CN102576044A - 波导中的天线的特性确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定天线(8)的至少一种特性的方法，包括：a)将要确定至少一种特性的天线(8)放置在由波导(1)所包围的空间内；b)将电激励信号(u_tx(t))馈送至波导(1)的馈送连接器(4)；c)获取根据激励信号(u_tx(t))而由天线(8)所发射的电响应信号(u_rx(t))；d)根据响应信号(u_rx(t))的至少一部分和激励信号(u_tx(t))的相应部分来确定天线的至少一种特性，其中，响应信号(u_rx(t))的该部分是时域内所估计出的满足以下条件的时间段：i)在天线位置处仅存在由激励信号(u_tx(t))所引起并从馈送连接器(4)向着天线(8)传播的电磁场的一种或几种波；ii)在天线(8)的位置处的电磁场为TEM场。这使得能够节省时间又节约成本地确定天线的至少一种特性。本发明还涉及执行上述方法的测量装置。

Description

波导中的天线的特性确定

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的用于确定天线的至少一种特性的方法和根据权利要求16所述的用于相同目的的优选测量装置。

背景技术

天线的特性被理解为是指天线的例如个体参数、参数的时间曲线、或者诸如辐射图等的方向-频率相关特性等的任一种特性。已知的方法通常在频域内确定天线的这些特性数据。因而，利用频率发生器生成测试信号，以在待测的特定频率范围内进行所谓的频率扫描。因而，各频率在较短的时间段内保持恒定，直到该天线达到稳态条件为止。然后，对天线执行测量，以确定特性数据。

已知有例如基准天线法的方法，其需要诸如开口波导探测器或喇叭天线等的绝对定义辐射天线作为基准。这种方法的缺点在于：由于通常需要提供并连续测量多个基准天线，而这些基准天线表现出受限且相对较窄的有效带宽，因而测量相对耗时和/或成本高。另外，为了提供高纯度的极化，需要被精确制造且具有绝对特性的基准天线，因此成本相对高昂。因此，在很多情况下，这种支出是不合理的。另外，还已知有双天线法，其中，必须在无反射空间中以规定距离彼此相对地配置设计完全相同的两个天线。该方法存在个别情况下难以获得设计完全相同的两个天线的问题。另外，还已知有三天线法，其尽管能够得到良好的结果，但相对耗时、费力。

发明内容

因此，本发明是基于如下问题而作出的，即提供一种更合理的用于确定天线的至少一种特性的方法以及用于同样目的的测量装置。

该问题通过权利要求1和16所述的发明得以解决。从属权利要求描述了本发明优选的进一步发展。

本发明可具有实现方式简单的优势。在可应用于诸如波导等的广泛使用的测量装置方面也具有优势。本质上，只要能够提供足够的天线布置用空间并且至少有时在天线位置处提供TEM场，各种波导均可被认为适合应用本发明。TEM场是用来描述横向电磁场的术语，在该横向电磁场中，电场的场矢量与磁场的场矢量互相垂直并且这两个场矢量均垂直于传播方向。

因此，对于能够有利地用于进行本发明的方法的波导，可以考虑各种配置，例如包括上金属板和下金属板的平行板线，上金属板和下金属板包围能够放置待测天线的特定空间。为了进行本发明的方法，由波导所包围的空间不必是封闭空间；侧面部分地开口的空间也是可行的，在这种情况下，与诸如恒定宽度的同轴波导或纵向加宽的同轴波导等的封闭波导相比，所提供的对外部干扰的遮蔽相对较少。

TEM波导特别适合应用本发明，这是因为其有助于在天线位置处传播TEM场，这对于本发明的方法是有利的。特别地，使用TEM室也是有利的，TEM室是诸如广泛用于例如EMC测量(EMC＝电磁兼容性)领域的室。例如，可以使用Crawford室作为TEM室。使用GTEM室(GTEM＝千兆赫兹横向电磁模式)同样可以是特别有利的，这是因为其具有扩展的可用频率范围。这是一种加宽同轴波导形式的密闭金属遮蔽测量装置。GTEM室还以各种结构尺寸广泛地用于例如EMC测量，因此可容易地将其应用于本发明的应用中。

利用本发明，TEM室、尤其是GTEM室的应用范围扩展到包括可以确定天线的特性。本发明提出一种与在背景技术中所描述的已知方式相比完全不同的方法。根据本发明，将电激励信号馈送到波导的馈送连接器中。例如利用示波器或诸如频谱分析仪或网络分析仪(NWA)等的信号分析仪来记录作为激励信号的结果而由天线所发射的电响应信号。所述激励信号本质上可以是任意类型，例如单个激励脉冲、多个激励脉冲或与上述频率扫描中一样的频率序列。根据本发明，使用响应信号的至少一部分和激励信号的相应部分来确定天线的至少一种特性。由于该目的，使用响应信号的特定部分、即在时域内所估计出的满足以下条件的时间段：

i)在天线位置处仅存在由激励信号所引起并从馈送连接器向着天线传播的电磁场的一种或几种波(在下文中还称之为传播波)；

ii)在天线位置处的电磁场为TEM场。

TEM场可以沿着平面的和/或球面弯曲的波阵面(phasefront)进行传播。

因此，推荐使用在时域内所估计出的满足上述条件i)和ii)的时间段，这可以通过例如使用诸如GTEM室等的适当波导以及例如通过实验确定响应信号的适当时间段来实现。

通过上述条件i)，确保了分析用的响应信号部分不包含由诸如来自GTEM室后壁的反射等的反射波所引起的任意失真叠加。代替地，使用在天线位置处仅存在电磁场的传播波的时间段。这使得可以实现对天线特性的高精度测量和再现。

此外，根据上述条件ii)，使用在天线位置处的电磁场为TEM场的时间段。通过定义该时间段，可以从测量结果中消除由TEM特性引起的场的间歇性偏差所导致的测量失真，从而避免了测量结果的失真。场具有TEM特性这一情况的优点在于：该测量建立了与待测天线通常位于基准天线的远场的传统基准天线测量的场条件相对应的等同场条件。在待测天线位置处，基准天线远场是一种略微球面弯曲的TEM场，因而大致等同于自由空间测量中的实际平面条件。由于插片(septum)的抬角，GTEM室内的TEM场的波阵面也略微球面弯曲。

使用GTEM室的优点在于简化了对测量结果的分析，这归结于其特殊的性质。GTEM室具有作为脉冲响应的第一分量的狄拉克函数(参见IEEE出版物“Pulse Propagation in GigahertzTransverse Electromagnetic Cells”，Thye，Armbrecht，Koch)。因此，GTEM室没有因其自身的特性而使天线的响应信号产生失真。特别地，无需考虑GTEM特性与响应信号的卷积的影响。因而，响应信号变换为天线位置处的信号是在无失真(无分散)的情况下进行的。

在天线测量中使用GTEM室已经在过去得到了考虑和研究。尽管如此，在利用GTEM室所获得的测量结果与在自由空间中所获得的测量结果之间并没有建立足够精确的相关性。其原因一方面在于当待测天线用作发射天线时，其产生激励并且由于GTEM室内的场模式较高而导致寄生谐振，该寄生谐振在GTEM室的同轴连接器处转换成不确定的电压。另一方面，当待测天线用于接收时，又由于位于GTEM室后壁的室连接器的非理想吸收属性所引起的多模谐振现象，在待测天线位置处同样不可能提供在待测频率范围的绝大部分内保持恒定的场强。因而，最多仅可以获得对简单参数的粗略估计。

利用本发明，现在可将GTEM室用于更精确的天线特性的确定。

本质上，电激励信号与响应信号一样是时变信号。

根据本发明优选的进一步改进，频域信号可用作激励信号。频域信号是这样一种信号，在该信号中，由频率发生器生成测试信号，以使得在待测的特定频率范围内进行所谓的频率扫描，即相继设置离散的频率，由此各频率在短暂的时间段内保持恒定，直到天线达到稳态条件为止。

优选地，在激励信号的两个频率值的设置之间设置短暂的暂停，其中，对该暂停的长度进行设置，以使得波导内的电磁波可以衰减到不对下一次测量产生影响。然后，设置下一频率。

当频域信号用作激励信号时，将天线在施加激励信号期间的完整电压响应作为响应信号进行记录。例如通过逆傅立叶变换将当前所获得的包含多个馈送频率的响应信号从频域变换为时域。使用如下时间段来进一步确定时域内当前所存在的响应信息的特性，其中，在该时间段内，在天线位置处仅存在电磁场的传播波并且这些波作为TEM场而存在。例如，由于该目的，使用时域内位于时间轴的开始处的一部分响应信息，由此以实验方法来确定满足上述条件的持续时间。例如，可以基于天线相对于波导的反射性后壁的距离、电磁场的传播速度以及从在反射波到达之前的响应信息中所切出的分析用时间段，来估计反射波的预期时刻。

根据本发明优选的进一步改进，推荐将电激励脉冲、尤其是具有高频带宽的激励脉冲作为激励信号而馈送，并且将天线的响应信号作为时间曲线而进行记录。这允许在时域内直接确定出天线的特性，即时域内已存在分析响应信号所需的信息，从而无需进行时域内的变换。这意味着本发明的方法的实施特别简单。

使用具有高频带宽的激励脉冲的优点在于：当使用单个脉冲(也可能是多个脉冲)时，可以在较宽的频率范围、例如在天线的整个期望的接收范围内检测天线。通过使用激励脉冲，将多个频率、即包含在激励脉冲的频谱内的频率同时发射至天线。与已知的需要多个基准天线的天线特性确定方法相比，利用本发明的方法确定单个天线的特性要快得多。有利地，通过多次发射脉冲波形相同的脉冲，能够增加可达到的测量动态范围，例如通过对多次测量的结果进行平均化来消除噪声的影响。

根据本发明优选的进一步改进，高斯脉冲被作为激励脉冲而进行馈送。高斯脉冲是这样一种脉冲波形，在该脉冲波形中，振幅-时间曲线对应于或者至少类似于高斯正态分布曲线。高斯脉冲的优点在于使具有高频带宽的激励成为可能。

根据本发明优选的进一步改进，激励脉冲的上升沿相对陡峭。在激励脉冲的上升沿处，在小于1ns(纳秒)的时间内通过了激励脉冲的振幅的80％。上升沿陡峭使得能够实现激励脉冲的高频带宽。这样，甚至可以利用单个激励脉冲来测量整个频域具有至少500MHz带宽的超宽带天线(UWB天线)。这意味着本发明的方法特别省时。

实际上，本发明的方法使得快速可靠的天线测量成为可能，并且可以使用已在使用的尤其是工业应用中的诸如GTEM室等的波导来经济地执行这些天线测量。例如，可以使用存储示波器来记录测量数据。另外，仅需要一个具有未知特性数据的待测天线的样例，即不再需要额外的精确校准的基准天线。特别地，在天线原型更加复杂的情况下，这避免了耗费过大成本安装多个样例。

本发明的方法的进一步的优点包括：由于以在时域内分析时间段的形式对响应信号的一部分进行分析，使测量精度固有地得到了提升。对波在GTEM室内的传播的研究已经显示，尽管存在高频吸收器，仍会发生来自室后壁的非可忽略不计的反射，从而引起反射波(参见IEEE出版物“Pul se Propagation inGigahertz Transverse Electromagnetic Cells”，Thye，Armbrecht，Koch)。对于在每个单独的测量频率都必须至少在较短的时间段内保持恒定的频域内测量，在天线处必然发生传播波和反射波之间的叠加，这会使测量结果失真。通过本发明所推荐的时域内分析，可以在反射波到达天线之前记录关于天线的测量数据。这样，即使将频域信号用作激励信号，也可以避免由反射所引起的不期望的干扰影响。

根据本发明优选的进一步改进，在时域内记录响应信号。例如，可以使用存储示波器来执行所述记录。在时域内直接进行记录的优点在于：使对信号的分析以及对天线特性的确定变得简单。例如，响应信号可以直接表征天线的特性。在这种情况下，响应信号是例如电压-时间等的二维曲线，而天线领域的技术人员可从该曲线中推导出待测天线的特性。进一步的优点在于：由于仅需要将时间曲线形式的振幅值作为来自天线的响应信号进行发送并且无需参考相位，所推荐的时域内测量使得可以使用电光转换器来将响应信号从天线发送至测量装置。反过来，与传统的金属线缆相比，可以与光纤相结合地使用电光转换器的优点在于减小了天线附近的寄生场失真。

根据本发明优选的进一步改进，使用频域信号作为激励信号。这样做的优点在于：可以继续使用现有的用于天线测量的矢量网络分析仪。

根据本发明优选的进一步改进，使用网络分析仪来实施本发明的方法，即使用网络分析仪来生成激励信号并记录和分析响应信号。例如，网络分析仪可以通过软件功能的扩展来进行具体设置以实施本发明的方法。

根据本发明优选的进一步改进，在频域内以相位形式记录响应信号。这样，有利地，可直接记录天线的复数形式的响应变量的振幅和相位(矢量测量)。然后，频域内记录的响应信号可经由逆傅立叶变换变换至时域，并且用于进一步的分析。

根据本发明优选的进一步改进，可以进一步分析响应信号以确定特性。例如，可以根据响应信号来确定天线的频域特性。由于该目的，可将在时域内分析的天线响应的时间段变换至频域。例如，可以以这种方式来确定天线的诸如增益、方向特性和/或效率等的特性。与已知的在频域内确定天线特性的方法相比，根据本发明，可以利用一次测量来确定极宽的频带内、即非常宽的频率范围内的这些特性，尤其是在天线已由于电激励脉冲而同时被高频带宽所激发的情况下。

根据本发明优选的进一步改进，根据来自天线的响应信号来确定天线的发射特性。响应信号自身表示天线的接收特性的特点，这是因为响应信号关系到对由激励脉冲所触发的波的接收。然而，应用洛伦兹互易定理，还可以根据来自天线的响应信号、尤其是接收脉冲响应

来推导出发射信号、尤其是发射脉冲响应

这使得无需进行复杂的附加测量就可确定天线的发射性能。可以如下根据接收脉冲响应来确定发射脉冲响应：

其中，

和θ_i分别为与球坐标系的象限有关的天线方位坐标。

是方位角坐标，θ_i是仰角坐标。c₀是光速。

还可以根据接收侧的脉冲响应来推导频率范围特性。由于该目的，需要利用傅立叶变换将时域信号h_rx(t)变换为频域信号H_rx(ω)，其中ω表示角频率。天线的有效增益(还被称为“绝对增益”)存在如下的关系：

$G\left(\mathrm{\ω}\right)=4\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{\left(\begin{array}{cc}2\mathrm{\π}& c_0\end{array}\right)}\right)}^2{\left|H_{\mathrm{rx}}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2$

$=4\mathrm{\π}{\left|H_{\mathrm{tx}}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2.---\left(2\right)$

天线技术中的另一典型特性是天线有效面积。如下所示，天线有效面积与天线的有效增益直接相关联。

$A_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\left(\frac{\begin{array}{cc}2\mathrm{\π}& c_0\end{array}}{\mathrm{\ω}}\right)}^{2}G\left(\mathrm{\ω}\right)$

$={\left(\frac{\mathrm{\ω}}{\begin{array}{cc}2\mathrm{\π}& c_0\end{array}}\right)}^2{\left|H_{\mathrm{tx}}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2$

$={\left|H_{\mathrm{rx}}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2.---\left(3\right)$

上述等式示出了典型的时域特性(接收侧和发射侧的脉冲响应)和频域特性(有效增益和天线有效面积)之间的关系。这些等式明确了：接收侧的脉冲响应与天线有效面积直接相关联，而发射侧的脉冲响应与有效增益直接相关联。天线有效面积与有效增益之间的关系通过频率来建立。

“接收侧”(标记为“rx”)是指天线用来接收信号；“发射侧”(标记为“tx”)是指天线用来发射信号。

从上述特性出发，可以推导出诸如方向性、效率、IEEE增益以及群延迟等的更多特性。

根据本发明优选的进一步改进，激励信号的频带宽等于或大于待测天线的频带宽。有利地，这使得可以利用单个激励信号、尤其是单个激励脉冲来测量待测天线在整个频谱内的特性。

根据本发明优选的进一步改进，待测的天线是超宽带天线，尤其是具有至少500MHz频带宽的天线。可以发现，本发明的方法对测量带宽非常宽的天线尤其具有优势。

根据本发明优选的进一步改进，天线以能够在至少一个空间维度内移动或围绕至少一个转动轴转动的方式配置在波导内。例如，天线可通过相应的电驱动而能够围绕三个空间坐标轴转动。根据进一步的改进，在第一天线位置处确定天线的特性的第一值，并且至少在第二天线位置处确定天线的该特性的第二值。这使得可以迅速而简单地在多个天线位置处确定出一系列特性。实际上，这使得可以快速地确定天线的二维辐射特性和/或三维辐射特性。特别地，在使用GTEM室的情况下，利用具有纯双分量TEM场，通过使天线相对于传播方向转动90°，可以确定共极(co-polar)天线分量和跨极(cross-polar)天线分量的独立的、即无耦合的特性。

根据本发明优选的进一步改进，根据确定期望的特性所需的响应信号的持续时间和/或天线的尺寸来选择波导的尺度和/或天线沿波导的纵向在波导内的位置。例如，在GTEM室的情况下，当预计响应信号的持续时间相对较长时，与预计响应信号的持续时间较短时相比，天线被放置在距离GTEM室后壁相对较远的位置处，以通过这种方式来消除反射波的影响。在不可能将天线放置在距离GTEM室后壁较远的位置处的情况下，例如由于与GTEM室后壁的距离太小以致无法实现无失真测量，相应地应当选择更大的GTEM室。

根据本发明优选的进一步改进，将天线配置在波导内的如下位置处，在该位置处，笛卡尔双分量TEM场的相互正交的电场强度分量和磁场强度分量之间的比值尽可能地接近自由空间固有阻抗，其中，所述电场强度分量和所述磁场强度分量均与波导中电磁场的主传播方向正交。这防止了由于不期望的交叉极化耦合而产生的测量信号失真。

根据本发明优选的进一步改进，根据权利要求1所述的方法还包括以下步骤：通过测量来确定波导的特性数据。如IEEE出版物“Pulse Propagation in Gigahertz Transverse ElectromagneticCell s”，Thye，Armbrecht，Koch中对GTEM室所描述的那样，例如可以通过在波导中放置具有已知的特定特性数据的场传感器并馈送激励脉冲来确定波导的特性数据。与放置具有未知属性的待测天线不同，在该步骤中通过将场传感器用作基准来测量特定GTEM室或波导的未知特性。最终，通过利用所测量出的波导的特性数据对根据权利要求1所确定的天线的响应信号进行数学校正，以与波导的特性数据相结合的方式来根据天线的响应信号确定天线的特性。这进一步提高了本发明的方法的测量精度。可以以数学方式来消除由波导所引起的不期望的失真。

本发明还涉及一种用于确定天线的至少一种特性的测量装置，其被配置为进行上述方法。由于该目的，该测量装置可以例如包括：信号发生装置，用于生成激励信号；以及信号记录装置，用于记录响应信号和对所述响应信号的综合分析结果。本发明还包括单独的扩展装置，其被配置为根据上述方法来确定天线的至少一种特性。

所述测量装置或所述扩展装置的配置例如可以通过修改或扩展所讨论的装置的软件来实现。本发明的优选实施例涉及一种网络分析仪，其特别适用于进行上述方法。

附图说明

在下文中将参考实施例并结合附图对本发明进行更详细的说明，其中：

图1示出GTEM室的基本结构的透视图；

图2示出待测天线的样例的透视图；

图3示出利用GTEM室进行本发明的方法的测量结构的侧视图；

图4示出表示本发明的方法的影响因素的图；

图5以图表的形式示出GTEM室内的TEM场的主要场分量；

图6示出GTEM室的顶视图；

图7示出GTEM室的横向固有阻抗、具体为主要场分量的商的曲线；

图8示出示例性的激励脉冲；

图9示出天线的示例性的脉冲响应；

图10示出利用GTEM室进行本发明的方法的测量结构的另一实施例的侧视图；以及

图11示出标准增益喇叭天线的有效增益测量的测量结果。

在附图中，相同的附图标记用于相应的元件。

具体实施方式

以下，将GTEM室作为波导的例子进行说明。如图1所示，GTEM室1具有类角椎体的形状。GTEM室1具有横截面为矩形的金属外壳2。外壳2在远离角椎体的顶点的一侧上终止于后壁3。在后壁3的附近设置具有角椎体状的多个吸收器元件的高频吸收器7。板状的平面内导体5分散地配置在GTEM室1的内部。内导体5还被称为插片。在插片5与后壁3相邻的区域中设置阻抗区域6。通过阻抗区域6与高频吸收器7的结合，GTEM室1最终由于具有期望的特性阻抗而基本上无反射。

在GTEM室1内配置插片5以能够在GTEM室1的整个长度上实现保持恒定的50Ω特性阻抗。GTEM室1具有电同轴连接器4，作为同轴馈线以馈送信号。同轴连接器4的内导体从连接点连续地延伸至GTEM室1的插片5。同轴连接器4的外导体从连接点连续地延伸至GTEM室1的外导体、即延伸至金属外壳2。

图2示出了具体为锥形天线8的超宽带天线的样例。锥形天线8具有包括大致为半球形的上部区域9和大致为锥形的下部区域10的金属天线主体9、10。天线主体9、10由(虚线所示的)基座11所保持，其中，该基座11例如由有机玻璃构成。天线8的锥形区域10终止于天线连接器12，其中，该天线连接器12穿过并伸出基座11外。天线主体9与金属基板16一起构成了单极天线结构。

图3示出了用于进行本发明的方法的测量结构。在图3中，示出了GTEM室1的侧视图。脉冲发生器13连接至同轴连接器4。待测天线8配置在GTEM室1内。天线8经由线缆15与信号检测装置14相连接。信号检测装置14例如可被设计为存储示波器或瞬态记录仪。有利地，线缆15可以具体为光缆、即光波导。在这种情况下，用于将从天线8接收到的信号直接转换为光信号的电光转换器被直接连接至天线连接器12。然后，通过信号检测装置14附近的光电转换器将光信号顺次转换为电信号。

为了进行本发明的方法，将激励脉冲Ut_x(t)从脉冲发生器13馈送至GTEM室1。所形成的沿着天线8的方向传播的电磁波在某一时间点到达天线8并生成由信号检测装置14进行记录的响应信号U_rx(t)。

图4示出了在确定天线的特性时需要考虑的相互冲突的影响因素。第一个影响因素是GTEM室内的各个天线位置处的脉冲暂停时间。该脉冲暂停时间是在完整接收由激励脉冲所触发的发送至天线的传播波与开始接收反射波之间所经过的时间。在该脉冲暂停时间的时间间隔内，可以假定没有发生由于来自GTEM室后壁的反射而引起测量结果的失真。

第二个影响因素是来自天线的响应脉冲的预期长度。该预期长度必须与上述脉冲暂停时间一致，以使得例如在响应信号即将结束之际，不会由于反射波而对该响应信号的传播波施加干扰。

第三个影响因素是激励脉冲宽度、即激励信号的持续时间。激励信号的持续时间应当比上述脉冲暂停时间短得多，例如，可以使用以下所述的超宽带脉冲。

第四个需要考虑的影响因素是天线的尺寸，其应当与GTEM室的横截面具有合理的关联，以使得由天线的尺寸所引起的场失真变得可忽略不计。一般来说，以锥形天线为例，待测天线的位置附近的GTEM室的横截面积应至少是该天线在同一横截面中的横截面积的25倍，或者待测天线的位置附近的GTEM室的横截面积的大约5％是该天线在同一横截面中的横截面积。

图5在笛卡尔坐标系中以图表的形式示出了TEM场的主要场分量的理论曲线。与GTEM室1相关地定义该坐标系，以使得x轴向着GTEM室横向延伸、y轴沿着垂直方向延伸、并且z轴沿着纵向延伸。在图5中可以看出，磁场的场线H_x围绕着插片5延伸，其中，插片5在图5中与z轴一样垂直于纸面。电场的场线E_y沿着y方向的反方向延伸。TEM场沿着z轴方向传播。

图6示出了包括两个横截面(横截面1和2)的GTEM室1的顶视图中的地面连接坐标系(grounded-related coordinate system)的定位，其中沿着这两个横截面计算固有阻抗。

图7示出了针对沿着x′坐标选择作为示例的两个横截面(横截面1和2)所计算出的固有阻抗η_lin、具体为主要场分量的商。可以看出，在待测天线相对于GTEM室的横向的中心位置处(x′＝0)，获得阻抗η₀＝377Ω，这与自由空间的测量条件相对应；此外，TEM场有利地作为笛卡尔双分量TEM场(E_y，H_x)仅存在于该位置。在该位置处，单独确定天线8在正交极化天线特性方面的特性数据特别简单，这是因为通过将天线转动90°就可以在没有包含由跨极场分量所引起的失真的情况下测量共极场分量。

图8示出了激励脉冲u_tx(t)的例子。可以看出，激励脉冲相对陡峭，尤其是在其上升信号沿和下降信号沿。在所示的例子中，激励脉冲的振幅的瞬时值从最大所得振幅的10％达到最大所得振幅的90％所用的时间T 1仅为大约20ps。因此，在所示的例子中，这导致了48V/ns的信号沿陡度。这对应于大约20GHz的频带宽。

天线的响应信号被记录为电压曲线u_rx(t)。接收脉冲响应h^AUT _rx(t)通常通过在接收模式中到达天线的三个电场分量(E_x，E_y，E_z)与作为电压值而存在的天线的响应信号u_rx(t)相关联。因此，这种脉冲响应的单位通常被表示为[m]。响应信号u_rx(t)本质上包含以坐标系的不同坐标方向进行定向的脉冲响应矢量h^AUT _rx(t)＝(h_x(t)，h_y(t)，h_z(t))(AUT＝测试天线)的分量的叠加。如前所述，在波存在的情况下，波作为笛卡尔坐标中的纯双分量TEM场沿着GTEM室的中心轴进行传播，这使得x分量和z分量可忽略不计，从而可在无极化的情况下如下根据y分量推导出确定天线特性所需的脉冲响应h^AUT _rx，y(t)。

$h_{\mathrm{rx},\mathrm{TG},y}^{\mathrm{AUT}}\left(t\right)=\left(u_{\mathrm{TG},\mathrm{rx}}\left(t\right){*}^{-1}{u}_{\mathrm{tx}}\left(t\right)\right)\·\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}}}.$

其中，算子*^-1表示反卷积运算。值α_PL是GTEM室所使用的典型阻尼常数。标记“TG”表示其涉及响应信号的时间部分、即为了确定天线特性而被分析的时间段u_rx(t)，在该时间段内，响应信号仅包含传播波而不存在由反射所引起的干扰影响，并且天线位置处的电磁场为TEM场。

图9示出了天线的脉冲响应h^AUT _rx(t)的时间曲线。这里，在同一图中示出了三条曲线。确定曲线h^AUT _rx，REF(t)(几乎没有波纹)以验证使用双天线基准法的测量结果的可信性。另外两条曲线(具有较大波纹)示出通过本发明的方法所实现的两个锥形天线8的脉冲响应，这两个锥形天线8与双天线基准法所检测和使用的天线具有相同结构。可以看出，测出的曲线紧紧追随基准测量的曲线。如果有必要，可以从图9所示的脉冲响应中得出天线的进一步特性。为此，一方面，接收脉冲响应的时间曲线h^AUT _rx(t)可以变换成发射脉冲响应h^AUT _tx(t)，或者另一方面，可以例如利用傅立叶变换将接收脉冲响应或发射脉冲响应变换至频域，于是可以确定出天线的诸如增益、方向特性或效率等的相应频域特性。

图10示出了与图3所示的测量结构相类似的测量结构。与图3不同的是，设置了具体为网络分析仪的合成装置20，来代替单独的脉冲发生器13和信号检测装置14。网络分析仪20特别适用于生成典型的频域信号作为激励信号并且记录频域内的接收值、即响应信号的接收值。尽管根据图10的测量结构由于用作测量装置的网络分析仪20具有更高的动态范围而能够改进频域内测量，但根据图10的测量结构本质上与根据图3的测量结构相当。

根据图3的测量配置的信号记录和根据图10的测量配置的信号记录可能经由傅立叶变换而关联在一起。各自的测量范围有限的属性可能导致变换的偏差。因此，推荐在各个范围内执行开窗(windowing)、即在不同的频率范围内单独执行测量。优先考虑在相关范围内具有低处理损耗(在技术文献中还称为“处理增益”或“相干增益”)的窗。在频域内通过天线的工作范围来确定该相关范围，以及在时域内通过参考图8所述的时间间隔T1来确定该相关范围。矩形窗或所谓的“Tukey窗”特别适合于实现低处理损耗，其中，在由F.Harris发表的文献“On the use ofwindows for harmonic analysis with a discrete Fourier transform”，Proceedings of the IEEE，Vol.66，No.1，pages 51to 83，January1978中介绍了Tukey窗。根据该文献的参数设定，Tukey窗所提供的灵活性得到了提高。

图11示出了使用本发明的方法对“标准增益喇叭天线”执行测量的例子。使用Agilent制造的N5230A网络分析仪来生成并记录信号。使用S eavey工程联营有限公司制造的型号为S GA-50L的“标准增益喇叭天线”作为天线。将该天线放置于ENC O制造的型号为GTEM 5305的GTEM室中。喇叭天线的从天线到波导的转变发生在GTEM室的与GTEM室的馈送点4相距1.51m的中心处。

图11的实线示出了测量的结果，其中，沿以GHz为单位的频率轴示出了相对于无损耗各向同性基准辐射体的以dBi为单位的有效增益。虚线示出了由天线的制造商所声明的基准值。可以看出，在测量结果与制造商所规定的基准值之间存在微小的差异，并且，该差异落在＜±0.5dBi的范围内。该差异可以归因于时间间隔T 1有限的属性。例如，可以通过基于测量结果来确定平滑函数，从而获得与制造商的规定值更接近的测量结果。

Claims (16)

1.一种用于确定天线(8)的至少一种特性的方法，包括以下步骤：

a)将要确定至少一种特性的天线(8)放置在由波导(1)所包围的空间内；

b)将电激励信号(u_tx(t))馈送至所述波导(1)的馈送连接器(4)；

c)获取作为所述激励信号(u_tx(t))的结果而由所述天线(8)所发射的电响应信号(u_rx(t))；

d)根据所述响应信号(u_rx(t))的至少一部分和所述激励信号(u_tx(t))的相应部分来确定所述天线的至少一种特性，其中，所述响应信号(u_rx(t))的该部分是时域内所估计出的满足以下条件的时间段：

i)在所述天线(8)的位置处仅存在由所述激励信号(u_tx(t))所引起并从所述馈送连接器(4)向着所述天线(8)传播的电磁场的一种或几种波；以及

ii)在所述天线(8)的位置处的电磁场为TEM场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用激励脉冲作为所述激励信号(u_tx(t))，优选使用例如高斯脉冲的具有高频带宽的激励脉冲作为所述激励信号(u_tx(t))。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在时域内记录所述响应信号(u_rx(t))。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用频域信号作为所述激励信号(u_tx(t))。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在频域内以相位形式记录所述响应信号(u_rx(t))。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述响应信号(u_rx(t))来确定所述天线(8)的频域特性，优选确定所述天线(8)的增益、方向特性和/或效率。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述响应信号(u_rx(t))来确定所述天线(8)的发射特性。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述激励信号(u_tx(t))的频带宽等于或大于待测的所述天线(8)的频带宽。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述天线(8)的待测特性是能够确定的、与所述响应信号(u_rx(t))和所述激励信号(u_tx(t))的反卷积成比例的特性(h_rx(t))。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述波导是TEM波导，优选为TEM室或GTEM室。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述天线(8)是超宽带天线，优选为具有至少500MHz频带宽的天线。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述天线(8)以能够在至少一个空间维度内移动或围绕至少一个转动轴转动的方式配置在所述波导(1)内，并且在第一天线位置处确定所述天线(8)的特性的第一值，以及至少在第二天线位置处确定所述天线(8)的该特性的第二值。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，根据确定期望的特性所需的所述响应信号(u_rx(t))的持续时间和/或所述天线(8)的尺寸来选择所述波导(1)的尺度和/或所述天线(8)沿所述波导(1)的纵向在所述波导内的位置。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，将所述天线(8)配置在所述波导(1)内的如下位置处，在该位置处，笛卡尔双分量TEM场的相互正交的电场强度分量和磁场强度分量之间的比值尽可能地接近自由空间固有阻抗，其中，所述电场强度分量和磁场强度分量均与所述波导中的电磁场的主传播方向正交。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量确定所述波导(1)的特性数据，并且根据利用所述波导的特性数据进行了数学校正的所述响应信号(u_rx(t))来确定所述天线的特性。

16.一种用于确定天线的至少一种特性的测量装置，其中，所述测量装置被配置为进行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。

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