CN102768309B - 采用频率差分技术消减天线测试环境中多径干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用频率差分技术消减天线测试环境中多径干扰的方法，技术特征在于：在步进频率测试的基础上，频率差分法考察频域响应中各频点的幅度和相位，对于相邻频率的两组测试数据，由于频率间隔很小（如2MHz），可近似认为两组数据幅度是相等的，而相位会有较大差别。通过分析测试系统相位传递关系，考察相邻频点直达波和多径信号相位改变量的不同。采用本发明的频率差分技术，可将直达信号从频域响应中分离出来，达到去除多径干扰的目的。

Description

采用频率差分技术消减天线测试环境中多径干扰的方法

技术领域

本发明属于天线测试领域，具体涉及一种利用频率差分技术在天线测试环境中消除多径干扰信号，提高测量天线参数（包括方向图和增益、以及其它参数）精度的使用方法。

背景技术

衡量一付天线的实际辐射性能，需通过精确的测量。测试环境中（微波暗室或开阔场）存在多径干扰，在常规的频域测量中，主瓣波束在指向侧壁时形成的强反射会抬高副瓣电平；当吸波材料的性能不够理想时，来自侧壁、后墙的多径干扰信号会严重影响测试精度。尤其在低频段，这种现象更加明显。

微波暗室内，随着测试频段的降低，侧壁的多径反射增强，导致天线方向图的测试精度难以达到±1dB；100MHz以下频段恶化到±2dB以上。在外场测试时，由于外部环境的不可控，多径干扰更加严重。对于高增益、低副瓣天线情况更加严重。

发明内容

基于以上情况，本发明提出一种利用频率差分技术，消除多径干扰对测试结果的影响。在步进频率测试的基础上，频率差分法考察频域响应中各频点的幅度和相位，对于相邻频率的两组测试数据，由于频率间隔很小（如2MHz），可近似认为两组数据幅度是相等的，而相位会有较大差别。通过分析测试系统相位传递关系，考察相邻频点直达波和多径信号相位改变量的不同。采用本发明的频率差分技术，可将直达信号从频域响应中分离出来，达到去除多径干扰的目的。

技术方案

步骤1搭建天线测试系统：发射端的辅助天线与测试端的被测天线位于同一高度，且位于同一轴线；

步骤2：根据被测天线工作频段，设置矢量网络分析仪的测试起止频率和频率间隔△f，△f应小于10MHz，建议置于1MHz。在测试距离为d时，天线测试系统的频域响应为S′₂₁；

步骤3：建立直达波信号与多径干扰波的干涉模型：其中，|(S₂₁)_d|为直达波信号的幅度，为直达波信号的相位，|(S₂₁)_r|为多径干扰信号的幅度，为多径干扰信号的相位；由信号在天线测试系统中的传递关系可以得到：

式中:

G_t:发射天线的增益；

G_r：接收天线的增益；

接收天线的归一化电场方向图；

L₁(f)、L₂(f)：分别为天线测试系统中连接辅助天线、被测天线电缆的损耗；

c：光速；

r：多径的距离；

d：辅助天线与被测天线的距离；

a：多径干扰和直达波的夹角。

步骤4：相邻两个频点对应的自由方向衰减和电缆损耗相差很小，令|(S′₂₁(f))_d|≈|(S′₂₁(f+△f))_d|＝a，|(S′₂₁(f))_r|≈|(S′₂₁(f+△f)_r|＝b，则相邻两个频点的频域响应可分别表示为：

式中：l₁，l₂为分别连接辅助天线，被测天线的电缆长，ε_r为电缆l₁、l₂的介电常数；a,b为常量。S′₂₁(f+△f)，S′₂₁(f)由步骤（2）测量获得。△f已知，l_d，d可测。仅r未知。

由公式（1）联立求解，可分离出频率为f时的多径信号为：

直达信号为：

步骤5：为了求出式（2）、（3）中多径干扰信号的波程r，首先假定其距离为式中：w为反射端的辅助天线与测试端的被测天线轴线与暗室侧壁的距离。可以得到：

式中：为多径为r₀时第i个频点由（3）式求得的相移值；

步骤6：对求平均得到多径的真值把多径距离代入式（4）可以求得直达信号的频域相应值。

有益效果

通过分析天线测量环境中直达信号与多径干扰信号之间的关系，采用频率差分法，将直达信号从频域响应中分离，从而可以消减多径干扰对天线参数测试结果的影响，得到更为精确的天线测试数据。对高增益、低副瓣天线的参数测试改善更加明显。

附图说明

图1为本发明方法中微波暗室内多径干扰示意图。

图2为本发明方法中的频率差分法示意图。

图3为本发明方法中的实验结果图。

具体实施方式

现结合实施步骤、附图对本发明作进一步描述：

1）在微波暗室内测量天线时，频域响应中除直达信号外还包含有多径干扰，令收发天线间的直线距离为d，多径干扰经过的路程为r。直达波信号的幅度为直达信号的相位为吸波材料的衰减系数为Г(小于1的复数)，频域响应中多径干扰的幅度为多径干扰的相位为因此可以建立微波暗室内的天线测量系统中的直达信号与多径干扰综合模型，其数学表达式为：其中，G_t为发射天线在最大辐射方向上的增益系数，G_r为接收天线最大接收方向上的增益，为归一化功率方向图，其中为球坐标方位角，θ为水平面角，为俯仰角，λ为自由空间信号波长，L₁为电缆1的损耗，L₂为电缆2的损耗，l₁为电缆1的长度，l₂为电缆2的长度，ε_r为电缆介电常数，为余由测量系统引起的时延，为反0射点衰减系数的相移。

2）参照图2，当测试频率为f时，将代入步骤1）中建立的天线测量系统中的直达信号与多径干扰综合模型，频域响应中直达信号及多径信号的幅度与相位分别为 其中，电缆的损耗L₁、L₂也是频率f的函数。令 则该天线测量系统的频域响应可表示为：

3）当测试频率为f+△f时（△f很小），由步骤2）可得，测试系统的频域响应为：

4）分析前后两次测量的频域响应，因为△f很小，故两个频点对应的电缆损耗相差很小，可以近似认为 $\frac{M}{L_1(f+\mathrm{\Δf})L_2(f+\mathrm{\Δf}){(f+\mathrm{\Δf})}^2}\≈\frac{M}{L_1\left(f\right)L_2\left(f\right)f^2}=a,$ $\frac{N}{L_1(f+\mathrm{\Δf})L_2(f+\mathrm{\Δf}){(f+\mathrm{\Δf})}^2}\≈\frac{N}{L_1\left(f\right)L_2\left(f\right)f^2}=b,$ 故前后两次测试的频域响应可表示为和因此可得：即分离出多径信号，多径信号的数学表达式为：将带入即得到直达信号，其数学表达式为：

5）对上述方法进行验证：选取一付工作频率为300MHz的半波振子被测天线，放置于25(L)×15(W)×15(H)（m）微波暗室中，辅助天线为UPA6109。测试频率为300MHz的天线方向图。设置测试距离d为18m，，扫频范围为100M～500M，扫频点数为△f=10MHz，多径r为25.37m。依据步骤1）至步骤4），可以得到多径信号从直达波信号中分离前后的方向图，参照图3所示。可以发现，分离后的方向图与标准方向图有较好的吻合，即本方法有效。

Claims (1)

1.一种基于频率差分法的消除微波暗室内多径干扰的测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1搭建天线测试系统：发射端的辅助天线与测试端的被测天线位于同一高度，且位于同一轴线；

步骤2：根据被测天线工作频段，设置矢量网络分析仪的测试起止频率和频率间隔Δf，Δf置于1MHz，在测试距离为d时，天线测试系统的频域响应为S′₂₁；

步骤3：建立直达波信号与多径干扰波的干涉模型：其中，|(S₂₁)_d|为直达波信号的幅度，为直达波信号的相位，|(S₂₁)_r|为多径干扰信号的幅度，为多径干扰信号的相位；由信号在天线测试系统中的传递关系可以得到：

式中:

G_t:发射天线的增益；

G_r：接收天线的增益；

归一化功率方向图，其中为球坐标方位角，θ为水平面角；

L₁(f)、L₂(f)：分别为天线测试系统中连接辅助天线、被测天线电缆的损耗；

c：光速；

r：多径的距离；

d：辅助天线与被测天线的距离；

α：多径干扰和直达波的夹角，

Г：吸波材料的衰减系数；

步骤4：令|(S′₂₁(f))_d|≈|(S′₂₁(f+Δf))_d|＝a，|(S′₂₁(f))_r|≈|(S′₂₁(f+Δf)_r|＝b，则相邻两个频点的频域响应分别表示为：

式中：l₁，l₂为分别连接辅助天线，被测天线的电缆长度，ε_r为连接辅助天线电缆、连接被测天线电缆的介电常数；a,b为常量，S′₂₁(f+Δf)，S′₂₁(f)由步骤(2)测量获得；Δf已知，l_d，d可测；

由公式(1)联立求解，可分离出频率为f时的多径信号为：

直达信号为：

步骤5：计算式(2)、(3)中多径干扰信号的波程r，首先假定其距离为式中：w为反射端的辅助天线与测试端的被测天线轴线与暗室侧壁的距离，得到：

式中：为多径为r₀时第i个频点由(3)式求得的相移值；

步骤6：对求平均得到多径的真值把多径距离代入式(3)求得直达信号的频域响应值。