CN102798769B - 基于回波损耗补偿的窄带天线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于回波损耗补偿的窄带天线测试方法，其特征在于：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；根据某一频点的反射系数，可以推算出天线相应频点的辐射能量损耗，并加以数值补偿，使得时-频变换后，时域波形没有畸变。本发明通过对测试带宽进行拓宽，以获取理想的时域分辨率，从而有效抑制多径干扰的影响，将测试技术应用到微波暗室低频段（300MHz以下频段）天线测试，以及有近端强反射体的开阔场测试，可使低频和窄带天线方向图精度改善2dB左右，获得高精度的天线测试结果。

Description

基于回波损耗补偿的窄带天线测试方法

技术领域

本发明属于天线测试领域，具体涉及一种利用回波损耗补偿技术在窄带天线测试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(室外开阔场和微波暗室)存在多径干扰，在常规的间接时域测量中，通常采用加时域门的方法去除干扰。这需要有足够的测试带宽，以获得高的距离分辨率。然而，对于窄带天线，特别是低频段天线，其工作带宽窄，对应的距离分辨率难以优于10米量级。当多径信号与直射波的波程差小于距离分辨率时，其响应在时间(距离)域上相互重叠，不能明确区分和分辨。这种情况下时域加门技术不能有效去除干扰，难以获得高的测量精度。而且在低频段暗室内吸波材料的性能下降，使得暗室侧壁、地面等的多径干扰更严重，测试误差不能满足要求。

微波暗室在300MHz以下频段，其静区性能难以优于-30dB，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±1.5dB；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。通常天线的工作带宽通常取反射系数小于-10dB(即驻波比小于2)时的频带范围。对于工作带宽小于30MHz的天线，其距离分辨率大于10m，无法通过加时域们去除干扰。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于回波损耗补偿的窄带天线测试方法，拓展被测天线的测试带宽。

技术方案

一种基于回波损耗补偿的窄带天线测试方法，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：测试被测天线的反射系数Γ(f)；

步骤3：根据测试场地的情况，算出要消除代表第m条多径的多径波R_m和直射波R₀的最小波程差Δd＝min(R_m-R₀)(m)，得到测试天线所需的扫频带宽由(1)式检验天线测试系统能否满足保精度的测试灵敏度要求；

$\left\{\begin{array}{c}{\left[p_r\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}={\left[p_t\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}+{\left[\mathrm{\Γ}\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}+{\left[\mathrm{Gr}\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}+{\left[L\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}+{\left[\mathrm{Gt}\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}\\ {\left[p_r\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}\≥p_{r\left(\min \right)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：

[p_r(f)]_dB：测试系统矢量网络分析仪接收到的信号功率；

p_r(min)：测试系统矢量网络分析仪的灵敏度；

[p_t(f)]_dB：矢量网络分析仪输出的信号功率；

[Γ(f)]_dB：被测天线反射系数；

[Gr(f)]_dB：被测天线(接收天线)的增益；

[L(f)]_dB：辅助天线和接收天线相距距离R₀的自由空间传播损耗；

[Gt(f)]_dB：辅助天线(发射天线)的增益；

如果不满足(1)式，就适当增加测试系统输出功率，直到满足上式，此时的扫频带宽BW₁为测试带宽，BW₁单位为MHz；

步骤4：用步骤1的天线测试系统，设置测试系统的扫频间隔为Fs＝500KHz，扫频点数为2BW+1；测试方向角域内、在扫频范围[f_c-BW₁/2,f_c+BW₁/2]的散射参数S₂₁(θ,f)；

步骤5：依据公式(2)，对测试角域内的所有频点进行回波损耗补偿，得到补偿后的散射参数：

$S_{21}^{\′}(\mathrm{\θ},f)=S_{21}(\mathrm{\θ},f)\frac{1}{1-\mathrm{\Γ}{\left(f\right)}^2}---\left(2\right)$

步骤6：对补偿后的散射参数S′₂₁(θ,f)作2BW+1点逆傅里叶变换，得到时域响应y(n)；

步骤7：将y(n)中第以后的值置为零，得到直射波响应y′(n)；

步骤8：对直射波响应y′(n)做2BW+1傅里叶变换，得到频域响应S″₂₁(θ,f)；

步骤9：根据得到的-180度到180度的S″₂₁(θ,f_m)画出期望频点f_m的方向图。

有益效果

本发明提出利用回波损耗补偿的方法，解决当在一定反射系数要求下的天线工作带宽，其带内反射功率小，辐射效率高；在其工作带宽外，反射功率增大，辐射效率严重恶化。在工作带宽外天线并非不能工作，只是效率不能满足工程需要的问题。本发明通过测量超过天线工作带宽的反射系数，在后期的数据处理中，根据某一频点的反射系数，可以推算出天线相应频点的辐射能量损耗，并加以数值补偿，使得时-频变换后，时域波形没有畸变。因此，本方法可以有效拓展测试带宽，提高距离分辨率，去除多径干扰对测试结果的影响。原理见附图1。

本发明通过对测试带宽进行拓宽，以获取理想的时域分辨率，从而有效抑制多径干扰的影响，将测试技术应用到微波暗室低频段(300MHz以下频段)天线测试，以及有近端强反射体的开阔场测试，可使低频和窄带天线方向图精度改善2dB左右，获得高精度的天线测试结果。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图；

a)矢网发射的扫频信号；b)天线辐射性能；c)天线辐射能量及回波损耗；d)进行回波损耗补偿后的值；

图2为本发明方法中天线测试系统示意图；

图3为本发明方法中实例的测试效果图；

具体实施方式

现结合实施步骤、附图对本发明作进一步实例描述：

选取一付工作频率为300MHz的半波振子被测天线，把其安装于大小为25(L)×15(W)×15(H)(m)微波暗室中对其进行测试，测试系统结构图如图2所示，辅助天线为UPA6109。测试频率为300MHz的天线方向图。

根据本发明，其实施过程如下：

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；

2)结合测试系统结构图和实例暗室大小，最小的波程距离为发射天线发射的信号垂直照射到前墙面反射到接受天线经过的路程，即min(R_m)＝25(m)，而直射波的距离R₀＝21(m),则最小波程差Δd＝R₀-min(R_m)＝4m；

3)用矢量网络分析仪测试被测天线与电缆一体的反射系数Γ(f)；

4)计算扫频带宽确定扫频范围为[f_c-BW/2,f_c+BW/2]，f_c＝300MHz；

A.BW≥75MHz

B.为了很好的滤除多径，选择BW＝100MHz(考虑到抑制旁瓣)

C.得到扫频范围为[250,350]MHz；

代入相关数据到(1)式，验证后满足要求，可以确定扫频带宽为[250,350]MHz；

5)设置矢量网络分析仪的扫频范围为[250,350]MHz，扫频间隔为500KHz(满足信号抽样定理)，获取-180度到180度在扫频范围[200 400]MHz的散射参数S₂₁(θ,f)；

6)补偿某一角度θ的散射参数S₂₁(θ,f)，得到补偿后的散射参数

$S_{21}^{\′}(\mathrm{\θ},f)=S_{21}(\mathrm{\θ},f)\frac{1}{1-\mathrm{\Γ}{\left(f\right)}^2};$

步骤7：将y(n)中第以后的值置为零，得到直射波响应y′(n)；

步骤8：对直射波响应y′(n)做2BW+1傅里叶变换，得到频域响应S″₂₁(θ,f)；

步骤9：根据得到的-180度到180度的S″₂₁(θ,f_m)画出期望频点300MHz的方向图。

Claims (1)

1.一种基于回波损耗补偿的窄带天线测试方法，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：测试被测天线的反射系数Γ(f)；

步骤3：根据测试场地的情况，算出要消除代表第m条多径的多径波传播距离R_m和直射波传播距离R₀的最小波程差Δd＝min(R_m-R₀)，单位为m，得到测试天线所需的扫频带宽由(1)式检验天线测试系统能否满足保精度的测试灵敏度要求；

$\left\{\begin{array}{c}[p_r\left(f\right){]}_{\mathrm{dB}}=[p_t\left(t\right){]}_{\mathrm{dB}}+[\mathrm{\Γ}\left(f\right){]}_{\mathrm{dB}}+[\mathrm{Gr}\left(f\right){]}_{\mathrm{dB}}+[L\left(f\right){]}_{\mathrm{dB}}+[\mathrm{Gt}\left(f\right){]}_{\mathrm{dB}}\\ {\left[p_r\left(f\right)\right]}_{\mathrm{dB}}\≥p_{r\left(\min \right)}\end{array}\right.----\left(1\right)$

式中：

[p_r(f)]_dB：测试系统矢量网络分析仪接收到的信号功率；

p_r(min)：测试系统矢量网络分析仪的灵敏度；

[p_t(f)]_dB：矢量网络分析仪输出的信号功率；

[Γ(f)]_dB：被测天线反射系数；

[Gr(f)]_dB：被测天线即接收天线的增益；

[L(f)]_dB：辅助天线和接收天线相距距离R₀的自由空间传播损耗；

[Gt(f)]_dB：辅助天线即发射天线的增益；

如果不满足(1)式，就适当增加测试系统输出功率，直到满足上式，此时的扫频带宽BW₁为测试带宽，BW₁单位为MHz；

步骤4：用步骤1的天线测试系统，设置测试系统的扫频间隔为Fs＝500KHz，扫频点数为2BW+1；测试方向角域内、在扫频范围[f_c-BW₁/2,f_c+BW₁/2]的散射参数S₂₁(θ,f)；

步骤5：依据公式(2)，对测试角域内的所有频点进行回波损耗补偿，得到补偿后的散射参数：

$S_{21}^{\′}(\mathrm{\θ},f)=S_{21}(\mathrm{\θ},f)\frac{1}{1-\mathrm{\Γ}{\left(f\right)}^2}---\left(2\right)$

步骤6：对补偿后的散射参数S′₂₁(θ,f)作2BW+1点逆傅里叶变换，得到时域响应y(n)；

步骤7：将y(n)中第以后的值置为零，得到直射波响应y′(n)；

步骤8：对直射波响应y′(n)做2BW+1傅里叶变换，得到频域响应S″₂₁(θ,f)；

步骤9：根据得到的-180度到180度的S″₂₁(θ,f_m)画出期望频点f_m的方向图。