CN103067096A - 准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法，利用本方法可以实现双线极化天线通道幅相一致性的校准和交叉极化性能的提高。本发明通过下述技术方案予以实现：用双线极化天线通道连接矢量网络分析仪和一个旋转的发射信号的线极化辅助校准天线；接收端的双极化探头的两路输出送入矢量网络分析仪，获取随时间变化的两条极化通道的复数信号曲线；然后根据上述两条曲线，读取两个极化通道的相位一致性和幅度一致性,以及交叉极化隔离度。本发明可应用于校准近场测试中常用的双线极化的开口波导或者天线远场测试中常用的双极化天线以及其它应用中的双极化天线。

Description

准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法

技术领域

本发明是关于提高交叉极化性能的双线极化天线极化通道幅相一致性的校准方法。

背景技术

现有技术中用于实现天线的正交线极化信号收发的双线极化天线，其交叉极化的好坏对系统性能起到很大的作用。现有的方法大部分都是通过设计努力提高交叉极化性能实现高极化隔离度。

天线远场、近场测量中，为了实现圆极化天线的测试，一种方法就是测试天线的两个正交的线极化分量，然后由两个线极化分量合成为最终的圆极化天线参数。为了得到准确的测试结果，双极化天线的交叉极化性能必须要好，一般需要达到30dB到40dB以上。从设计上实现高交叉极化的双极化天线受带宽等因素限制，不容易实现，通过校准的方式，则可以提高交叉极化性能。由于双线极化最终都将通过两个馈电端口引出两个极化分量，因此当两路由于加工或者设计不对称时，必然带来两路极化分量的幅度和相位不一致，特别是在高频段，即使对称的结构设计，很小的加工误差也会带来很大的通道一致性问题。因此要通过设计及并加工制造出高极化隔离度和幅度相位一致性好的双线极化天线，需要较高的代价。本发明的校准的方式，可以提高通道的一致性。

发明内容

本发明的目的是针对双线极化天线通道一致性和交叉极化隔离度性能不好，提供一种能够提高天线各个通道传输一致性和交叉极化隔离度，并能准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）用双线极化天线连接矢量网络分析仪和一个旋转的线极化辅助校准天线组建双线极化校准系统；

（2）设双线极化天线的通道传输系数为Cxx，Cyy，交叉极化耦合系数Cxy和Cyx，测试两个极化通道在两个典型位置下的接收到的复数信号，建立四个双极化天线的校准方程，解出四个极化分量参数Cxx，Cyy，Cxy，Cyx；

（3）用线极化辅助校准天线发射信号，同时将接收端被校准的双极化天线的两路输出连接到矢量网络分析仪上，获取随时间变化的两条极化通道的复数信号曲线；然后根据上述两条复数信号曲线读取两个极化通道的相位一致性和幅度一致性及其交叉极化隔离度。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明利用双线极化天线通道连接矢量网络分析仪和一个旋转的线极化辅助校准天线，通过测试两个极化通道在两个典型位置下的接收到的复数信号，建立双极化天线的校准方程公式，解出四个参数，实现双线极化天线通道幅相一致性的校准和极化隔离度的提高。

采用本发明双线化天线极化分量的准确测试和校准方法，可应用于校准近场测试中常用的双线极化的开口波导或者天线远场测试中常用的双极化天线。通过该方法也可以实现其它应用中双极化天线极化分量的准确测试和校准。

附图说明

图1是本发明准确测试双线极化天线极化校准的系统组成示意图。

图2是辅助线极化天线极化方向与双线极化天线的X极化分量方向相同时的信号传输示意图。

图3是辅助线极化天线极化方向与双线极化天线的Y极化分量方向相同时的信号传输示意图。

图4是线极化辅助校准天线旋转得到的两线极化通道幅度响应曲线。

图中：1线极化辅助校准天线，2旋转关节，3双线极化天线，4矢量网络分析仪,5射频电缆电缆。

具体实施方式

根据本发明，首先按照图1连接方式组建双线极化校准系统。用双线极化天线3的通道连接矢量网络分析仪4和一个旋转的线极化辅助校准天线1，让一个以一定速度旋转的线极化辅助校准天线1发射信号，然后将天线接收端的双极化探头的两路输出，连接到矢量网络分析仪上，构成一个双线极化天线极化校准的系统。设双线极化天线的通道传输系数为Cxx，Cyy，交叉极化耦合系数Cxy和Cyx，同时将接收端被校准的双极化天线的两路输出连接到矢量网络分析仪上，获取随时间变化的两条极化通道的复数信号曲线及其交叉极化隔离度。，测试两个极化通道在两个典型位置下的接收到的复数信号，建立四个方程，解出四个极化分量参数Cxx，Cyy，Cxy，Cyx。

旋转关节2用于在线极化辅助天线旋转时便于射频电缆5与线极化辅助天线的连接，当然也可以用电缆直接连接，相应的应采用机械稳相性能好的稳相电缆。

在双极化天线的校准过程中，测试双线极化天线两个极化通道在两个典型位置下的接收到的复数信号，得到下述五个方程，

$B=\frac{x2}{x1}---\left(1\right)$

$D=\frac{y2}{x1}---\left(2\right)$

$E=\frac{y1}{x1}---\left(3\right)$

$\mathrm{Cxx}\·\mathrm{Ey}=\frac{b-a\·E}{D-B\·E}---\left(4\right)$

$\mathrm{Cxx}\·\mathrm{Ex}=a-\frac{b-a\·E}{D-B\·E}\·B---\left(5\right)$

式中：x1、y1为当x极化通道接收到信号最强时，x极化通道和y极化通道接收到的复信号，B代表x2除以x1。x2、y2为当y极化通道接收到信号最强时，x极化通道和y极化通道接收到的复信号，D表示y2除以x1。E表示y1除以x1。Ex为到达被校准天线的x极化电场分量，Ey为到达被校准天线的y极化电场分量，Cxx为x极化通道的传输系数，Cyy为y极化通道的传输系数，Cxy和Cyx为交叉极化耦合系数。

所述的两个极化通道典型位置是x极化通道、y极化通道两条极化通道的复数信号曲线幅度最大点或幅度最小点。复数信号曲线意义及复数信号曲线两个典型位置的选择过程如下：

当单线极化天线极化方向与双极化天线3某一极化方向相同时，设与Ex方向相同时，接双线极化天线x极化通道信号将达到图4所示曲线1的峰值，其复数信号曲线1信号由两部分构成，一部分为Ex分量，一部分为Bxy·Ex。Ex分量为x极化方向分量，为同向极化分量，Bxy·Ex单线极化天线本身极化不纯产生的交叉极化分量，该分量进入双线极化天线后再耦合到x通道。y极化通道一部份由同极化方向的极化分量Bxy·Ex直接输入到接收机，另一部份为交叉极化分量Ex到达双极化天线，再耦合进y极化通道。

x极化通道一部份由同极化方向的极化分量Ex直接输入到接收机，另一部份为交叉极化分量Bxy·Ex到达双极化天线，再耦合进x极化通道；y极化通道一部份由同极化方向的极化分量Bxy·Ex直接输入到接收机，另一部份为交叉极化分量Ex到达双极化天线，再耦合进y极化通道。

参阅图3。当辅助单线极化天线极化方向与双极化天线Ey极化方向相同时，也是类似的情况。

Ex：X方向极化分量。

Ey：Y方向极化分量。

Bxy：线极化天线Ex分量对Ey分量的隔离度。

Byx：线极化天线Ey分量对Ex分量的隔离度。

Cxy：双极化天线Ex分量对Ey分量的隔离度。

Cyx：双极化天线Ey分量对Ex分量的隔离度。

Cyy：校准线极化天线通过y极化通道到接收机的传输系数。

Cxx：校准线极化天线通过x极化通道到接收机的传输系数。

当x极化通道接收到信号最强时，可以得到如下两组方程

x1=Ex·Cxx+Ex·Bxy·Cyx            （6）

y1=Ex·Bxy·Cyy+Ex·Cxy            （7）

x1、y1为x极化通道和y极化通道接收到的复信号。

当y极化通道接收到信号最强时，可以得到如下两组方程

x2=Ex·Byx·Cxx+Ex·Cyx            （8）

y2=Ex·Cyy+Ex·Byx·Cxy            （9）

x2、y2为x极化通道和y极化通道接收到的复信号。

由于单极化天线交叉极化性能好，其交叉极化耦合系数Byx、Bxy较小，因此包含该项的可以忽略，得到上面四式可以简化如下：

x1=Ex·Cxx                       （10）

y1=Ex·Cxy                       （11）

x2=Ex·Cyx                       （12）

y2=Ex·Cyy                       （13）

当用双极化天线测试时，由前面的分析可以得到x极化通道的接收信号a和y极化通道的接收信号b分别如下式所示：

a=Ex·Cxx+Ey·Cyx                （14）

b=Ey·Cyy+Ex·Cxy                （15）

上面两式可以变化如下：

$\frac{a}{\mathrm{Cxx}}=\mathrm{Ex}+\mathrm{Ey}\·\frac{\mathrm{Cyx}}{\mathrm{Cxx}}---\left(16\right)$

$\frac{b}{\mathrm{Cxx}}=\mathrm{Ey}\·\frac{\mathrm{Cyy}}{\mathrm{Cxx}}+\mathrm{Ex}\·\frac{\mathrm{Cxy}}{\mathrm{Cxx}}---\left(17\right)$

进一步简化得到：

A=Ex+Ey·B                  （18）

C=Ey·D+Ex·E               （19）

其中：

$A=\frac{a}{\mathrm{Cxx}}---\left(20\right)$

$B=\frac{\mathrm{Cyx}}{\mathrm{Cxx}}=\frac{x2}{x1}---\left(21\right)$

$C=\frac{b}{\mathrm{Cyy}}---\left(22\right)$

$D=\frac{\mathrm{Cyy}}{\mathrm{Cxx}}=\frac{y2}{x1}---\left(23\right)$

$E=\frac{\mathrm{Cxy}}{\mathrm{Cxx}}=\frac{y1}{x1}---\left(24\right)$

其中A由（18）式确定，C由（22）式确定。解方程可以得到：

$\mathrm{Cxx}\·\mathrm{Ey}=\frac{b-a\·E}{D-B\·E}---\left(25\right)$

$\mathrm{Cxx}\·\mathrm{Ex}=a\frac{b-a\·E}{D-B\·E}\·B---\left(26\right)$

（21）、（23）、（24）、（25）、（26）式即为双极化天线的校准公式。

Claims (5)

1.一种准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）用双线极化天线连接矢量网络分析仪和一个旋转的线极化辅助校准天线组建双线极化校准系统；

（2）设双线极化天线的通道传输系数为Cxx，Cyy，交叉极化耦合系数Cxy和Cyx，测试两个极化通道在两个典型位置下的接收到的复数信号，建立四个双极化天线的校准方程，解出四个极化分量参数Cxx，Cyy，Cxy，Cyx；

（3）用线极化辅助校准天线发射信号，同时将接收端被校准的双极化天线的两路输出连接到矢量网络分析仪上，获取随时间变化的两条极化通道的复数信号曲线；然后根据上述两条复数信号曲线读取两个极化通道的相位一致性和幅度一致性及其交叉极化隔离度。

2.如权利要求1所述的准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法，其特征在于，让一个以一定速度旋转的线极化辅助校准天线（1）发射信号，然后将双线极化天线（3）的两个极化通道连接到矢量网络分析仪上，构成一个双线极化天线极化校准的系统。

3.如权利要求1所述的准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法，其特征在于，所述的两个极化通道典型位置是x极化通道、y极化通道，两条极化通道的复数信号曲线幅度最大点或幅度最小点。

4.如权利要求1所述的准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法，其特征在于，在双极化天线的校准过程中，测试双线极化天线两个极化通道在两个典型位置下的接收到的复数信号，得到下述五个方程，

$B=\frac{x2}{x1}---\left(1\right)$

$D=\frac{y2}{x1}---\left(2\right)$

$E=\frac{y1}{x1}---\left(3\right)$

$\mathrm{Cxx}\·\mathrm{Ey}=\frac{b-a\·E}{D-B\·E}---\left(4\right)$

$\mathrm{Cxx}\·\mathrm{Ex}=a-\frac{b-a\·E}{D-B\·E}---\left(5\right)$

式中：x1、y1为当x极化通道接收到信号最强时，x极化通道和y极化通道接收到的复信号，B代表x2除以x1，x2、y2为当y极化通道接收到信号最强时，x极化通道和y极化通道接收到的复信号，D表示y2除以x1，E表示y1除以x1，Ex为到达被校准天线的x极化电场分量，Ey为到达被校准天线的y极化电场分量，Cxx为x极化通道的传输系数，Cyy为y极化通道的传输系数，Cxy和Cyx为交叉极化耦合系数。

5.如权利要求1所述的准确测试天线两个正交线极化分量的校准方法，其特征在于，x极化通道一部份由同极化方向的极化分量Ex直接输入到接收机，另一部份为交叉极化分量Bxy·Ex到达双极化天线，再耦合进x极化通道；y极化通道一部份由同极化方向的极化分量Bxy·Ex直接输入到接收机，另一部份为交叉极化分量Ex到达双极化天线，再耦合进y极化通道。

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