CN102445599A

CN102445599A - 一种阵列天线方向图的频域测量方法

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Publication number: CN102445599A
Application number: CN2011103641102A
Authority: CN
Inventors: 赵德双; 徐艳清; 臧锐; 王秉中
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: CN102445599B

Abstract

一种阵列天线方向图的频域测量方法，属于天线技术领域。本发明首先对阵列天线单元方向图测量，利用均匀平面波照从不同角度(θ，φ)照射阵列，利用矢量网络分析仪获取阵列各个阵列单元在平面波照射下的频域响应

得到该频率响应便是阵列单元在等幅同相激励下的方向图

最后利用数字信号处理技术，应用阵列天线单元方向图叠加原理，合成任意给定激励下的阵列方向图

本发明：1)在阵列环境下进行，有利于阵列方向图的精确合成；2)可以测量出阵列在任意给定激励下的方向图；3)还可综合出阵列扫描增益方向图，更有利于获取最大增益分布区域和扫描盲点分布。本发明具有操作简单、测试效率高的特点，同时还大大缩减了对场地要求，降低了测试成本。

Description

一种阵列天线方向图的频域测量方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及阵列天线方向图测量技术，特别涉及阵列天线方向图的频域测量方法。

背景技术

随着现代通信技术的不断进步，天线技术也得到了较快的发展。其中，阵列天线以其馈电激励源多样性、扫描形式灵活性、利于共形设计和智能化管理等特点，得到了越来越广泛的应用。

目前对于阵列天线方向图的测量，大致可分为近场测试、远场测试和紧缩场测试三种。

(1)远场测试。由位于远场的发射天线发射电磁波，发射电磁波近似为平面波形式照射到待测阵列天线，从而在待测阵列天线端口处检测出阵列天线的接收方向图。但是该方法要求发射天线和接收天线之间的距离大于r＝2D²/λ(其中r是测试场收发天线之间的距离，D是待测阵列天线的最大口径，而λ是测试频率的波长)，对测试场和测试成本要求很高；其次，每次测量只能获取一种激励形式下的阵列方向图，而对于多激励形式的阵列天线，其阵列方向图测试较为艰难。如文献“Far Field Pattern Analysis and Measurement of A Digital BeamForming 8x8 Antenna Array Transmitting from 29.5 to 30GHz(S.Holzwarth，O.Litschke，W.Simon，K.Kuhlmann，A.F.Jacob，Proc.2nd European Conference on Antennas and Propagation-EuCAP 2007，Edinburgh，Nov.2007，Paper Tu1.3.1)”中提到了对阵列天线方向图的测量方法。对于不同的激励形式需要分别测量，降低了测试的效率，但是需要对阵列的馈电网络进行设计和控制，提高了测试的复杂度。

(2)紧缩场测试。该方法利用反射面在一个相对较小的空间的产生远场测试所需要的平面波，减小了远场测试所需要的空间，但由于该方法每次测量依然只能获取一种激励形式下的阵列方向图，无法降低多种激励的阵列方向图测试难度。如文献“A New Compact RangeFacility for Antenna and Radar Target Measurements(M.W.Shields and A.J.Fenn，LincolnLaboratory Journal，Vol.16，No.2，2007)”介绍了汉斯科姆空军基地林肯实验室的一套紧缩场测试设备，主要包括吸波暗室、反射器、天线发射源和移动用机械装置。该套紧缩场测试设备能够在400MHz到100GHz频段内实现阵列天线方向图的测量。但紧缩场测试设备只能测试天线的接收方向图，对于特定激励分布下的天线阵列并不适用。

(3)近场测试。包含两种方式：一种是指在待测阵列天线被激励的情况下，利用近场探针获取待测阵列天线的近场辐射方向图，再通过惠更斯原理计算其远场发射方向图。该测量方式的优点在于所需的测量场地较小，但也存在多种激励的阵列方向图测试难的问题；另一种是，每次对一个单元激励，剩余单元终端匹配的情况下，在近场测试阵列该单元的发射方向图。通过多次测量，分别获得每个单元的方向图，再应用叠加原理得到指定激励分布下得阵列方向图。很明显，该方式有利于多种激励分布下的阵列方向图测量，有效地解决了扫描、相控阵在测试难题。但该方式存在操作上的难题，每个单元发射方向图的测试过程都需要手动变换激励端口和匹配端口，一次操作只能实现一个单元的方向图测试，给单元数目较大的阵列测试过程带来不便。

文献“Time Reversal Based Broadband Synthesis Method for Arbitrarily StructuredBeam-Steering Arrays(Deshuang Zhao，Yuanwei Jin，Bingzhong Wang，Rui Zang，IEEETransactions on Antenna Propagation，2011)”介绍了一种平面波频域响应单元方向图的相关概念及其应用价值。该种单元方向图充分考虑了阵列环境和电磁散射等因素的影响，能准确地反映工作状态下各单元的电磁辐射特性。而且，在测量过程中可以同时得到各单元间的相位差，有利于整个阵列方向图的合成。但该文献并没有给出平面波频率响应单元方向图的具体测量方法和测试系统方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有阵列天线方向图测量方法(系统)中的测试工作繁复、测试场地占用空间大的缺陷，提供一种阵列天线方向图的频域测量方法。该方法能快速、高效地完成多种激励形式、多个单元的阵列方向图的测量，同时大大缩减了对场地的要求，降低了测量成本。

本发明采用阵列单元接收方向图测量法和信号处理方法相结合的技术，首先利用紧缩场装置，产生均匀平面波照射于阵列天线，一次测量出阵列天线各个天线单元的接收方向图；然后利用阵列方向图叠加原理，使用数字信号处理方法，合成出多种激励形式下的阵列方向图。

本发明技术方案为：

一种阵列天线方向图的频域测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在微波暗室环境中，利用矢量网络分析仪产生频域信号，该频域信号经照射天线向金属反射面发射并由金属反射面反射形成紧缩场平面波，利用该紧缩场平面波照射待测阵列天线。所述照射天线可采用喇叭天线，位于金属反射面焦点附近；所述金属反射面可采用双曲面形金属反射面。

步骤2：利用矢量网络分析仪，测量在紧缩场平面波到待测阵列天线的初始入射角度(θ₀，φ₀)下，待测阵列天线各个阵列单元的散射系数值S₂₁，记为

其中n＝1，2，3，....N，N为待测阵列天线的阵列单元总数。

步骤3：改变紧缩场平面波到待测阵列天线的入射角度，记录紧缩场平面波到待测阵列天线的入射角(θ_i，φ_j)，结合步骤2测量每个入射角下待测阵列天线各个阵列单元的散射系数值S₂₁，记为

步骤4：由于每个入射角下待测阵列天线各个阵列单元的散射系数值

就是待测阵列天线第n个阵列单元的在入射角下(θ_i，φ_j)的频率响应即

所以由待测阵列天线第n个阵列单元的频率响应

得到待测阵列天线第n个阵列单元的方向图

步骤5：利用公式：

合成任意给定激励下的待测阵列天线的方向图其中

为待测阵列天线设计时给定的第n个阵列单元的激励加权值，且

其中|a_n|为幅度加权值，为相位加权值。

上述技术方案中：步骤3改变紧缩场平面波到待测阵列天线的入射角度的方式可以是：固定步骤1中所述紧缩场平面波在微波暗室中的位置关系而改变待测阵列天线阵列在微波暗室中的位置关系；也可以是：固定待测阵列天线阵列在微波暗室中的位置关系而改变步骤1中所述紧缩场平面波在微波暗室中的位置关系。其中改变待测阵列天线阵列在微波暗室中的位置关系的具体方式可以是：将待测阵列天线阵列固定在一个旋转平台上，该旋转平台采用步进电机控制，能够实现水平方向和垂直方向0～360度的旋转。

本发明采用阵列单元接收方向图测量法和信号处理方法相结合的技术实现阵列天线方向图的测量。首先对阵列天线单元方向图测量，利用均匀平面波照从不同角度(θ，φ)照射阵列，利用矢量网络分析仪获取阵列各个阵列单元在平面波照射下的频域响应

由互易原理可知，该频率响应便是阵列单元在等幅同相激励下的方向图

其中，需要特别指出的是，本发明提供的单元接收方向图是在阵列环境中测量的，其考虑到了阵列单元之间的互耦性和阵列平台的散射特性。因此，相对于单元独立环境下测量的接收方向图，它更有利于阵列方向图的合成。另外，本发明在合成任意给定激励下的待测阵列天线的方向图

时，各个阵列单元的加权值采用的是待测阵列天线设计时给定的激励加权值，并非实际阵列天线中馈电前端的相移网络电路产生的激励加权值，因为现有微带电路设计技术的设计精准度足可以保证馈电前端的相移网络电路产生的激励加权值与设计时给定的激励加权值一致(误差较小)，因此本发明剔除了馈电前端的相移网络电路，避免了复杂庞大的相移网络电路对阵列方向图测试带来的干扰，具有操作简单、测试效率高的特点，同时还大大缩减了对场地要求，降低了测试成本。

综上所述，本发明的有益效果在于：

1.本发明采用的是阵列单元接收方向图测量法和数字信号处理技术相结合的方法，可以测量出阵列在任意给定激励下的方向图，而不再是单一激励下的方向图。

2.本发明单元方向图测试是在阵列环境下进行，因此更有利于阵列方向图的精确合成。

3.本发明采用数字信号处理技术还可综合出阵列扫描增益方向图，更有利于获取最大增益分布区域和扫描盲点分布。

4.本发明采用的照射源天线和金属反射面构成一个紧缩场装置，相对远场测量而言，大大缩减了阵列方向图测量场地。

附图说明

图1为本发明所述的阵列综合测量法系统方案的结构图。

图2为验证本发明所述方法正确性所进行的实施例偶极子线型阵列。

图3实施例中，通过本发明所述方法确定的得到的阵列中第5个单元的2D水平面平面波频域响应单元方向图和直接激励该单元所得到的水平面单元方向图的对比图，测量频点为4GHz。

图4为验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，通过本发明所述方法确定的特定激励分布下阵列的水平面方向图和直接仿真结果的对比图。

附图标号说明：1是微波暗室，2是金属反射面，3是照射天线，4是矢量网络分析仪，5是旋转平台，6是待测阵列天线，7是同轴线，8是开关系统。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例中我们使用的阵列模型共包含有10个偶极子单元，各偶极子阵列单元等间距的线性排布，单元间间距为d＝45mm。模型中所用偶极子阵列单元半径r＝1mm，由上下两段长为l＝20mm的金属圆柱构成，上下圆柱间隔h＝1mm，其间隔部分为馈电端口。本实施例以图4所示线型偶极子阵列为例进行实验，源信号频率为4GHz。

按照本发明所述的方法，利用平面波对该阵列进行照射。在水平面上，从

开始，每隔0.5°照射一次，对各单元的平面波频率响应测量，并记录相应值的幅度和相位数据，直到

取第5个单元在方向下的频域响应的幅值数据进行最大值归一化处理，得到的归一化方向图，如图5所示。同时为了验证本发明的正确性，实验按照现有有源阵元方向图测量法，对阵列单元5单独激励，其他单元终端匹配情况下测量其归一化方向图。如图3所示，两种测试方法得到的对比曲线中可以看出，方向图基本一致，符合预期结论。

利用本发明所述阵列方向图综合方法，计算任意给定激励下的阵列方向图。以如表1的激励

为例，采用数字信号处理技术综合得到的阵列水平面方向图如图5所示。图5同时给出了在表1的激励分布下，通过与基于有源阵元方向图阵列方向图测量法所得到阵列方向图相比较，发现两者结果一致，证明了本发明所述方法的正确性。

表1 实施例中激励源分布表

Claims

1.一种阵列天线方向图的频域测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在微波暗室环境中，利用矢量网络分析仪产生频域信号，该频域信号经照射天线向金属反射面发射并由金属反射面反射形成紧缩场平面波，利用该紧缩场平面波照射待测阵列天线；

其中n＝1，2，3，....N，N为待测阵列天线的阵列单元总数；

就是待测阵列天线第n个阵列单元的在入射角下(θ_i，φ_j)的频率响应

即

所以由待测阵列天线第n个阵列单元的频率响应

得到待测阵列天线第n个阵列单元的方向图

步骤5：利用公式：

合成任意给定激励下的待测阵列天线的方向图

其中

为待测阵列天线设计时给定的第n个阵列单元的激励加权值，且其中|a_n|为幅度加权值，为相位加权值。

2.根据权利要求1所述的阵列天线方向图的频域测量方法，其特征在于，步骤3改变紧缩场平面波到待测阵列天线的入射角度的方式为：固定步骤1中所述紧缩场平面波在微波暗室中的位置关系而改变待测阵列天线阵列在微波暗室中的位置关系。

3.根据权利要求2所述的阵列天线方向图的频域测量方法，其特征在于，改变待测阵列天线阵列在微波暗室中的位置关系的具体方式为：将待测阵列天线阵列固定在一个旋转平台上，该旋转平台采用步进电机控制，能够实现水平方向和垂直方向0～360度的旋转。

4.根据权利要求1所述的阵列天线方向图的频域测量方法，其特征在于，步骤3改变紧缩场平面波到待测阵列天线的入射角度的方式为：固定待测阵列天线阵列在微波暗室中的位置关系而改变步骤1中所述紧缩场平面波在微波暗室中的位置关系。

5.根据权利要求1至4中任一所述阵列天线方向图的频域测量方法，其特征在于，步骤1中所述照射天线为喇叭天线，位于金属反射面焦点附近。

6.根据权利要求1至4中任一所述阵列天线方向图的频域测量方法，其特征在于，步骤1中所述金属反射面为双曲面形金属反射面。