CN102854401A - 一种阵列天线方向图时域测量方法 - Google Patents

Abstract

一种阵列天线方向图的时域测量方法，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，利用数字示波器测量各个阵列单元在平面波照射下的瞬态响应，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时域测量方法

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时域测量方法。 

背景技术

伴随超宽带通信和超宽带雷达技术的兴起，宽带以及超宽带阵列天线以其高增益、低旁瓣及可空间扫描等独有的性能魅力得到广泛的研究和应用。与窄带天线不同，超宽带天线工作在瞬态带宽的情况下，用以描述超宽带天线性能的参数必须时域的。为研究超宽带天线的时/频域特性,提高天线测试效率,传统的频域测量技术已不能满足要求,而时域测量能通过一次测量获得整个频带内的天线性能。时域方向图测量作为超宽带阵列天线设计的重要部分，已成为国内外学者研究的热点。 

在方向图测量方法中，主要有远场、近场和紧缩场测量三种方式。在远场测量中，需要较长的测试距离，并且为了降低周围电磁环境对测量的干扰，远场测量需要在合适的外部环境和天气下进行，对安全和电磁环境也有较高要求。鉴于远场测试要求较高、成本较大，对阵列天线进行方向图测量通常采用近场或者紧缩场测量系统。传统的近场和紧缩场测量系统是采用的单频信号进行的频域近场测量，每次只能测量出单个频点的天线频域方向图。对于宽带以及超宽带天线的时域方向图测试，该系统难以实现。 

近些年来，有研究者已经逐步把频域测量技术扩展到时域，搭建了时域近场和紧缩测量系统，用于超宽带天线时域方向图测量。如文献“Thorkild B.Hansen and Arthur D.Yaghjian，Planar Near field Scanning in the Time Domain，Part2:Sampling Theorems and ComputationSeptember“，IEEE Transactionson Antenna and propagation，Vol.42，No.9，PP:1292~1300，September 1994.”提供一种时域近场测量方法，文献“郝晓军等，FFT在时域紧缩场方向图测量中的应用，无线通信技术，2002,04期,PP:57~58”提供一种时域紧缩场测量系统。这些现有的时域测量系统能够完成一些简单激励形式的超宽带阵列天线的时域方向图测量，但是用于多激励形式的超宽带阵列却还存在不足：（1）在目前雷达通信中，较多系统使用的是相控扫描阵，其阵列天线的激励形式具有可变性、多样性。而现有的时域测量系统一次测量只能收集一种阵列激励形式下的瞬态信息，通过处理获取对应方向图。面对多激励形式的相控阵，需要不断切换阵列的激励源，一次次的重复测量，系统操作不灵活且不具有高效性。（2） 现有的时域测量系统均利用空间分布的探头采集待测 

天线的辐射信息，再对采集的信息进行处理获得阵列时域方向图。由于采集的信号是瞬态信号，因此采样探头均为超宽带探头，数量较多超宽带探头不仅给天线测量系统增加了成本也不可避免的带来了测量误差。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有宽带以及超宽带阵列天线方向图测量方法（或系统）中的测试工作繁复、测试成本高的缺点，提供一种阵列天线方向图的时域测量方法。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时域测量，同时对硬件要求低，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，采用数字示波器连接阵列单元各个端口，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，综合出多种激励形式下的阵列时域方向图。 

本发明技术方案为： 

一种阵列天线方向图的时域测量方法，包括以下步骤： 

步骤1：在微波暗室环境中，利用脉冲信号源产生时域脉冲信号，时域脉冲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。所述照射天线采用超宽带喇叭天线，并置于金属反射面焦点附近；所述金属反射面采用双曲面形状的金属反射面。 

步骤2：利用数字示波器，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接收信号 

其中：p_r表示接收信号；n=1,2,3,….N，N为待测阵列天线的阵列单元总数；θ表示紧缩场平面波到待测阵列天线的垂直方向入射角度，取值范围为0到360度；φ表示紧缩场平面波到待测阵列天线的水平方向入射角度，取值范围为0到360度；t表示时间刻度。 

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接收信号  $p_r^n({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_j,t).$

步骤4：由于每个入射角下待测阵列天线各个阵列单元的接收信号 

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)的瞬态响应。由待测阵列天线第n个阵列单元的瞬态响应归一化，得到待测阵列天线第n个阵列单元的时域方向图 

步骤5：利用公式： 

$F^{\mathrm{array}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},t)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{a_n}\left(t\right)f_n^{\mathrm{element}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},t)---\left(1\right)$

合成任意给定激励下的待测阵列天线的方向图F^array(θ，φ，t)，其中 

为待测阵列天线设计时给定的第n个阵列单元的与幅度和时间相关的激励权值（具体表现为一个时域激励波形）。 

本发明方法亦能够通过傅里叶变换，可以得到一定带宽内的频域方向图 

其中 

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时域方向图的测量。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，利用数字示波器获取阵列各个阵列单元在平面波照射下的瞬态响应 

由互易 原理可知，该瞬态响应归一化后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 $F^{\mathrm{array}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},t)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{a_n}\left(t\right)f_n^{\mathrm{element}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},t).$ 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F^array(θ，φ，t)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，同时对场地要求简单，降低了测试成本。 

综上所述，本发明的有益效果在于： 

1.本发明利用瞬态电磁理论，结合时域测量仪器，适用于宽带以及超宽带阵列天线时域方向图的测量，区别于以往的频域方向图测量系统。 

2.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，大大缩减了测试时间。 

3.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。 

4.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。 

5.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天线方向图时域测量方法法所涉及的测量装置结构图。 

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得到的阵列时域方向图。 

图4实施例中，通过本发明所述方法确定得到的第5个单元的2D水平面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5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是数字示波器，5是旋转平台，6是待测阵列天线，7是脉冲信号源，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φ=0°开始，每隔0.5°照射一次，对各单元的平面波瞬态响应测量，并记录相应值的幅度和相位数据，直到φ=180°。以如表1的激励（ 

）为例，取各个单元在φ方向下的频域响应的幅值数据进行最大值归一化处理，采用数字信号处理技术综合得到的阵列水平面瞬态方向图如图3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4GHz下的方向图，与本发明得到的单元5的方向图比较，如图4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。如图5所示，表2所示激励分布下，利用本发明所述方法经过傅里叶变换所得阵列在4GHz频率下的方向图，与直接激励仿真所得到的阵列水平面方向图之间的比较。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 

端口	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											|an|	0.966	0.916	1	0.975	0.948	0.953	0.920	0.871	0.851	0.867
φj	49.5	146.4	256.1	7.4	114.9	223.3	332.6	78.8	182.4	279.9

Claims (6)

1.一种阵列天线方向图的时域测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在微波暗室环境中，利用脉冲信号源产生时域脉冲信号，时域脉冲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；

步骤2：利用数字示波器，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接收信号

其中：p_r表示接收信号；n=1,2,3,….N，N为待测阵列天线的阵列单元总数；θ表示紧缩场平面波到待测阵列天线的垂直方向入射角度，取值范围为0到360度；φ表示紧缩场平面波到待测阵列天线的水平方向入射角度，取值范围为0到360度；t表示时间刻度；

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接收信号 $p_r^n({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_j,t);$

步骤4：由于每个入射角下待测阵列天线各个阵列单元的接收信号

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)的瞬态响应；由待测阵列天线第n个阵列单元的瞬态响应归一化，得到待测阵列天线第n个阵列单元的时域方向图

步骤5：利用公式：

$F^{\mathrm{array}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},t)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{a_n}\left(t\right)f_n^{\mathrm{element}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},t)$

合成任意给定激励下的待测阵列天线的方向图F^array(θ，φ，t)，其中

为待测阵列天线设计时给定的第n个阵列单元的与幅度和时间相关的激励权值。

2.根据权利要求1所述的阵列天线方向图的时域测量方法，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时域测量方法，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时域测量方法，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时域测量方法，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时域测量方法，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。

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