CN103364645A - 虚拟馈电网络的天线阵列近场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种虚拟馈电网络的天线阵列近场测量方法。首先设定一个符合天线阵列波束扫描范围要求并满足取样定理的近场测量区域，然后依次对每一个天线辐射单元，在同一个取样位置测量获得近区电磁场矢量数据，其他未被测量的单元连接匹配负载。所有单元测量完成后，依次在每一个取样位置上，对所有天线辐射单元的测量数据按照任意加权规则进行矢量叠加，虚拟出馈电网络，以获得天线阵列在该虚拟馈电网络下的近区电磁场数据，最后再经过严格的近远场数学变换计算出远区场的电特性，分析评估天线阵列的性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及天线近场测量、相控阵的波束形成技术领域，在近场测量的基础上，采用虚拟馈电网络的方法对天线阵列在各项功能下的性能指标进行分析评估。
背景技术
本发明用于虚拟馈电网络的天线阵列的近场测量。
天线阵列是相控阵雷达最为常用的天线类型，天线阵列的性能由天线辐射单元自身的性能、单元间的匹配特性和馈电网络的性能三者共同决定，而天线辐射单元和馈电网络往往在研制过程中分别进行设计。馈电网络能够采用网络分析仪直接测量获得其性能，天线单元自身的性能和单元间的匹配特性也能够通过远场辐射测量的手段获知。但是对于天线阵列，其功能相对于天线辐射单元发生了质的变化，不仅要具备电磁波辐射和接收功能，还要通过调整每一个单元辐射和接收的幅度和相位，灵活实现天线波束扫描、副瓣抑制、波瓣展宽、差波束接收等功能。因此对天线阵列性能指标的测量、分析和评估，是相控阵雷达天线研制过程中必不可少的项目。
一种直接测量方法是引入输出口数量与天线阵列单元数量相同的功率分配网络，并在网络的每一个输出口接入一只幅相调整模块，模块之后再接入天线辐射单元，通过幅相调整模块调整幅度和相位，实现天线阵列的波束扫描、副瓣抑制、波瓣展宽、差波束接收等功能，最后通过近场测量获得该天线阵列在各功能下的电磁辐射方向图，分析评估其性能指标。
另一种是采用数字波束形成(DBF)的方法，天线阵列的每一个天线辐射单元接入一只数字矢量接收模块，同时接收近场探头的辐射电磁场，并将所有模块的接收数据按模块编号和取样位置一一对应保存。取样测量完成后，在每一个取样位置对所有模块的接收数据按波束扫描、副瓣抑制、波瓣展宽、差波束接收等加权规则进行加权合成计算，获得各波束的近场测量结果，最后采用近远场变换计算获得天线阵列在各功能下的方向图，分析评估其性能指标。
前一种方法为直接测量方法，该方法引入了功率分配网络和幅相调整模块，实验成本高，并且功率分配网络的工作频带，输出端幅度和相位的一致性，端口间的隔离度，幅相调整模块的工作频带，幅度和相位调整范围和调整精度等，这些指标参数直接制约着天线阵列的性能，并且测量结果中无法去除馈电网络带来的影响，不能准确反映出天线阵列的性能。
后一种采用了数字相控阵的射频系统进行测量，实验成本远高于前者，各数字矢量接收模块的一致性必须一一进行校准，并且数字矢量接收模块相对于专用的射频测量仪器仪表在接收范围、测量精度和线性度上均有一定的差距。随着天线阵列中单元数量的增加，射频系统将变得庞大，实验成本将非常巨大。
为了降低实验成本，保证测量的范围和精度，同时测量结果又能够直接表征出天线阵列的性能，本专利提出了虚拟馈电网络的天线阵列近场测量方法，该方法低成本，高精度，且易于实现。
阵列天线的波束形成原理是，阵中的每一个单元在空间中的电磁场矢量叠加形成近区场或远区场，按照一定加权规则调整各单元的幅度和相位，以获得不同的波束形状从而实现相应的波束功能。基于该原理，通过测量每一个天线辐射单元在近场空间中的电磁场并将数据保存到计算机内，然后虚拟出馈电网络，采用符合波束形成的加权规则，在同一取样位置上对所有单元的测量数据进行矢量叠加合成，最后将合成数据经近远场变换计算获得虚拟馈电网络的天线阵列的波束方向图，分析评估其性能指标。
发明内容
本发明的目的是：提供一种虚拟馈电网络的天线阵列近场测量方法，能够对天线阵列灵活的采用任意矢量加权规则，并通过近场测量的方法获得天线阵列的波束方向图用于分析评估其性能指标，实验成本低，测量动态范围和精度高，测量结果能够直接表征出天线阵列的性能。
实现本发明的解决方案是：首先设定一个符合天线阵列波束扫描范围要求并满足取样定理的近场测量区域，然后采用一路射频测量通道，依次对阵列中的每一个天线辐射单元，在同一个取样位置测量获得近区电磁场矢量数据，其他未被测量的单元连接匹配负载。所有单元测量完成后，依次在每一个取样位置上，对所有天线辐射单元的测量数据按照任意加权规则进行矢量叠加，虚拟出馈电网络，以获得天线阵列在该虚拟馈电网络下的近区电磁场数据，最后再经过严格的近远场数学变换计算出远区场的电特性（方向图）。按照天线阵列的波束扫描、副瓣抑制、波瓣展宽、差波束接收等功能改变加权规则，虚拟出不同的馈电网络，叠加获得的近区电磁场数据，再经过近远场变换计算获得相应的天线方向图，分析评估天线阵列的性能指标。
本技术方法的关键设计点是：能够采用任意加权规则的虚拟馈电网络实现方法，该方法的基本工作流程是：
依次对阵列中的每一个天线辐射单元，按相同的取样区域和取样位置测量获得近区电磁场矢量数据并保存，其他未被测量的单元连接匹配负载。所有单元测量完成后，依次在每一个取样位置上，对所有天线辐射单元在该取样位置的近场矢量数据，按照任意加权规则进行矢量叠加，以获得天线阵列在该加权规则下的近场测量数据。
该方法由近场测量系统进行数据采集，在计算机中通过软件编程设定加权规则对所有单元的测量数据进行矢量叠加处理，该软件采用MATLAB C语言编程，已应用于工程实际。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1.馈电网络是虚拟的，可在数据处理中作任意修改，能够对天线阵列灵活的采用任意加权规则形成各种功能的波束；2.对每一个天线辐射单元仅需要进行1次近场测量，数据可在任意虚拟馈电网络中重复使用，并且可采用一次测量多个频点的办法以节省测量时间；3. 实验成本远低于采用实际馈电网络或接收机模块的方法；4.直接采用近场测量系统的射频测量仪器仪表，能够获得较高的动态范围、测量精度和线性度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是平面近场测量取样范围计算方法示意图。
图2是本发明的系统连接和测量方法示意图。
图3是本发明的实施方法流程图。
具体实施方式
以平面近场测量为例，球面近场、柱面近场均可参照本方案进行。本发明具体实施方法为：
1. 已知单元数量N的天线阵列的尺寸大小为L，取工作频率范围内的测量频点数量Fn，平面近场测量距离D取天线工作频率范围最大波长的3~10倍，考虑到平面近场测量的有限扫描面所造成的误差，取最大可信远场角为±θ，则平面近场测量的取样最小范围 
（见图1）。
2. 在不小于L的取样范围上，按取样间隔不大于天线工作频率范围最小波长的1/2均匀设定取样点数量为K（见图2）。
3. 按图2所示，将射频测量系统一端连接至探头，另一端连接至天线辐射单元n=1，其余单元接入匹配负载，然后按步骤2设定的K个取样点，对单元1进行频点数量Fn的平面近场测量， 获得测量矢量数据为E n,k,fn ，其中n为单元编号，k为取样点编号，fn为频率点编号，fn=1~Fn。
4. 连接至下一个天线辐射单元n，其余单元接入匹配负载，重复步骤3，获得该单元的测量数据E n,k,fn 。
5. 重复步骤2~3直到N个天线辐射单元测量完成。
6. 根据天线阵列波束形成的功能和指标要求，对所有天线辐射单元在频率点fn上取加权系数为X n,fn ，则天线阵列在取样点k上的合成电磁场为：
按上式将所有测量数据在K个取样点上分别进行合成，从而获得天线阵列在该加权系数下，每个频率点fn和每个取样点k对应的近场测量数据E k,fn 。
7. 将E k,fn 代入数据处理软件进行近远场变换计算，获得阵列天线的方向图，并按波束的功能分析评估其性能指标。
8. 重复步骤6~7，通过更改加权系数X n,fn 以获得多项功能和性能指标的天线阵列波束方向图，分析评估天线阵列在各项功能下的性能指标。
Claims (2)
1.一种虚拟馈电网络的天线阵列的近场测量方法，其特征为：依次对每一个天线辐射单元，在同一个取样位置测量获得近区电磁场矢量数据，其他未被测量的单元连接匹配负载；所有单元测量完成后，采用虚拟馈电网络方法对数据进行矢量叠加处理，以获得天线阵列在该虚拟馈电网络下的近区电磁场数据。
2.一种根据权利要求1所述的虚拟馈电网络的天线阵列的近场测量方法，其特征在于所述虚拟馈电网络方法为：依次在每一个近区取样位置上，对所有天线辐射单元的测量数据按照任意加权规则进行矢量叠加，模拟出馈电网络。
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