CN113252999A - 天线平面近场测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种天线平面近场测试方法，具有高速、可全天候工作、无需相位测量。本发明通过下述技术方案实现：分别沿x轴和y轴按照dx和dy的间隔进行M列和N行双极化探头布置，信号源发出信号，平面布置的双极化探头全电子化采样测试被测天线，将采样信号分别送到移相器中，移相器根据指向角度按照傅里叶变换的频移特性将每个双极化探头收到的信号送入移相器进行移相，经过移相器的信号送入H极化合成器和V极化合成器，分别合成H极化信号和V极化信号，将合成后的H极化信号和V极化信号送入接收机，在接收机收到两个极化的信号后消除探头效应，得到被测天线的远场方向图，实现在天线辐射近场区的测试和天线远场特性的模拟。

Description

天线平面近场测试方法
技术领域
本发明属于信息技术领域。涉及一种主要用于天线测量、通信信号测量等方向的天线平面近场测试方法。
背景技术
天线参数的测试和验证是天线设计过程中不可或缺的过程。天线测试的主要内容包括测量天线的电参数、辐射参数，以评价天线的性能。天线测试方法有远场测试、紧缩场测试、平面近场测试。天线的测量经历了一个从远场测量到近场测量的发展过程。远场测量是直接在天线的远场区对天线的电磁场进行测量，所以测量场地和周围范围电磁环境对测量精度影响比较大，对某些天线来说，要求测量距离要远大于2D2/λ，其中D为被测天线的口径尺寸，λ为工作波长，而且对测量场地的反射电平、多路径和电磁环境干扰的抑制都提出了很高的要求，这些要求在远场条件下往往很难满足。因此通常采用紧缩场产生平面波来模拟无线长度的场地，另一方面则是用近场测试代替远场测试。近场测试具有远场测试所不具备的优势，但是同样有不能回避的劣势—硬件设施成本要远高于远场测试。目前，一个百平米左右的近场平面测试***的价格在千万级别。尽管如此，这依然是研发高性能天线的必要投入。新一代的天线测量技术是以近场测量和紧缩场测量为代表的。近场测量技术利用探头在天线口面上做扫描运动，测量口面上的幅度和相位，然后把近场数据转换成远场。由于近场测量只需测量天线口面上的场，就可避免远场测量的诸多缺点，而成为独立的一门测量技术。近场测量包含平面近场、球面近场、柱面近场、紧缩场。平面近场，每种应用于不同的实际情况。天线近场测量***是一套在中心计算机控制下进行天线近场扫描、数据采集、测试数据处理及测试结果显示与输出的自动化测量***。平面近场测试***包括机械子***和射频子***。机械子***主要包含扫描架、扫描架控制器、探头极化旋转装置、各型号波导探头。射频子***有发射、接收两部分。通常将天线空间的场分为感应场和辐射场区域。辐射场区又分为菲涅耳近场辐射区和夫琅禾费远场辐射区。但实际上区域之间的边界并不是突变的。在感应场中，区域内的每个对象实际上都是天线的一部分，都会影响其周围的场(对于场强最大的区域中每个对象的定向天线都是如此)。但是，辐射场区域中的每个物体都不应影响天线周围的场。在感应场区域中，场分布与辐射源关系更大，甚至无法识别最终的辐射图形状。在近场区域中，辐射图的形状开始分化。另外，在辐射远场区域边界之后，辐射方向图随距离几乎不变，并且与无限距离处的辐射方向图非常相似。理想的平面近场扫描范围为无限大，然而实际近场测试中，扫描面的尺寸是有限的。天线平面近场测试用一个特性已知的探头，在离待测天线几个波长(3-10λ)的某一平面上进扫描，测量天线在该平面离散点的幅度与相位分布，通过严格的数学变换确定被测天线的远场区的辐射特性进而确定天线远场方向图。平面近场测量***通过移动探头的方式实现对天线辐射近场的采样，通过数据处理，由近场数据推算得到远场方向图，其测试过程需要探头的机械移动，球面近场测量***通过移动探头的方式实现对天线辐射近场的采样，通过数据处理，由近场数据推算得到远场方向图，其测试过程需要探头的机械移动，探头采样面实现形式则有多种。典型的单探头球面近场测试***，通过方位、横滚两维运动实现测量点采样，极化则通过一个极化转轴实现0、90度切换，共三个轴，全部由机械运动完成整个测试过程的采样点位置切换。为了加快测试速度，多探头的球面近场测试***，虽然比单探头球面近场测试***减少了一维运动，但是方位上仍然为机械运动。基于机械臂的球面近场测试***，俯仰和横滚采用通用的机械臂实现，减小了专用设备的开发，但是其测试效率会比典型的单探头测试***更低。而紧缩场测量天线主要是拉近远场所需远场条件：d≥2D2/λ，其通常采用一个抛物面金属反射板，将馈源发送的球面波经反射面反射形成平面波，在一定远距离处形成一个良好的静区。紧缩场作为近场测量的一种，主要优点在于可以在小的微波暗室内，利用常规的远场测试设备和方法，进行各种天线测量和研究。紧缩场和常规远场一样，需要一个测试转台，因此其测试时间和远场测试方法一样。准平面波模拟器测试***是准平面波模拟器作为新出现的一种测试技术，通过天线阵列模拟紧缩场反射面***，实现在测试静区形成电场的平面波分布，可将天线放置在该区域进行测试。准平面波模拟器可以在近距离满足远场条件，结构尺寸小、成本低、安装使用灵活、应用场景多。从测试效率的角度来看，准平面波模拟器仍然需要通过转台转动以获取天线方向图，因此其测试效率和常规远场基本一致。从前面的各种天线测试方法，具有一个共同点是都会用到机械装置进行采样，限制了测试速度，同时天线的装架也会耗时。目前平面近场测量技术主要采用按照采样定理进行近场采样，将采样数据进行傅立叶变换，然后再用插值的方式得到被测天线的远场方向图。其缺点在于为了获得被测天线远场方向图，必须在采样数据完成后进行傅立叶变换，并对变换完的数据进行处理才能得到最终结果，无法进行实时测试，也不能进行实时的通信信号链路模拟。
发明内容
本发明针对现有技术平面近场在测试时需要测试信号幅度相位、通过机械位移实现采样的问题，提出一种近场测量具有高速、可全天候工作、无需相位测量的天线平面近场测试方法。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案实现，一种天线平面近场测试方法，其特征在于：在天线平面近场中，以dx和dy为间隔，分别沿x轴和y轴进行M行和N列行双极化探头布置，信号源发出信号，平面布置的双极化探头全电子化采样测试被测天线，将采样信号分别送到移相器中，移相器根据指向角度按照傅里叶变换的频移特性将每个双极化探头收到的信号送入移相器进行移相；经过移相器的信号送入H极化合成器和V极化合成器，分别合成H极化信号和V极化信号，将合成后的H极化信号和V极化信号送入接收机，在接收机收到两个极化的信号后消除探头效应，得到被测天线的远场方向图，实现在天线辐射近场区的测试和天线远场特性的模拟。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明以dx和dy为间隔，分别沿x轴和y轴进行M列和N排探头布置，采用平面布置的双极化多探头全电子化采样测试被测天线，实现全电子化采样，通过辐射近场区域实现远场模拟，可以构建远场***联试无线环境，利用傅里叶变换的频移特性，实现信号插值，辐射近场区域直接得到天线对应角度的远场方向图电平值，可以实现两个主要功能：实现天线远场方向的测量；在天线辐射近场区域进行远场***联试。不需要测试信号的相位，测试过程全电子化，没有机械置参与，并简化了安装过程，大大地提高测试速度。
本发明通过双极化探头阵列进行信号采样，然后分别送到移相器中，按照傅里叶变换的频移特性将每个探头收到的信号进行移相，得到探头不同指向角度的移相信号，实现信号插值，然后信号进入合成器，对采样信号进行合成，得到被测天线的远场方向图，在天线辐射近场测试和模拟天线远场特性。由于不再进行傅立叶变换的插值，可以在天线辐射近场实现天线远场特性的测试和模拟，利用此方法可以实现天线的流水化测试和近场区域天线远场特性的模拟被测天线方向图测试，显著提高天线测试效率。
附图说明
图1是本发明天线试平面近场测量双极化探头和待测天线的位置示意图；
图2是本发明双极化探头布置示意图；
图3是收天线方向图测试原理示意图；
图4是发射天线方向图测试原理示意图。
具体实施方式
参阅图1、图2。根据本发明，在天线平面近场中，以dx和dy为间隔，分别沿x轴和y轴进行M行和N列行双极化探头布置，信号源发出信号，平面布置的双极化探头全电子化采样测试被测天线，将采样信号分别送到移相器中，移相器根据指向角度按照傅里叶变换的频移特性将每个双极化探头收到的信号送入移相器进行移相；经过移相器的信号送入H极化合成器和V极化合成器，分别合成H极化信号和V极化信号，将合成后的H极化信号和V极化信号送入接收机，在接收机收到两个极化的信号后消除探头效应，得到被测天线的远场方向图，实现在天线辐射近场区的测试和天线远场特性的模拟。
探头以dx和dy间隔分别沿x轴和y轴布置M列N排双极化探头，或者是同样的扫描的数据是在网格上特定的x，y点处收集得到。
被测天线以平面近场直角坐标xyz建立坐标系，以被测天线与双极化探头之间的距离为r0，建立双极化探头的直角坐标系为x’y’z’，双极化探头以dx、dy为间隔，分别沿平面近场直角坐标系xyz的x轴和y轴布置M列、N排双极化探头，在被测天线距离双极化探头阵列距离Z0的平面上形成网格，双极化探头在网格上特定的x，y坐标点处收集得到被测天线发射的信号。
双极化探头以相邻采样间隔小于最高频率所对应波长λ的一半，在平面近场直角坐标系x和y向设传播系数间隔为：
Figure BDA0003049940090000041
在相互正交的x、y向的两个方向测量被测天线，在Z＝Z0平面上对被测天线发射的信号进行采样，被测天传播矢量为
Figure BDA0003049940090000042
Figure BDA0003049940090000043
Figure BDA0003049940090000044
Figure BDA0003049940090000045
Figure BDA0003049940090000046
其中，Z0表示探头在Z轴的坐标值，
Figure BDA0003049940090000047
为单位传播矢量，kx、ky、kz表示传播矢量在x、y、z方向的分量，
Figure BDA0003049940090000048
表示x、y、z方向的单位矢量，λ为测试时所用信号的波长，θ为俯仰角，
Figure BDA0003049940090000049
为方位角。
双极化探头按照采样定理进行近场采样，利用采样数据按照傅里叶变频移特性，将经过每个探头的采样信号PB(m,n)进行移相，合成信号为I(kx0,ky0)，根据沿平面近场直角坐标x方向探头的起始值mStart和结束值mStop＝mstart+M-1，沿平面近场直角坐标y方向探头n的起始值nStart、结束值：nStop＝nStart+N-1，得到双极化探头的合成信号：
Figure BDA00030499400900000410
Figure BDA00030499400900000411
Figure BDA0003049940090000051
其中，s表示自然数，s＝1,2,3…，PB(m,n)为第(m,n)个探头收到的信号电平，kx0表示被测天线的kx的取值，ky0表示被测天线的ky的取值，e是自然对数的底，j表示虚数单位，z0表示双极化探头平面在z轴的坐标值，m表示沿x方向双极化探头编号，n表示沿y方向双极化探头的编号，M表示x方向双极化探头的列数,N表示沿y方向双极化探头的行数。
参阅图2。在天线平面近场测试中，双极化探头以x’y’z’为直角坐标系，y方向双极化探头行数为N，x方向双极化探头列数为M，y方向探头间隔为dy，x方向探头间隔为dx进行行列布置。
参阅图3。在接收天线方向图测试中，根据俯仰角θ角度，方位角
Figure BDA00030499400900000513
角度，计算出被测天线指向值坐标(kx0,ky0)的俯仰角θ分量Eθ(kx0,ky0)和方位角Φ分量
Figure BDA0003049940090000052
Figure BDA0003049940090000053
Figure BDA0003049940090000054
得到指向角(kx0,ky0)下的天线方向图电平值，其中：c1为比例常数。
根据双极化探头V极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图θ分量数值
Figure BDA0003049940090000055
H极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图θ分量数值
Figure BDA0003049940090000056
V极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图
Figure BDA0003049940090000057
分量数值
Figure BDA0003049940090000058
探头H极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图
Figure BDA0003049940090000059
分量数值
Figure BDA00030499400900000510
计算出待测天指修正值Δ(kx0,ky0)。
Figure BDA00030499400900000511
其中：kx0表示被测天线的kx指向值，ky0表示被测天线的ky指向值。
参阅图4。在发射天线方向图测试中，信号源发出信号经过被测天线后，到达双极化探头，然后送入移相器，移相器按照
Figure BDA00030499400900000512
进行移相经，移相后的信号经H极化合成器和V极化合成器送到接收机，在接收机中得到指向角(kx0,ky0)下的天线方向图电平值，m表示沿x方向探头编号，n表示沿y方向探头的编号。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种天线平面近场测试方法，其特征在于：在天线平面近场中，以dx和dy为间隔，分别沿x轴和y轴进行M行和N列行双极化探头布置，信号源发出信号，平面布置的双极化探头全电子化采样测试被测天线，将采样信号分别送到移相器中，移相器根据指向角度按照傅里叶变换的频移特性将每个双极化探头收到的信号送入移相器进行移相；经过移相器的信号送入H极化合成器和V极化合成器，分别合成H极化信号和V极化信号，将合成后的H极化信号和V极化信号送入接收机，在接收机收到两个极化的信号后消除探头效应，得到被测天线的远场方向图，实现在天线辐射近场区的测试和天线远场特性的模拟。
2.如权利要求1所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：被测天线以平面近场直角坐标xyz建立坐标系，以被测天线与双极化探头之间的距离为r0，建立双极化探头的直角坐标系为x’y’z’，双极化探头以dx、dy为间隔，分别沿平面近场直角坐标系xyz的x轴和y轴布置M列、N排双极化探头，在被测天线距离双极化探头阵列距离Z0的平面上形成网格，双极化探头在网格上特定的x，y坐标点处收集得到被测天线发射的信号。
3.如权利要求2所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：双极化探头以相邻采样间隔小于最高频率所对应波长λ的一半，在平面近场直角坐标系x和y向设传播系数间隔为：
Figure FDA0003049940080000011
在相互正交的x、y向的两个方向测量被测天线，在Z＝Z0平面上对被测天线发射的信号进行采样，被测天传播矢量为
Figure FDA0003049940080000012
Figure FDA0003049940080000013
Figure FDA0003049940080000014
kz＝k·cosθ
其中，Z0表示探头在Z轴的坐标值，
Figure FDA0003049940080000015
为单位传播矢量，kx、ky、kz表示传播矢量在x、y、z方向的分量，
Figure FDA0003049940080000016
表示x、y、z方向的单位矢量，λ为测试时所用信号的波长，θ为俯仰角，
Figure FDA0003049940080000017
为方位角。
4.如权利要求3所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：双极化探头按照采样定理进行近场采样，利用采样数据按照傅里叶变换频移特性，将经过每个探头的采样信号PB(m,n)进行移相，合成信号为I(kx0,ky0)。
5.如权利要求4所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：双极化探头根据沿平面近场直角坐标x方向探头的起始值mStart和结束值mstop＝mstart+M-1，沿平面近场直角坐标y方向探头n的起始值nStart、结束值：nStop＝nStart+N-1，得到双极化探头的合成信号：
Figure FDA0003049940080000018
Figure FDA0003049940080000021
Figure FDA0003049940080000022
式中，s表示自然数，s＝1,2,3…，PB(m,n)为第(m,n)个探头收到的信号电平，kx0表示被测天线的kx的取值，ky0表示被测天线的ky的取值，e是自然对数的底，j表示虚数单位，z0表示双极化探头平面在z轴的坐标值，m表示沿x方向双极化探头编号，n表示沿y方向双极化探头的编号，M表示x方向双极化探头的列数,N表示沿y方向双极化探头的行数。
6.如权利要求1所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：在天线平面近场测试中，双极化探头以x’y’z’为直角坐标系，y方向双极化探头行数为N，x方向双极化探头列数为M，y方向探头间隔为dy，x方向探头间隔为dx进行行列布置。
7.如权利要求1所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：信号源发出的信号经过V极化合成器的合成信号I(kx0,ky0)得到垂直极化分量Iv(kx0,ky0)，经过H极化合成器的合成信号I(kx0,ky0)得到水平极化分量IH(kx0,ky0)。
8.如权利要求7所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：根据双极化探头V极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图俯仰角θ分量数值
Figure FDA0003049940080000023
H极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图俯仰角θ分量数值
Figure FDA0003049940080000024
V极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图方位角
Figure FDA0003049940080000025
分量数值
Figure FDA0003049940080000026
探头H极化时的方向图在(-kx0,ky0)指向角度下的方向图方位角
Figure FDA0003049940080000027
分量数值
Figure FDA0003049940080000028
计算出待测天指修正值Δ(kx0,ky0)，且
Figure FDA0003049940080000029
其中：kx0表示被测天线的kx指向值，ky0表示被测天线的ky指向值。
9.如权利要求1或5所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：在接收天线方向图测试中，接收机根据俯仰角θ角度，方位角
Figure FDA00030499400800000210
角度，计算出被测天线指向值坐标(kx0,ky0)的俯仰角θ分量Eθ(kx0,ky0)和方位角Φ分量
Figure FDA00030499400800000211
且
Figure FDA00030499400800000212
Figure FDA0003049940080000031
得到指向角(kx0,ky0)下的天线方向图电平值，其中：c1为比例常数。
10.如权利要求6所述的天线平面近场测试方法，其特征在于：在发射天线方向图测试中，信号源发出信号经过被测天线后，到达双极化探头后送入移相器，移相器按照
Figure FDA0003049940080000032
Figure FDA0003049940080000033
进行移相，经H极化合成器和V合成器，在接收机处得到指向角(kx0,ky0)下的天线方向图电平值，其中，m表示沿x方向探头编号，n表示沿y方向探头的编号。
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