CN103336182B - 一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，该系统包括有开阔场地、参考天线、天线相位中心标定处理器、GPIB卡、矢量网络分析仪、天线升降组件。本发明对待测天线进行相位中心标定时，应用了两次天线高度设置下的待测天线和参考天线之间的场地插入损耗，并利用反射波波程－反射系数不变策略和天线相位中心均值收敛准则，来获取待测天线的天线相位中心相对于参考点的偏移量。本发明系统旨在提供一种针对开阔场地天线相位中心的标定方法。本发明以天线相位中心精确已知的天线作为参考天线，实现了待测天线的相位中心标定，这种依赖参考天线的相位中心标定方式便于天线相位中心参数的量值传递，实现天线参数的量值统一。

Description

一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统

技术领域

本发明属于天线测量技术领域，具体地涉及一种天线相位中心标定方法和装置。是一种适用于对数周期天线、复合天线等线天线的天线相位中心标定。本发明系统利用开阔场地上的场地插入损耗测量数据，依据“反射波波程-反射系数不变策略”，获取天线相位中心相对于参考点的偏移量。

背景技术

天线的相位中心是一个等效的概念：天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为该天线的（等效）相位中心。然而，对于大多数天线，远场等相面都不是严格的球面，也就是说，对所有方向都适用的相位中心实际上并不存在。在不同方位角的平面内，天线的相位中心将位于不同的点上，同时，在一个方位角的平面内，不同仰角范围对应的相位中心也不在同一点上，因此，通常只能在天线辐射主波束的一定角度范围内，近似找到一点，使得远场相位方向图的相位波动最小，这个点称为天线的（视在）相位中心。

开阔场地（Open Area Test Site，OATS）是电磁兼容检测中最基本的测试场地，电磁兼容检测结果都应该溯源到开阔场地。天线作为电磁兼容检测的一种重要的接收和传输电磁波能量的装置，其性能参数需要在开阔场地进行校准。对开阔场地天线校准而言，天线相位中心准确标定意义重大，因为天线校准时需要准确测定两个天线相位中心的距离。对于常用的双锥天线，其相位中心一般位于其几何中心处；但对于对数周期天线和复合天线（主要指其对数周期部分），其相位中心随频率的提高，逐渐向天线前端偏移（较短振子端）。此时，若仍选取天线几何中心或其附近的固定参考点标定测试距离，会给天线校准带来很大误差。例如，对于复合天线ETS-3142B实际校准，当测试距离由10米改为3米时，由于天线相位中心造成的天线系数测量误差由0.7dB增加到1.3dB。

常用的天线相位中心的标定方法主要有近似解析计算、仿真计算、微波暗室测量等。相位中心的近似解析计算一般只针对特定形式的天线，由于近似解析计算是在理想条件下推导，故而在实际应用中计算误差较大。仿真计算方法是指严格按照天线实际几何尺寸建立模型，基于全波电磁计算方法仿真计算天线的相位中心。常用的计算方法有矩量法（MOM）和有限积分法（FIT）。仿真计算方法原则上可以较为准确的获取天线相位中心信息，但是计算结果依赖于天线模型和仿真工具，并且在日常天线校准检测中，对每一种天线进行建模计算显然不实际。基于微波暗室测量的绝对相位中心位的标定过程十分复杂，其基本原理大多是采用计算天线远场最大辐射方向上等相位面曲率中心的方法来确定天线的相位中心。在微波暗室内测量天线的精确获取相位方向图的测量过程繁琐，测量不确定度大。这些方法都不适合进行开阔场地（OATS）校准天线的相位中心的标定。

发明内容

为了满足在开阔场地对待测天线参数精确测量的需求，克服传统的相位中心标定方法精度不高或过程繁琐的缺点，本发明的目的在于提出一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统。该系统旨在提供一种针对开阔场地（OATS）天线相位中心的校准，依据“反射波波程-反射系数不变策略”获取天线相位中心相对于参考点的偏移量。

本发明的一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，该系统包括有天线升降组件、开阔场地（20）；

所述的天线升降组件包括有第一天线升降塔（20A）、第一衰减器（20B）、第二天线升降塔（20C）、第二衰减器（20D）、联动控制单元（12）、第一伺服驱动电机（12A）和第二伺服驱动电机（12B）；

其特征在于：该系统还包括有天线相位中心标定处理器、GPIB卡（11）、矢量网络分析仪（13）、参考天线（23）；

矢量网络分析仪（13）与第一衰减器（20B）和第二衰减器（20D）的连接形成天线测量环路；

所述天线相位中心标定处理器中存储有天线相位中心标定单元（10）。

GPIB卡（11）插接在天线相位中心标定处理器上；

GPIB卡（11）的A端口与矢量网络分析仪（13）的C端口通过信号线连接；

GPIB卡（11）的B端口与联动控制单元（12）的A端口通过信号线连接；

联动控制单元（12）的B端口与第一伺服驱动电机（12A）通过信号线连接；

联动控制单元（12）的C端口与第二伺服驱动电机（12B）通过信号线连接；

矢量网络分析仪（13）的A端口与第一衰减器（20B）的A端口通过射频线缆连接；第一衰减器（20B）的B端口与参考天线（23）通过信号线连接；

矢量网络分析仪（13）的B端口与第二衰减器（20D）的A端口通过射频线缆连接；第二衰减器（20D）的B端口与待测天线（24）通过信号线连接；

第一衰减器（20B）安装在第一天线升降塔（20A）上；

第一衰减器（20B）安装在第二天线升降塔（20C）上；

第一天线升降塔（20A）和第二天线升降塔（20C）安装在开阔场地（20）的金属接地板（201）上。

本发明的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，对待测天线进行场地插入损耗测量的步骤为：

（A）开启矢量网络分析仪（13），使其预热进入稳定工作状态；

（B）在天线升降塔上安装参考天线（23）和待测天线（24）；

（C）检查矢量网络分析仪（13）与第一衰减器（20B）、第二衰减器（20D）的射频线缆接口；

（D）检查天线相位中心标定处理器上GPIB卡（11），以及GPIB卡（11）与矢量网络分析仪（13）的连接；

（E）启动天线相位中心标定单元（10）；

（F）设置参考天线（23）和待测天线（24）的高度；

（G）联动控制单元（12）接收高度指令，并指导第一伺服驱动电机（12A）和第二伺服驱动电机（12B），使参考天线（23）和待测天线（24）到达指定高度；

（H）一次采集数据单元进行天线高度信息采集；

（I）重复执行步骤（F）、步骤（G）和步骤（H），二次采集数据单元进行天线高度信息采集；

（J）重复执行步骤（F）、步骤（G）和步骤（H），N次采集数据单元进行天线高度信息采集；

（K）依据反射波波程-反射系数不变策略获得待测天线相位中心偏移量；

将参考天线（23）和待测天线（24）构建在一个全局坐标系O-XZ中。参考天线23的相位中心记为处，设置待测天线24的相位中心参考点位置记为并以为原点建立局部坐标系在局部坐标系中待测天线24的实际相位中心的位置记为

根据标准场地法水平极化匹配下待测天线的接收场强EH为：

其中，

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，j为单位虚数，为与频率相关的波常数，λ为波长，π为3.14，d_直射波为直达电磁波的传播距离，d_反射波为经金属接地板201反射后的电磁波的传播距离，φ_h为反射系数相角，ρ_h为反射系数幅度，|ρ_h|e^jφh为反射系数。D为天线相位中心在开阔场金属反射板上的投影距离，h_T为发射天线相位中心相对金属反射板的离地高度，h_R为接收天线相位中心相对金属反射板的离地高度。

在场地插入损耗SIL和接收场强之间的量化关系：

$\mathrm{SIL}=\frac{79.58\sqrt{30P_{T}G}\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{{2f}_{\mathrm{MHz}}\×E_H}---\left(2\right)$

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，AF_T表示发射天线的自由空间天线系数，AF_R表示接收天线的自由空间天线系数，f_MHz表示工作频率，单位为MHz，E_H表示水平极化匹配下接收天线的接收场强。

联立式（1）和式（2），可得：

其中 $V=\frac{39.79\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{f_{\mathrm{MHz}}},$ 为标量。

参考天线23和待测天线24高度调节满足式（4）。

$h_T^b+h_R^b=h_T^a+h_R^a---\left(4\right)$

当满足条件式（4）的参考天线23和待测天线24两次高度后，可使得两次地面反射波的角度γ_a＝γ_b＝γ，根据反射系数计算公式反射系数ρ_h＝|ρ_h|e^jφh的值不变。

${\mathrm{\ρ}}_h=\frac{\sin \mathrm{\γ}-{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}{\sin \mathrm{\γ}+{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}---\left(5\right)$

其中，γ表示地面反射波的角度（简称为反射波角度），K表示相对介电常数，j表示单位虚数，λ表示波长，σ表示金属电导率。

两次不同天线高度下，测量的两次场地插入损耗的关系：

其中，SIL^a表示参考天线23和待测天线24在前一次高度下的场地插入损耗测量结果，SIL^b表示参考天线23和待测天线24在后一次高度下的场地插入损耗测量结果。

根据式（6）两边相位相等，能够得到反射波波程-反射系数不变模型PM_a,b：

其中，

其中，

（L）依据天线相位中心收敛准则判断待测天线相位中心位置是否达到收敛，如果收敛，则结束天线相位中心标定，并输出标定结果。

采用的收敛准则是指同时满足下述收敛条件一和收敛条件二：

所述收敛条件一为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{x}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{x}}_N|}{{\stackrel{\‾}{x}}_N}\≤1\%;$

所述收敛条件二为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{z}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{z}}_N|}{{\stackrel{\‾}{z}}_N}\≤1\%.$

本发明天线相位中心标定系统的优点在于：

①通过“反射波波程-反射系数不变策略”获取天线相位中心相对于参考点的偏移量，能够快速、准确标定待测天线的相位中心。

②本发明的天线相位中心标定对采集的场地插入损耗数据进行两两处理，然后对N次处理获得的天线相位中心相对于参考点的偏移量取均值，这样的均值能够更接近于天线的实际相位中心相对于参考点的偏移量。

③本发明以天线相位中心精确已知的天线作为参考天线，通过测量参考天线和待测天线在开阔场地特定高度下的场地插入损耗，并以该场地插入损耗作为天线相位中心标定的输入量，实现了待测天线的相位中心标定。这种方式便于天线相位中心参数的量值传递，实现天线参数的量值统一。

④本发明与基于精确全波仿真的天线相位中心标定方法相比，计算量小，易于工程推广应用。

⑤本发明与基于全电波暗室辐射波瓣图测量的天线相位中心标定方法相比，基于开阔场地的场地插入损耗测量，测试过程简单，易于工程推广，且测量不确定度小。

⑥本发明对待测天线的具体形式没有特定限制，因此，与针对特定形式天线的相位中心近似解析计算公式相比，本发明具有一定的通用性，且标定精度远高于解析近似计算。

附图说明

图1是本发明天线相位中心标定系统的结构图。

图2是本发明系统中的开阔场的结构示意图。

图3是本发明系统中的天线相位中心标定的流程图。

图4是本发明天线相位中心标定的高度调节示意图。

图5是实施例实测获得的六次场地插入损耗的幅度曲线。

图6是实施例实测获得的六次场地插入损耗的相位曲线。

图7A是实施例实测获得的待测天线相位中心相对于相位中心参考点在X轴上的偏移量。

图7B是实施例实测获得的待测天线相位中心相对于相位中心参考点在Z轴上的偏移量。

10.天线相位中心标定单元	11.GPIB卡	12.联动控制单元
			12A.第一伺服驱动电机	12B.第二伺服驱动电机	13.矢量网络分析仪
20.开阔场	201.金属接地板	202.地基
			20A.第一天线升降塔	20B.第一衰减器	20C.第二天线升降塔
20D.第二衰减器	203.建筑基础架构	21.激光测距仪
			22.水平尺	23、参考天线	24.待测天线

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图2所示，本发明的一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，该系统包括有开阔场地20、参考天线23、天线相位中心标定处理器、GPIB卡11、矢量网络分析仪13、天线升降组件；其中，天线升降组件包括有第一天线升降塔20A、第一衰减器20B、第二天线升降塔20C、第二衰减器20D、联动控制单元12、第一伺服驱动电机12A和第二伺服驱动电机12B；矢量网络分析仪13与第一衰减器20B和第二衰减器20D连接形成天线测量环路；所述天线相位中心标定处理器中存储有天线相位中心标定单元10。

在本发明中，天线相位中心标定单元10采用matlab7.3软件编程来实现各项指令的运行。

为了测量两个天线之间的距离，该系统可以增加激光测距仪21。

为了测量两个天线是否与开阔场地20的金属接地板201保持平行，该系统可以增加水平尺22。

在本发明中，所述的场地插入损耗（Site Insertion Loss,SIL）是指在试验场地上指定位置放置的一对极化匹配天线两者之间的插入损耗。

本发明设计的一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统的硬件连接关系：GPIB卡11插接在天线相位中心标定处理器上；

GPIB卡11的A端口与矢量网络分析仪13的C端口通过信号线连接；

GPIB卡11的B端口与联动控制单元12的A端口通过信号线连接；

联动控制单元12的B端口与第一伺服驱动电机12A通过信号线连接；

联动控制单元12的C端口与第二伺服驱动电机12B通过信号线连接；

矢量网络分析仪13的A端口与第一衰减器20B的A端口通过射频线缆连接；第一衰减器20B的B端口与参考天线23通过信号线连接；

矢量网络分析仪13的B端口与第二衰减器20D的A端口通过射频线缆连接；第二衰减器20D的B端口与待测天线24通过信号线连接；

第一衰减器20B安装在第一天线升降塔20A上；

第一衰减器20B安装在第二天线升降塔20C上；

第一天线升降塔20A和第二天线升降塔20C安装在开阔场地20的金属接地板201上。

下面将对本发明基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统中应用到的各个器件所实现的性能进行详细说明。

（一）开阔场地20

在天线计量和电磁兼容测试中，开阔场地用于模拟电磁波传播的半自由空间，即被测天线24电磁波入射到开阔场地20的金属接地板201上发生全反射。高性能开阔场地是一个面积足够大的空旷场地，通常选择在山区且远离公路、铁道等主干道，空中应无电线等架空线，且与邻近的大反射体间也应留有足够的间隔。开阔场地金属面应光滑、平坦、导电率均匀、接地良好。国际无线电干扰委员会标准CISPR16-1-4:2012对开阔场地的基本要求做出了规定，如金属接地板201尺寸至少为30米×20米，平坦度优于±10mm，金属接地板201上不能有保护涂层材料等。

参见图2所示，在本发明中，开阔场地20中的金属接地板201上安装有第一天线升降塔20A和第二天线升降塔20B。金属接地板201是由建筑基础架构（水泥柱、木头柱等）支持的，而建筑基础架构是建筑在地基202上的。

（二）第一天线升降塔20A

在本发明中，第一天线升降塔20A采用ETS-Lindgren2175天线升降塔。

第一天线升降塔20A用于参考天线23的安装。

在本发明中，通过第一伺服驱动电机12A驱动参考天线23在第一天线升降塔20A上的上下移动，上下移动的位移量便是参考天线23相对于金属接地板201的高度h_R。

（三）第二天线升降塔20C

在本发明中，第二天线升降塔20C采用ETS-Lindgren2175天线升降塔。

第二天线升降塔20C用于待测天线24的安装。

在本发明中，通过第二伺服驱动电机12B驱动待测天线24在第二天线升降塔20C上的上下移动，上下移动的位移量便是待测天线24相对于金属接地板201的高度h_T。

（四）第一衰减器20B

为了方便说明将第一衰减器20B的一端口记为A端口，另一端口记为B端口。

第一衰减器20B安装在第一天线升降塔20A上，且第一衰减器20B的A端口通过射频电缆连接矢量网络分析仪13的A端口，第一衰减器20B的B端口与参考天线23连接。

在本发明中，第一衰减器20B选用采用Agilent8493A的6dB衰减器。

（五）第二衰减器20D

为了方便说明将第二衰减器20D的一端口记为A端口，另一端口记为B端口。

第二衰减器20D安装在第二天线升降塔20D上，且第二衰减器20D的A端口通过射频电缆连接在矢量网络分析仪13的B端口，第二衰减器20D的B端口与待测天线24连接。

在本发明中，第二衰减器20D选用采用Agilent8493A的6dB衰减器。

（六）激光测距仪21

在本发明中，激光测距仪21用于精确测量第一天线升降塔20A与第二天线升降塔20C之间的间距。激光测距仪21选用瑞士徕卡LEICA D8手持式激光测距仪。

（七）水平尺22

在本发明中，水平尺22一方面用于测量被测天线24是否与开阔场地20保持水平，另一方面用于测量参考天线23是否与开阔场地20保持水平。水平尺22选用德国西德宝Stabila品牌的29020（80A型）高精度水平尺。

（八）联动控制单元12

在本发明中，联动控制单元12用于接收天线相位中心标定单元10输出的天线高度指令，然后同步控制第一伺服驱动电机12A和第二伺服驱动电机12B，使得参考天线23和待测天线24在各自的天线升降塔上进行移动。

（九）第一伺服驱动电机12A

在本发明中，第一伺服驱动电机12A用于接收联动控制单元12输出的驱动指令，从而驱动参考天线23达到指定高度。

（十）第二伺服驱动电机12B

在本发明中，第二伺服驱动电机12B用于接收联动控制单元12输出的驱动指令，从而驱动待测天线24达到指定高度。

（十一）参考天线23

参考天线23安装在第一天线升降塔20A上。

在本发明中，参考天线23是指相位中心精确已知，且工作频段至少覆盖待测天线24工作频段的一类天线。本发明中应用的参考天线23可以是标准可计算偶极子天线。标准可计算偶极子天线本质上是一种半波谐振偶极子。其天线系数、天线对之间的场地插入损耗等为公知参数。本发明采用英国国家物理实验室（NPL）研制生产的PRD系列宽带标准可计算偶极子。

（十二）GPIB卡11

在本发明中，GPIB卡11安装在存储有天线相位中心标定单元10的计算机上。GPIB卡11用于按照GPIB通讯协议将设备控制指令转换成能够驱动设备进行相应操作的电信号，以利于计算机应用。

本发明采用美国国家仪器公司NI的GPIB数据采集卡。

（十三）矢量网络分析仪13

矢量网络分析仪13一方面用于测量射频微波参数，另一方面将获取的参考天线23和待测天线24的S21幅度和相位参数经GPIB卡11传输给天线相位中心标定单元10。在本发明中，矢量网络分析仪选用Agilent8257D设备。

（十四）天线相位中心标定单元10

在本发明中，天线相位中心标定单元10存储在天线相位中心标定处理器（可以是一台计算机）中，GPIB卡11安装在天线相位中心标定处理器的接插口上。在启动天线相位中心标定单元10之前，先要打开矢量网络分析仪13进行预热，使其内部射频微波电子器件达到稳定工作状态。然后检查矢量网络分析仪13与第一衰减器20B和第二衰减器20D之间的通讯是否连通，若天线测量环路连通，则在该天线测量环路中对第一衰减器20B的B端口和第二衰减器20D的B端口进行S参数的双端口校准。

参见图3所示，天线相位中心标定单元10包括有天线初始高度设置模块101、高度联动控制模块102、一次采集数据模块103、二次数据采集模块104、N次数据采集模块105、天线相位中心标定模块106、天线相位中心均值收敛判断模块107；下面将详细说明天线相位中心标定的过程：

系统初始化下，天线高度设定模块101用于设置参考天线23和待测天线24的高度。

若进行第一次天线高度设置时，参考天线23的高度记为待测天线24的高度记为

若进行第二次天线高度设置时，参考天线23的高度记为待测天线24的高度记为

若进行第N-1次天线高度设置时，参考天线23的高度记为待测天线24的高度记为

若进行第N次天线高度设置时，参考天线23的高度记为待测天线24的高度记为

若进行第N+1次天线高度设置时，参考天线23的高度记为待测天线24的高度记为

高度联动控制模块102将接收到的天线高度信息转化为GPIB指令传输给第一伺服驱动电机12A和第二伺服驱动电机12B。通过第一伺服驱动电机12A驱动参考天线23到达所需测量的天线高度，通过第二伺服驱动电机12B驱动待测天线24到达所需测量的天线高度。

在本发明中，场地插入损耗是指矢量网络分析仪13输出的S21测量值，包括幅度A和相位值

在本发明中，每一次调整天线的高度都要进行一次S21测量值的采集。对于第一次的S21测量值的采集称为一次场地插入损耗。对于第二次的S21测量值的采集称为二次场地插入损耗。对于第N次的S21测量值的采集称为N次场地插入损耗。为了方便说明，将第N次的S21测量值的采集称为当前次的采集，且得到的场地插入损耗称为N次插入损耗；不失一般性，将第N次的前一次称为N-1次，得到的场地插入损耗称为N-1次插入损耗；将第N次的后一次称为N+1次，得到的场地插入损耗称为N+1次插入损耗。

一次采集数据模块103用于接收矢量网络分析仪13输出的一次场地插入损耗。

所述一次场地插入损耗是指矢量网络分析仪13输出的S21测量值，包括幅度A^a和相位值

二次数据采集模块104用于接收矢量网络分析仪13输出的二次场地插入损耗。

所述二次场地插入损耗是指矢量网络分析仪13输出的S21测量值，包括幅度A^b和相位值

N次数据采集模块105用于接收矢量网络分析仪13输出的N次场地插入损耗。。

所述N次场地插入损耗是指矢量网络分析仪13输出的S21测量值，包括幅度A^N和相位值

不失一般性，N次场地插入损耗也称为当前次场地插入损耗。前一次（即N-1次）场地插入损耗是指矢量网络分析仪13输出的S21测量值，包括幅度A^N-1和相位值后一次（即N+1次）场地插入损耗是指矢量网络分析仪13输出的S21测量值，包括幅度A^N+1和相位值

天线相位中心标定模块106第一方面接收一次场地插入损耗的幅度A^a和相位值第二方面接收二次场地插入损耗的幅度A^b和相位值第三方面依据反射波波程-反射系数不变策略对一次场地插入损耗和二次场地插入损耗进行处理，得到待测天线相位中心相距待测天线相位中心参考点的偏移量（简称为待测天线相位中心偏移量）。

在本发明中，在求取所述待测天线相位中心偏移量后，由于待测天线相位中心参考点位置为事先设定，为已知量，故能够较为简单地获得待测天线相位中心位置。

参见图4所示，将参考天线23（也称为接收天线）和待测天线24（也称为发射天线）构建在一个全局坐标系O-XZ中。参考天线23的相位中心精确已知，位于处，设置待测天线24的相位中心参考点位置记为并以为原点建立局部坐标系在局部坐标系中待测天线24的实际相位中心的位置记为在本发明中，由于（一）参考天线23和待测天线24在高度调节时，各自的相位中心相对位置是不会发生变化的；（二）开阔场地模拟为半自由空间，实际测量布置在Y轴方向上具有对称性，因此不考虑相位中心在Y轴方向上的偏移量。

为了准确获得待测天线相位中心偏移量，减小测量不确定度带来的标定误差，本发明采用N次场地插入损耗测量数据，从中选取任意两次场地插入损耗，依据“反射波波程-反射系数不变策略”来求解K_N次天线相位中心标定，其中待测天线相位中心偏移量即为K_N次计算结果的平均值，记为X轴上的坐标均值为和Z轴上的坐标均值为

所述X轴上的坐标均值K_N表示天线标定的总次数；i表示天线标定的求和指标；x_i表示在天线标定的求和指标i下的待测天线相位中心在X轴上的偏移量。

所述Z轴上的坐标均值K_N表示天线标定的总次数；i表示天线标定的求和指标；z_i表示在天线标定的求和指标i下的待测天线相位中心在Z轴上的偏移量。

本发明的“反射波波程-反射系数不变策略”基本原理如下：

根据标准场地法（Standard Site Method,SSM）的基本原理，基于几何光学近似原理，公式（1）给出了水平极化匹配下接收天线（即待测天线）的接收场强E_H。

其中，

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，j为单位虚数，为与频率（波长）相关的波常数，λ为波长，π为3.14，d_直射波为直达电磁波的传播距离，d_反射波为经金属接地板201反射后的电磁波的传播距离，为反射系数相角，ρ_h为反射系数幅度，|ρ_h|e^jφh为反射系数（复数）。D为天线相位中心在开阔场金属反射板上的投影距离，h_T为发射天线相位中心相对金属反射板的离地高度，h_R为接收天线相位中心相对金属反射板的离地高度。

公式(2)给出了场地插入损耗SIL和接收场强之间的量化关系：

$\mathrm{SIL}=\frac{79.58\sqrt{30P_{T}G}\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{{2f}_{\mathrm{MHz}}\×E_H}---\left(2\right)$

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，AF_T表示发射天线的自由空间天线系数，AF_R表示接收天线的自由空间天线系数，f_MHz表示工作频率，E_H表示水平极化匹配下接收天线的接收场强。

联立式（1）和式（2），可得：

其中 $V=\frac{39.79\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{f_{\mathrm{MHz}}},$ 为标量。

本发明的“反射波波程-反射系数不变策略”中，参考天线23和待测天线24是沿相反方向上下（沿Z轴）进行高度调节，调整前后高度关系记为 其中Δh为高度调整量，即参考天线23和待测天线24高度调节满足式（4）。

$h_T^b+h_R^b=h_T^a+h_R^a---\left(4\right)$

这种高度调节方式有两点作用：1）可保证反射波的波程d_反射波不变；2）可保证地面反射系数（复数）|ρ_h|e^jφh不变；

满足条件式（4）的参考天线23和待测天线24两次高度，可使得两次地面反射波的角度γ_a＝γ_b＝γ，根据反射系数计算公式，可知反射系数ρ_h＝|ρ_h|e^jφh的值不变。

${\mathrm{\ρ}}_h=\frac{\sin \mathrm{\γ}-{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}{\sin \mathrm{\γ}+{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}---\left(5\right)$

其中，γ表示地面反射波的角度（简称为反射波角度），K表示相对介电常数，j表示单位虚数，λ表示波长，σ表示金属电导率。

因此，基于本发明提出的一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定方法，由式(3)能够推导获得两次不同天线高度下，测量的两次场地插入损耗的关系：

其中，SIL^a表示参考天线23和待测天线24在前一次高度下的场地插入损耗测量结果，SIL^b表示参考天线23和待测天线24在后一次高度下的场地插入损耗测量结果。

根据式（6）两边相位相等，能够得到反射波波程-反射系数不变模型PM_a,b：

其中，

其中，

A^a表示一次场地插入损耗的幅度值，表示一次场地插入损耗的相位值；

A^b表示二次场地插入损耗的幅度值，表示二次场地插入损耗的相位值；

为与频率（波长）相关的波常数，λ为波长，π为3.14。

本发明设计的待测天线的天线相位中心标定，由于需要进行N次天线高度设置下的数据采集，并进行K_N次天线相位中心标定。在进行K_N次天线相位中心标定过程采用了数值迭代方法或优化算法进行求解分析。所述优化算法请参考玄光男，程润伟著的《遗传算法与工程优化》，北京，清华大学出版社，2004。

天线相位中心均值收敛判断模块107第一方面接收N次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心第二方面接收N+1次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心第三方面依据天线相位中心均值收敛准则，判断相位中心标定是否收敛。如果未收敛，返回天线高度设定模块101重新进行场地插入损耗测量；如果收敛，则结束天线相位中心标定，并输出标定结果。

本发明中采用的收敛准则是指同时满足下述收敛条件一和收敛条件二：

所述收敛条件一为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{x}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{x}}_N|}{{\stackrel{\‾}{x}}_N}\≤1\%;$

所述收敛条件二为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{z}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{z}}_N|}{{\stackrel{\‾}{z}}_N}\≤1\%.$

是采用N次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的X轴上的偏移量；

是采用N+1次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的X轴上的偏移量；

是采用N次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的Z轴上的偏移量；

是采用N+1次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的Z轴上的偏移量；

1%是指本发明所规定的收敛精度。

本发明的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定步骤为：

（A）开启矢量网络分析仪13，使其预热进入稳定工作状态；

（B）在天线升降塔上安装参考天线23和待测天线24；

（C）检查矢量网络分析仪13与第一衰减器20B、第二衰减器20D的射频线缆接口；

（D）检查天线相位中心标定处理器上GPIB卡11，以及GPIB卡11与矢量网络分析仪13的连接；

（E）启动天线相位中心标定单元10；

（F）参数设置参考天线23和待测天线24的高度指令；

（G）联动控制单元12接收高度指令，并指导第一伺服驱动电机12A和第二伺服驱动电机12B，使参考天线23和待测天线24到达指定高度；

（H）一次采集数据单元进行天线高度信息采集；

（I）重复执行步骤（F）、步骤（G）和步骤（H），二次采集数据单元进行天线高度信息采集；

（J）重复执行步骤（F）、步骤（G）和步骤（H），N次采集数据单元进行天线高度信息采集；

（K）依据反射波波程-反射系数不变策略获得待测天线相位中心位置；

（L）依据天线相位中心收敛准则判断待测天线相位中心位置是否达到收敛，如果收敛，则结束天线相位中心标定，并输出标定结果。

实施例

本实施例中参考天线23和待测天线24选用两幅完全一样的标准可计算偶极子天线。具体型号为英国国家物理实验室NPL研制生产的PRD标准可计算偶极子，谐振频率为900MHz，工作频率为850MHz～950MHz。标准可计算偶极子天线的相位中心精确位于其几何中心处，为了达到对本发明设计的天线相位中心标定以及标定系统的验证目的，选择待测天线几何中心为相位中心参考点，因此其相应的天线相位中心偏移量x和z的理论值均为0。

在中国计量科学研究院天线校准开阔场地进行场地插入损耗实际测试。该场地长60米，宽40米，表面由厚度为10毫米金属钢板焊接而成，整体平整度为±6毫米，中心区域25米×25米范围内平整度为±4毫米。

本实施例中，两幅天线位于该测试场地中心25米×25米范围内，场地插入损耗测试频率为850MHz～950MHz，平均采样201个频点（频率间隔为0.5MHz），参考天线相位中心和待测天线相位中心参考点在开阔场地上的投影距离D=5米，待测天线高度h_T和参考天线高度h_R之和恒为8米，一共测量获得6次不同高度组合下的场地插入损耗值。下表给出了本实施例中待测天线高度h_T和参考天线高度h_R的具体高度。

	D(m)	hT(m)	hR(m)		D(m)	hT(m)	hR(m)
								SIL1	5	4	4	SIL4	5	3.4	4.6
SIL2	5	3.8	4.2	SIL5	5	3.2	4.8
								SIL3	5	3.6	4.4	SIL6	5	3	5

在表中公开的天线高度下，测量得到的6次不同高度组合下的场地插入损耗值的幅度和相位，请参见图5和图6所示。

采用本发明提出的天线相位中心标定方法，计算待测天线相位中心相对于相位中心参考点的偏移量，即进行次天线相位中心标定，得到的待测天线相位中心偏移量均值和图7A和图7B分别给出了标定结果，由图可见，标定结果和理论值0比较，计算误差约为±5mm，高于传统方法的计算精度。

Claims (7)

1.一种基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，该系统包括有天线升降组件、开阔场地(20)；

所述的天线升降组件包括有第一天线升降塔(20A)、第一衰减器(20B)、第二天线升降塔(20C)、第二衰减器(20D)、联动控制单元(12)、第一伺服驱动电机(12A)和第二伺服驱动电机(12B)；

其特征在于：该系统还包括有天线相位中心标定处理器、GPIB卡(11)、矢量网络分析仪(13)、参考天线(23)；

矢量网络分析仪(13)与第一衰减器(20B)和第二衰减器(20D)的连接形成天线测量环路；

所述天线相位中心标定处理器中存储有天线相位中心标定单元(10)；

GPIB卡(11)插接在天线相位中心标定处理器上；

GPIB卡(11)的A端口与矢量网络分析仪(13)的C端口通过信号线连接；

GPIB卡(11)的B端口与联动控制单元(12)的A端口通过信号线连接；

联动控制单元(12)的B端口与第一伺服驱动电机(12A)通过信号线连接；

联动控制单元(12)的C端口与第二伺服驱动电机(12B)通过信号线连接；

矢量网络分析仪(13)的A端口与第一衰减器(20B)的A端口通过射频线缆连接；第一衰减器(20B)的B端口与参考天线(23)通过信号线连接；

矢量网络分析仪(13)的B端口与第二衰减器(20D)的A端口通过射频线缆连接；第二衰减器(20D)的B端口与待测天线(24)通过信号线连接；

第一衰减器(20B)安装在第一天线升降塔(20A)上；

第一衰减器(20B)安装在第二天线升降塔(20C)上；

第一天线升降塔(20A)和第二天线升降塔(20C)安装在开阔场地(20)的金属接地板(201)上。

2.根据权利要求1所述的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，其特征在于：在所述天线升降组件中增加激光测距仪(21)和水平尺(22)；激光测距仪(21)用于精确测量第一天线升降塔(20A)与第二天线升降塔(20C)之间的间距；水平尺(22)一方面用于测量被测天线(24)是否与开阔场地(20)保持水平，另一方面用于测量参考天线(23)是否与开阔场地(20)保持水平。

3.根据权利要求1或2所述的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，其特征在于：所述开阔场地(20)的金属接地板(201)尺寸至少为30米×20米，平坦度优于±10mm，金属接地板(201)上不能有保护涂层材料。

4.根据权利要求1或2所述的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，其特征在于：所述天线升降组件用于实现待测天线和参考天线的高度调整。

5.根据权利要求1或2所述的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，其特征在于：所述矢量网络分析仪(13)用于测量参考天线和待测天线的S21幅度和相位参数。

6.根据权利要求1或2所述的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，其特征在于：天线相位中心标定单元(10)包括有天线初始高度设置模块(101)、高度联动控制模块(102)、一次采集数据模块(103)、二次数据采集模块(104)、N次数据采集模块(105)、天线相位中心标定模块(106)、天线相位中心均值收敛判断模块(107)；

天线高度设定模块(101)用于设置参考天线(23)和待测天线(24)的高度；

若进行第一次天线高度设置时，参考天线(23)的高度记为待测天线(24)的高度记为

若进行第二次天线高度设置时，参考天线(23)的高度记为待测天线(24)的高度记为

若进行第N-1次天线高度设置时，参考天线(23)的高度记为待测天线(24)的高度记为

若进行第N次天线高度设置时，参考天线(23)的高度记为待测天线(24)的高度记为

若进行第N+1次天线高度设置时，参考天线(23)的高度记为待测天线(24)的高度记为

高度联动控制模块(102)将接收到的天线高度信息转化为GPIB指令传输给第一伺服驱动电机(12A)和第二伺服驱动电机(12B)；通过第一伺服驱动电机(12A)驱动参考天线(23)到达所需测量的天线高度，通过第二伺服驱动电机(12B)驱动待测天线(24)到达所需测量的天线高度；

一次采集数据模块(103)用于接收矢量网络分析仪(13)输出的一次场地插入损耗；

所述一次场地插入损耗是指矢量网络分析仪(13)输出的S21测量值，包括一次场地插入损耗的幅度值A^a和一次场地插入损耗的相位值

二次数据采集模块(104)用于接收矢量网络分析仪(13)输出的二次场地插入损耗；

所述二次场地插入损耗是指矢量网络分析仪(13)输出的S21测量值，包括二次场地插入损耗的幅度值A^b和二次场地插入损耗的相位值

N次数据采集模块(105)用于接收矢量网络分析仪(13)输出的N次场地插入损耗；

所述N次场地插入损耗是指矢量网络分析仪(13)输出的S21测量值，包括N次场地插入损耗的幅度值A^N和N次场地插入损耗的相位值

天线相位中心标定模块(106)第一方面接收一次场地插入损耗的幅度A^a和相位值第二方面接收二次场地插入损耗的幅度A^b和相位值第三方面依据反射波波程-反射系数不变策略对一次场地插入损耗和二次场地插入损耗进行处理，得到相位中心偏移量；

将参考天线(23)和待测天线(24)构建在一个全局坐标系O-XZ中；参考天线(23)的相位中心记为处，设置待测天线(24)的相位中心参考点位置记为并以为原点建立局部坐标系在局部坐标系中待测天线(24)的实际相位中心的位置记为 中的x为在局部坐标系中的X轴上的值，中的z为在局部坐标系中的Z轴上的值；

根据标准场地法水平极化匹配下待测天线的接收场强E_H为：

其中，

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，j为单位虚数，为与频率相关的波常数，λ为波长，π为3.14，d_直射波为直达电磁波的传播距离，d_反射波为经金属接地板(201)反射后的电磁波的传播距离，φ_h为反射系数相角，ρ_h为反射系数幅度，为反射系数；D为天线相位中心在开阔场金属反射板上的投影距离，h_T为发射天线相位中心相对金属反射板的离地高度，h_R为接收天线相位中心相对金属反射板的离地高度；

在场地插入损耗SIL和接收场强之间的量化关系：

$\mathrm{SIL}=\frac{79.58\sqrt{30P_{T}G}\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{2f_{\mathrm{MHz}}\×E_H}---\left(2\right)$

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，AF_T表示发射天线的自由空间天线系数，AF_R表示接收天线的自由空间天线系数，f_MHz表示工作频率，单位为MHz，E_H表示水平极化匹配下接收天线的接收场强；

联立式(1)和式(2)，可得：

其中 $A=\frac{39.79\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{f_{\mathrm{MHz}}},$ 为标量；

参考天线(23)和待测天线(24)高度调节满足式(4)；

$h_T^b+h_R^b=h_T^a+h_R^a---\left(4\right)$

当满足条件式(4)的参考天线(23)和待测天线(24)两次高度后，可使得两次地面反射波的角度γ_a＝γ_b＝γ，根据反射系数计算公式反射系数的值不变；

${\mathrm{\ρ}}_h=\frac{\sin \mathrm{\γ}-{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}{\sin \mathrm{\γ}+{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}---\left(5\right)$

其中，γ表示反射波角度，K表示相对介电常数，j表示单位虚数，λ表示波长，σ表示金属电导率；

两次不同天线高度下，测量的两次场地插入损耗的关系：

其中，SIL^a表示参考天线(23)和待测天线(24)在第a次天线高度下的场地插入损耗测量结果，SIL^b表示参考天线(23)和待测天线(24)在第b次天线高度下的场地插入损耗测量结果；

根据式(6)两边相位相等，能够得到反射波波程-反射系数不变模型PM_a,b：

其中，

其中，

A^a表示一次场地插入损耗的幅度值，表示一次场地插入损耗的相位值；

A^b表示二次场地插入损耗的幅度值，表示二次场地插入损耗的相位值；

为与频率相关的波常数，λ为波长，π为3.14；

天线相位中心均值收敛判断模块(107)第一方面接收N次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心第二方面接收N+1次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心第三方面依据收敛准则，判断相位中心标定是否收敛；

采用的收敛准则是指同时满足下述收敛条件一和收敛条件二：

所述收敛条件一为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{x}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{x}}_N|}{{\stackrel{\‾}{x}}_N}\≤1\%;$

所述收敛条件二为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{z}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{z}}_N|}{{\stackrel{\‾}{z}}_N}\≤1\%;$

是采用N次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的X轴上的偏移量；

是采用N+1次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的X轴上的偏移量；

是采用N次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的Z轴上的偏移量；

是采用N+1次场地插入损耗测量结果获得的待测天线相位中心相对于参考点的Z轴上的偏移量；

1％是指本发明所规定的收敛精度；

如果未收敛，返回天线高度设定模块(103)重新进行场地插入损耗测量；如果收敛，则结束天线相位中心标定，并输出标定结果。

7.根据权利要求1或2所述的基于场地插入损耗测量的天线相位中心标定系统，其特征在于：对待测天线进行场地插入损耗测量的步骤为：

(A)开启矢量网络分析仪(13)，使其预热进入稳定工作状态；

(B)在天线升降塔上安装参考天线(23)和待测天线(24)；

(C)检查矢量网络分析仪(13)与第一衰减器(20B)、第二衰减器(20D)的射频线缆接口；

(D)检查天线相位中心标定处理器上GPIB卡(11)，以及GPIB卡(11)与矢量网络分析仪(13)的连接；

(E)启动天线相位中心标定单元(10)；

(F)设置参考天线(23)和待测天线(24)的高度；

(G)联动控制单元(12)接收高度指令，并指导第一伺服驱动电机(12A)和第二伺服驱动电机(12B)，使参考天线(23)和待测天线(24)到达指定高度；

(H)一次采集数据单元进行天线高度信息采集；

(I)重复执行步骤(F)、步骤(G)和步骤(H)，二次采集数据单元进行天线高度信息采集；

(J)重复执行步骤(F)、步骤(G)和步骤(H)，N次采集数据单元进行天线高度信息采集；

(K)依据反射波波程-反射系数不变策略获得待测天线相位中心偏移量；

将参考天线(23)和待测天线(24)构建在一个全局坐标系O-XZ中；参考天线(23)的相位中心记为处，设置待测天线(24)的相位中心参考点位置记为并以为原点建立局部坐标系在局部坐标系中待测天线(24)的实际相位中心的位置记为

根据标准场地法水平极化匹配下待测天线的接收场强E_H为：

其中，

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，j为单位虚数，为与频率相关的波常数，λ为波长，π为3.14，d_直射波为直达电磁波的传播距离，d_反射波为经金属接地板(201)反射后的电磁波的传播距离，φ_h为反射系数相角，ρ_h为反射系数幅度，为反射系数；D为天线相位中心在开阔场金属反射板上的投影距离，h_T为发射天线相位中心相对金属反射板的离地高度，h_R为接收天线相位中心相对金属反射板的离地高度；

在场地插入损耗SIL和接收场强之间的量化关系：

$\mathrm{SIL}=\frac{79.58\sqrt{30P_{T}G}\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{2f_{\mathrm{MHz}}\×E_H}---\left(2\right)$

P_T为发射天线的辐射功率，G为发射天线增益，AF_T表示发射天线的自由空间天线系数，AF_R表示接收天线的自由空间天线系数，f_MHz表示工作频率，单位为MHz，E_H表示水平极化匹配下接收天线的接收场强；

联立式(1)和式(2)，可得：

其中 $A=\frac{39.79\×{\mathrm{AF}}_T\×{\mathrm{AF}}_R}{f_{\mathrm{MHz}}},$ 为标量；

参考天线(23)和待测天线(24)高度调节满足式(4)；

$h_T^b+h_R^b=h_T^a+h_R^a---\left(4\right)$

当满足条件式(4)的参考天线(23)和待测天线(24)两次高度后，可使得两次地面反射波的角度γ_a＝γ_b＝γ，根据反射系数计算公式反射系数的值不变；

${\mathrm{\ρ}}_h=\frac{\sin \mathrm{\γ}-{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}{\sin \mathrm{\γ}+{(K-j60\mathrm{\λ\σ}-{\cos }^2\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}}---\left(5\right)$

其中，γ表示反射波角度，K表示相对介电常数，j表示单位虚数，λ表示波长，σ表示金属电导率；

两次不同天线高度下，测量的两次场地插入损耗的关系：

其中，SIL^a表示参考天线(23)和待测天线(24)在前一次高度下的场地插入损耗测量结果，SIL^b表示参考天线(23)和待测天线(24)在后一次高度下的场地插入损耗测量结果；

根据式(6)两边相位相等，能够得到反射波波程-反射系数不变模型PM_a,b：

其中，

其中，

(L)依据天线相位中心收敛准则判断待测天线相位中心位置是否达到收敛，如果收敛，则结束天线相位中心标定，并输出标定结果；

采用的收敛准则是指同时满足下述收敛条件一和收敛条件二：

所述收敛条件一为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{x}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{x}}_N|}{{\stackrel{\‾}{x}}_N}\≤1\%;$

所述收敛条件二为： $\frac{|{\stackrel{\‾}{z}}_{N+1}-{\stackrel{\‾}{z}}_N|}{{\stackrel{\‾}{z}}_N}\≤1\%.$