计的数值没有任何要求,其可以为任意一组随机数据;
第五:本发明是利用球面波展开理论,猜测出近场处包围待测天线的某一球面上的切向电场分布;在每一次迭代优化缩减过程中,采用该理论进行场点计算将更省时,且程序编写相对简单,提高了本发明的实施效率。
附图说明
图1为本发明实例的原理图;
图2为本发明实例提供的遗传算法优化流程图;
图3为微带天线的结构示意图;
图4为本发明实例提供规则面#1、#2的形状示意图;
图5为本发明实例提供非规则面Irregular的形状示意图;
图6分别为历次迭代适应度趋势图;
图7、8分别为远场两个分量的RMSE趋势图;
图9、10分别为微带天线H和E面的远场方向图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
请见图1,本发明提供的一种基于无相位近场测量的天线辐射特性获取方法,其特征在于:将待测天线放置在转台上,在微波暗室中通过可移动的探头,对天线一个闭合曲面上的近场电场信息进行测量,分别获得由两个圆平面和一个圆柱面组成的规则闭合曲面#1、#2、一个非规则面Irregular上的电场幅度数据;值得一提的是,对于本发明而言,利用1个闭合曲面(无论是规则闭合曲面#1或#2,还是非规则闭合曲面Irregular)上的幅度信息,本发明就已经可以获得比较准确的远场辐射特性,而一般专利所示的方法,都要求两个及以上数量的规则测量面,为了更好地验证本发明的有效性,将设置三项测试条件,分别为一个规则闭合曲面#1,两个规则闭合曲面#1+#2,一个非规则闭合曲面Irregular;本发明将针对以上三项测试展开全部的试验;
则每个采样点上所获取的电场幅度信息包括:
在本实施例中,如图1所示,分别在半径为R1、相距高度为H1的两个圆平面#1-1、#1-3,半径为R1、高度为H1的圆柱面#1-2;在半径为R2、相距高度为H2的两个圆平面#2-1、#2-3,半径为R2、高度为H2的圆柱面#2-2上测量幅度数据,为了方便表述,将封闭曲面#1看作是#1-1、#1-3和#1-2的组合,将封闭曲面#2看作是#2-1、#2-3和#2-2的组合。为了更好地阐明本文方法的优越性,加入一非规则闭合曲面,暂且命名为Irregular。
数据采集具体步骤具体为:
(1)将待测天线(AUT)放置在转台上,探头处于处,首先,探头沿着平行于Z轴的一条直线运动得到一个柱面上的电场幅度数据,每隔度测量一次圆平面上三个柱极化电场的幅度数据;在圆柱面上采样时,必须满足 在这里Rcylinder表示圆柱面的半径。
(3)重复(1)和(2)完成一个或是两个规则闭合曲面上幅度信息的采集;而对于非规则闭合曲面上的测量,视具体情况而定,应尽可能地满足奎斯特采样定理。
(4)当完成幅度数据采集之后,将测量数据按照下表1格式进行保存。
表1
在整个针对规则闭合曲面(#1和#2)数据采集过程中,必须满足奈奎斯特定理,即任意相邻测量点之间的距离必须小于λ/2;对于非规则面(Irregular)上的采集情况,需要根据具体情况来处理,尽量满足奈奎斯特采样定理,如果无法保证,则必须尽量在非规则面上多采集一些测量点的数据信息。
本实施例中,设包围待测天线的球面半径为Rmin,Rmin是包围待测天线最小球面半径;选取近场区某一包围待测天线的球面#0,半径大小为R0(R0≥Rmin),将该球面#0上的切向电场作为待优化目标电场,该目标电场由四组数据组成:和的初始大小在[0,1]之间,通过随机生成,表示待优化球面上θ和方向上的幅度;和的初始大小在[-180,180]之间,通过随机生成,表示待优化球面上沿着θ和方向上的相位;表示在球坐标系下源点处的坐标;表示在球坐标系下场点处的坐标;
本发明的目的是利用近场区测量面上的幅度猜测出待优化球面的切向电场值:
其中,待优化球面θ分量的电场为:
其中,|Eρ|、|Ez|分别为Ei,ρ、Ei,z,是利用和计算得到的#1或#2、Irregular上的电场;M表示测量面上的总采样点数,i表示#1或#2、Irregular上第i个采样点的索引;Mi,ρ、Mi,z表示测量面上#1或#2、Irregular上任意一点的幅度信息,表示在柱坐标系下,沿着方向的电场分量振幅数据;和表示利用和计算包围待测天线半径为R 0的球面上#0的切向电场,为球面#0上任意源点的坐标信息;为球面#0上任意场点的坐标信息;
设球面上待优化的点数为M0,将f1、f2相结合,得到待优化的切向电场与被测幅度数据之间的代数关系式,其用均方根误差RMSE表示,也即为
本实施例中,利用电磁场等效定理和球面波展开相关理论计算网格点的电场,具体实现过程为:
其中,n、m为一变量,N表示天线场展开式中最高阶模的阶数,用正整数表示;amn和bmn是模式展开系数,也称作加权系数;表示球坐标系下任意一场点的坐标;N越大,则加权系数的阶数越大,计算效率大幅度降低,因此,在实施本发明的过程中时,应尽可能减小N的数值大小,具体地讲,要尽可能将天线的几何中心与坐标系的原点吻合。
其中,表示连带勒让德函数,k是波数; S′mn(θ)是Smn(θ)的导数,j是虚数的基本单位,表示在球坐标系下场点处的坐标,r表示场点和坐标系原点的径向距离,θ表示沿着俯仰角的角度大小,表示沿着方位角的角度大小;
于是,在球坐标系下,包围待测天线最小球面外,空间中任意一点的电场表示为:
则球坐标系下的电场转换为柱坐标系下的电场表达式为:
其中,N表示天线最高阶模式展开系数,其和包围待测天线的最小球面半径以及天线工作频率成正比。
参见图2,本实施例通过遗传算法的适应度函数来优化待猜测球面的初始数据,在每一次迭代中,f的数值将越来越小,其越小则待猜测的和复数场将越接近准确值;在经过一定次数的迭代后,算法将收敛,将最后一次迭代的解利用球面波理论计算得到准确的加权系数,进而求得远场。
遗传算法是计算数学中用于解决最佳化的搜索算法,属于全局算法的一种。该算法最初是借鉴了进化生物学中的一些现象而发展起来的,这些现象包括遗传、突变、自然选择以及杂交等。其模拟了自然界生存法则“优胜劣汰”,广泛应用在电磁及其他交叉学科领域。
遗传算法中每一条染色体,对应着遗传算法的一个解决方案,一般用适应度函数(fitness function)来衡量这个解决方案的优劣。所以,从一个基因组到其解的适应度形成一个映射。可以把遗传算法的过程看作是一个在多元函数里面求最优解的过程。可以这样想象,这个多维曲面里面有数不清的“山峰”,而这些山峰所对应的就是局部最优解。而其中也会有一个“山峰”的海拔最高的,那么这个就是全局最优解。而遗传算法的任务就是尽量爬到最高峰,而不是陷落在一些小山峰。另外,值得注意的是,遗传算法不一定要找“最高的山峰”,如果问题的适应度评价越小越好的话,那么全局最优解就是函数的最小值,对应的,遗传算法所要找的就是“最深的谷底”。一般来说,染色体长度越长,待优化的参数(基因)越多,遗传算法搜寻到全局最优值的可能性越低,优化规模及消耗的时间大量增加。
遗传算法的核心是适应度函数,其建立了待优化的决策变量(染色体)和已知数据之间的代数关系,在本发明中,要求适应度越小越好,因为适应度越小,待优化的球面切向电场越接近于真实值;在遗传算法的寻优过程中,主要是通过选择、交叉、变异三个算子来完成,每迭代一次则算法所要找寻的解空间越接近于真实解,当算法收敛时,则说明找寻的解空间基本稳定。
请见图2,本实施例中,采用遗传算法对均分根误差RMSE进行迭代优化缩减,具体实现过程包括以下子步骤:
步骤1:利用和计算一个封闭面或两个封闭面上任意一点的幅度信息,将该幅度信息和测量得到的幅度数据和进行相减;接着,利用和计算待猜测球面本身的切向电场和将和进行绝对值运算得到和然后利用这两个变量与和的绝对值进行相减;
步骤2:利用遗传算法的选择算子对均方根误差f进行评价,将遗传算法种群中的最优解分别计算远场的均方根误差,注意:这里所谓的最优解,为f最小的那一组数据,本发明中将种群数量设置为24;
步骤4:重复以上步骤1-3,直到遗传算法收敛,本发明将遗传算法的最大迭代次数设为终止条件。
本发明对测量面的形状和数量(一个及以上)没有任何要求,可以为任意规则或不规则面,只要该测量面能包围待测天线即可,且其上任意离散点的坐标处于近场区范围;另外,在采样时,不一定需要满足奈奎斯特采样定理。
为了更好地说明本文方法的有效性,算法在每一次迭代中,将计算适应度值和远场的均方根误差RMSE,以便更好地观察算法的收敛特性以及与目标远场的吻合程度,下面给出具体的测量实施例。
如图3所示,微带天线的工作频率f=10.0GHz,波长λ=30mm。
规则闭合曲面#1、#2的采样范围和步长以及具体参数如图4和表2所示,分别采集5063、6527个点的场幅度信息。
表2#1和#2的采样范围和步长设置
非规则闭合曲面Irregular采样范围和步长以及具体参数如图5所示,分别采集7391个点的场幅度信息,从图中可以看出,部分点的采样间隔大于λ/2,而有些点之间的采样间隔小于λ/2。
遗传算法的优化流程图如图2所示;在本发明所举的算例当中,交叉概率Pc=0.95,变异概率Pm=0.001,种群数量PS=24;对于规则闭合曲面其最大迭代次数设定为91650,而非规则面的算例设定为231720;
待优化的电场选择距离坐标半径为R0=1.5λ的球面上,theta、phi方向上的步长均为6°,共需要优化的参数为31×61×4个。
从图6、7、8中可以看出,算法大致在3万次迭代基本收敛,随着迭代的进行,无论是适应度值、还是远场的均方根误差,都越来越小。
为了和本文的发明有一个对比,采用电磁仿真软件FEKO测量得到远场辐射特性,从图9、10中可以看出,无论是一个还是两个规则闭合曲面或者一个非规则测量面,其近远场变换的结果与利用探头测试得到的远场结果(见图例reference)吻合良好;从图9、10中也可以看出,近远场变换的结果与实际探头测试得到的结果、FEKO测量得到的结果,三者吻合良好,从而证实了本发明的有效性。
应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术;上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种基于无相位近场测量的天线辐射特性获取方法,其特征在于:将待测天线放置在转台上,在微波暗室中通过可移动的探头,对天线一个闭合曲面上的近场电场信息进行测量,分别获得由两个圆平面和一个圆柱面组成的规则闭合曲面#1、#2、一个非规则面Irregular上的电场幅度数据;
设包围待测天线的球面半径为Rmin,Rmin是包围待测天线最小球面半径;选取近场区某一包围待测天线的球面#0,半径大小为R0,R0≥Rmin;将球面#0上的切向电场作为待优化目标电场,目标电场由四组数据组成:
其中,和的初始大小在[0,1]之间,通过随机生成,表示待优化球面上θ和方向上的幅度;和的初始大小在[-180,180]之间,通过随机生成,表示待优化球面上θ和方向上的相位;表示在球坐标系下源点处的坐标;表示在球坐标系下场点处的坐标;
则,待优化球面θ分量的电场为:
其中,|Eρ|、|Ez|分别为Ei,ρ、Ei,z,是利用和计算得到的#1、#2、Irregular上的电场,M表示测量面上的总采样点数,i表示闭合曲面#1、#2、Irregular上第i个采样点的索引;Mi,ρ、Mi,z表示闭合曲面#1、#2、Irregular上任意一点的幅度信息,表示在柱坐标系下,沿着方向的电场分量振幅数据;和表示利用和计算包围待测天线半径为R0的球面#0上的切向电场分布;
设球面上待优化的点数为M0,将f1、f2相结合,得到待优化的切向电场与被测幅度数据之间的代数关系式,其用均方根误差RMSE表示,也即为
其中,利用电磁场等效定理和球面波展开相关理论计算网格点处的电场,具体实现过程是:
其中,表示连带勒让德函数,k是波数; S′mn(θ)是Smn(θ)的导数,j是虚数的基本单位, 表示在球坐标系下场点处的坐标,r表示场点和坐标系原点之间的径向距离,θ表示俯仰角的角度大小,表示方位角的角度大小;
于是,在球坐标系下,包围待测天线最小球面外,空间中任意一点的电场表示为:
则球坐标系下的电场转换为柱坐标系下的电场表达式为:
其中,N表示天线最高阶模式展开系数,其和包围待测天线的最小球面半径以及天线工作频率成正比。
2.根据权利要求1所述的基于无相位近场测量的天线辐射特性获取方法,其特征在于:所述对均分根误差RMSE进行迭代优化缩减,具体实现过程包括以下子步骤:
步骤1:利用和计算一个封闭面或两个封闭面上任意一点的幅度信息,将该幅度信息和测量得到的幅度数据和进行相减;接着,利用和计算待猜测球面本身的切向电场分布和最后,将和进行绝对值运算得到和然后利用这两个变量与和的绝对值进行相减;
步骤2:利用遗传算法的选择算子对均方根误差f进行评价,将遗传算法种群中的最优解分别计算远场的均方根误差;
步骤4:重复以上步骤1-3,直至遗传算法收敛。
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- 2019-10-21 CN CN201911001780.0A patent/CN110988499B/zh active Active
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