CN116559745A - 一种平面近场法天线测量中的扫描探头修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面近场法天线测量中的扫描探头修正方法，属于天线测量技术领域，包括以下步骤：步骤一、在待测天线的辐射近场区，进行平面近场扫描测量，得到一个平面上的待测天线近场幅度和相位数据；步骤二、将天线近场数据变换到天线远场；步骤三：测量扫描探头的增益和方向图；步骤四：将扫描探头的增益和方向图从共同结果中去除，得到待测天线的增益和远场方向图。本发明通过实测数据进行探头影响去嵌入，从共同结果中将探头影响去除，可以大幅度降低探头影响，有效修正增益和方向图测量结果；解决了探头影响的实际评估分析，对于提升平面近场法天线测量准确度具有至关重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及天线测量技术领域，具体涉及一种平面近场法天线测量中的扫描探头修正方法。
背景技术
天线是一种发射或接收电磁波的电子器件，用于实现自由空间电磁场和导波***电磁场之间的相互转换，是无线电设备中的关键部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程***，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线进行工作，无论民用还是国防领域，天线的应用都极其广泛。
影响天线性能的关键参数包括增益、交叉极化、辐射方向图等。其中辐射方向图反映了天线在空间不同方向上辐射或接收功率的强弱，通常对最大值做归一化，是一个三维的立体图，很多重要的天线参数如相位中心、主瓣半功率波束宽度(HPBW)等都可以根据三维辐射方向图得到。
三维辐射方向图虽然仅涉及到相对值，然而要想准确地测量却并非易事，尤其是对于超低副瓣天线、测量第一零点波瓣宽度等，此时远场测试已不再适用，可以采用近场测量方法。所谓近场测量是在天线辐射近场区域实施，利用一个特性已知的探头，通过采集辐射近场区域某一面上的电场信息，经过严格的数学计算可以推知待测天线的远场特性。
按照扫描方式不同，常用的近场测量***可以分为平面近场***，柱面近场***和球面近场***。平面近场***的扫描面是一个平面，尤其适用于增益>15dBi的定向天线、阵列天线等。这类天线在用数量大，是目前最受关注的天线类型。因此平面近场扫描技术得到了越来越广泛的应用，我国已经建立了100多套平面近场测量***，并且数量还在继续增加。
对于辐射方向图测量，NIST早在上世界80年代就通过论文报告了平面近场扫描***18项误差的分析结果，在近场测量领域具有较高的水平。韩国标准科学研究院(KRISS)也具有平面近场扫描天线辐射方向图测量能力。
对于平面近场测量***，18项误差中有4项和作为接收信号的关键部件——开口波导探头有关。在平面近场法测量中，采用直接法计算待测天线的增益需要用探头的增益值，而要得到待测天线的方向图，需要使用探头的方向图对近远场变换后的数据进行补偿和修正。因此探头的量值对于平面近场天线测量结果会产生很大的影响，也是不确定度来源中的最重要分量。
目前在用全部平面近场***中均采用仿真值作为探头修正，理想化的数据无法考虑实际情况的差异，因此本方法讨论一种基于准确实验数据进行修正的方法。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中平面近场天线测量扫描探头对待测天线增益、方向图图测量结果的影响评估的问题，提出一种平面近场法天线测量中的扫描探头修正方法，该方法基于准确实验数据进行修正。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种平面近场法天线测量中的扫描探头修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在待测天线的辐射近场区，使用两个正交扫描探头进行平面近场扫描测量，得到距离待测天线一定距离的平面上的待测天线近场幅度和相位数据；
步骤二、将天线近场数据变换到天线远场；
步骤三、测量扫描探头的增益和方向图；
步骤四、将扫描探头的增益和方向图从共同结果中去除，得到待测天线的增益和远场方向图。
进一步地，待测天线为发射天线，扫描探头为开口波导形式，该扫描探头在距离待测天线3至10个波长的距离的一个平面上按照一定间隔进行移动，用来采集待测天线辐射近场处的场分布，包含场幅度和场相位。
进一步地，步骤一中，两个正交扫描探头接收处的传输方程分别为:
b′0(P)＝F′a0∫t10(K)·s′02(K)eiγdeiK·PdK；
b″0(P)＝F″a0∫t10(K)·s″02(K)eiγdeiK·PdK；
其中，b′0(P)和b″0(P)分别是两个正交的探头的输出；P是在z＝d平面上的x，y位置矢量；a0是待测天线的输入功率；F′和F″分别是两次探头和负载之间的阻抗修正系数；s′02(K)和s″02(K)分别代表两个探头的平面波接收系数(PWRC)；K是波数矢量k的在xy平面上的分量，γ是波数矢量k在z方向的分量幅度，i是虚数单位。
进一步地，步骤二中，将天线近场数据变换到天线远场采用傅里叶变换得到角谱D′(K)和D″(K)：
其中，P0为参考点，并且和/>和/>
进一步地，步骤四中，通过探头测量得到待测天线的主极化分量为
其中，s′02(K)和s″02(K)分别代表两个探头的平面波接收系数(PWRC)；ρ′s(K)和ρ″s(K)为两个探头的修正系数；m为主极化分量，c为交叉极化分量。
进一步地，步骤四中，通过探头测量得到待测天线的交叉极化分量为
进一步地，待测天线增益的计算公式为：
其中：G(K)代表增益，是自由空间中的平面波导纳；t10(K)为待测天线的平面波传输系数(PWTC)；K是波数矢量k的在xy平面上的分量，/>γ为波数矢量k在z方向的分量幅度；η0是传输线中的特性导纳；Γa是天线的反射系数；
进一步地，待测天线方向图的计算公式为：
其中，是具有横向分量R的位置矢量/>
进一步地，步骤三中，采用三天线外推法对探头进行增益测量，采用远场法对探头进行方向图测量。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过实测数据进行探头影响去嵌入，从共同结果中将探头影响去除，可以大幅度降低探头影响，有效修正增益和方向图测量结果；
2、相对于传统方法具有准确度高的优点；
3、解决了探头影响的实际评估分析，对于提升平面近场法天线测量准确度具有至关重要的意义。
附图说明
图1为平面近场法测量***示意图；
图2为测量的探头幅度方向图一(12.4GHz水平分量)；
图3为测量的探头幅度方向图二(12.4GHz垂直分量)；
图4为测量的探头幅度方向图三(14.9GHz水平分量)；
图5为测量的探头幅度方向图四(14.9GHz垂直分量)；
图6为测量的探头幅度方向图五(17.9GHz水平分量)；
图7为测量的探头幅度方向图六(17.9GHz垂直分量)；
图8为本发明不同距离下的测量和仿真方向图比较图；
图9为本发明中测量和仿真的探头方向图对待测天线方向图的影响比较图一(E面)；
图10为本发明中测量和仿真的探头方向图对待测天线方向图的影响比较图二(H面)；
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的其他步骤或单元。
实施例1
本发明提供了一种平面近场法天线测量中的扫描探头修正方法，包括以下步骤：
步骤一、在待测天线的辐射近场区，使用探头进行平面近场扫描测量，得到距离待测天线一定距离d的平面z上的待测天线近场幅度和相位数据，如图1所示。
优选的，发射天线为待测天线，探头为开口波导形式，两个正交探头在距离待测天线3至10个波长的距离的一个平面上按照一定间隔进行移动，用来采集待测天线辐射近场处的场分布，包含场幅度和场相位。
两个探头接收处的传输方程分别为:b′0(P)＝F′a0∫t10(K)·s′02(K)eiγdeiK·PdK和b″0(P)＝F″a0∫t10(K)·s″02(K)eiγdeiK·PdK。
b′0(P)和b″0(P)分别是两个正交的探头的输出；P是在z＝d平面上的x，y位置矢量；a0是待测天线的输入功率；F′和F″分别是两次探头和负载之间的阻抗修正系数；s′02(K)和s″02(K)分别代表两个探头的平面波接收系数(PWRC)；K是波数矢量k的在xy平面上的分量，γ为波数矢量k在z方向的分量幅度，i为虚数单位。
步骤二、将天线近场数据变换到天线远场；
将天线近场数据变换到天线远场采用傅里叶变换得到角谱D′(K)和D″(K)。
其中，P0为参考点，通常为中心点，并且和/> 和
步骤三、测量扫描探头的增益和方向图；
具体的，对探头进行增益测量，采用的方法是三天线外推法，配对用2只天线采用MI12-12天线。三天线外推法是一种广义的天线增益测量方法，通过数字滤波和多项式拟合得到探头无穷远处的增益。对探头进行方向图测量采用的方法是远场法。
步骤四、将扫描探头的增益和方向图从共同结果中去除，得到待测天线的增益和远场方向图。
优选的，通过探头测量得到待测天线的主极化分量为：
其中，s′02(K)和s″02(K)分别代表两个探头的平面波接收系数(PWRC)；
ρ′s(K)和ρ″s(K)为两个探头的修正系数；m为主极化分量，c为交叉极化分量。
通过探头测量得到待测天线的交叉极化分量为：
待测天线的增益计算公式为：
其中，G(K)代表增益，是自由空间中的平面波导纳，η0是传输线中的特性导纳；Γa是天线的反射系数。
待测天线的方向图计算公式为：
其中：是具有横向分量R的位置矢量/>待测天线的平面波传输系数(PWTC)为t10(K)，K是波数矢量k在xy平面上的分量，/>k在z方向的分量幅度为γ。
实施例2
在平面近场天线测量技术中，近远场变换后的远场数据中不仅包含了天线的参数信息，也包含了采样探头的参数信息。要得到准确的天线参数，需要将探头的特性从近远场变换后的D′(K)和D″(K)中剔除掉。
探头的方向图在天线的方向图测量中需要进行修正，而探头的增益在直接法天线增益测量中使用。利用水平和垂直扫描区域在1.5m范围的便携式平面近场天线测量中的ku波段开口波导探头的修正实施本方法。
探头方向图的测量采用暗室中的远场法。测量距离为3m，在方位向扫描范围0到180度，扫描间隔为0.5度，极化向扫描范围为0到157.5度，扫描间隔为22.5度。在每个由方位角θ和极化角Ф确定的位置点采集两个正交分量的方向图数据，见附图2至附图7。测量距离的选取对于测量结果的影响，对比仿真值的结果，见说明书附图8。
探头增益的测量采用三天线外推法技术，配对用2只天线采用MI12-12天线，仿真和测量结果见表1。
用仿真和测量探头数据进行探头修正的结果见表2和附图9-10。可见传统仿真值对于测量结果的影响量较大，有些频点超过0.5dB，这对于天线测量结果来说影响较大，若采用本方法，将会大幅降低测量不确定度。
表1测量和仿真的探头增益值
表2采用测量和仿真值的天线增益值
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种平面近场法天线测量中的扫描探头修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在待测天线的辐射近场区，使用两个正交扫描探头进行平面近场扫描测量，得到距离待测天线一定距离的平面上的待测天线近场幅度和相位数据；
步骤二、将天线近场数据变换到天线远场；
步骤三、测量扫描探头的增益和方向图；
步骤四、将扫描探头的增益和方向图从共同结果中去除，得到待测天线的增益和远场方向图。
2.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，待测天线为发射天线，扫描探头为开口波导形式，该扫描探头在距离待测天线3至10个波长的距离的一个平面上按照一定间隔进行移动，用来采集待测天线辐射近场处的场分布，包含场幅度和场相位。
3.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，步骤一中，两个正交扫描探头接收处的传输方程分别为:
b′0(P)＝F′a0∫t10(K)·s′02(K)eiγdeiK·PdK；
b″0(P)＝F″a0∫t10(K)·s″02(K)eiγdeiK·PdK；
其中，b′0(P)和b″0(P)分别是两个正交的探头的输出；P是在z＝d平面上的x，y位置矢量；a0是待测天线的输入功率；F′和F″分别是两次探头和负载之间的阻抗修正系数；s′02(K)和s″02(K)分别代表两个探头的平面波接收系数(PWRC)；K是波数矢量k的在xy平面上的分量，γ是波数矢量k在z方向的分量幅度，i是虚数单位。
4.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，步骤二中，将天线近场数据变换到天线远场采用傅里叶变换得到角谱D′(K)和D″(K)：
其中，P0为参考点，并且和/> 和/>
5.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，步骤四中，通过探头测量得到待测天线的主极化分量为
其中，s′02(K)和s″02(K)分别代表两个探头的平面波接收系数(PWRC)；ρ′s(K)和ρ″s(K)为两个探头的修正系数；m为主极化分量，c为交叉极化分量。
6.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，步骤四中，通过探头测量得到待测天线的交叉极化分量为
7.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，
待测天线增益的计算公式为：
其中：G(K)代表增益，是自由空间中的平面波导纳；t10(K)为待测天线的平面波传输系数(PWTC)；K是波数矢量k的在xy平面上的分量，/>γ为波数矢量k在z方向的分量幅度；η0是传输线中的特性导纳；Γa是天线的反射系数。
8.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，待测天线方向图的计算公式为：
其中，是具有横向分量R的位置矢量/>
9.根据权利要求1所述的平面近场法天线测量用扫描探头修正方法，其特征在于，步骤三中，采用三天线外推法对探头进行增益测量，采用远场法对探头进行方向图测量。
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