CN104391183A - 近场测量天线远区场特性快速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线近场测量快速计算远区场特性方法。本方法首先对平面近场扫描得到的两个切向场分量进行二维快速傅里叶逆变换，得到相应的波谱分量，避免二重积分求解大量的时间开销。已知波谱分量的K域离散采样值，采用二维样条插值方法近似计算其余各个目标方向上波谱未知量，计算精度取决于傅里叶变换点数。最后利用仿真得到的开口波导场分布，进行探头补偿，快速修正波谱，用驻相法直接计算天线远区场特性。

Description

近场测量天线远区场特性快速计算方法

技术领域

本发明属于天线近场测量快速计算技术，主要是针对无源天线或有源相控阵天线基于近场测量数据获取远场方向图的近远场变换技术。 

背景技术

现代相控体制雷达天线主要技术指标通常在微波暗室通过平面近场扫描测量获得，可以避免远场测量中开放场地需求及复杂电磁环境对测量精度的影响，尤其适合具有低副瓣、超低副瓣等特殊性能天线的测试。 

平面近场测试主要依据为平面波谱展开理论，即无源区域任何单频电磁波可以表示为沿不同方向传播的一系列平面电磁波叠加，只要已知参与叠加的各个平面波的复振幅，就可以完全确定场的特性。 

平面近场测量通常做法是用一个辐射特性已知的开口波导探头进行极化相互正交（水平极化、垂直极化）的 两次近场扫描测试获得电场的x、y方向分量，之后进行二维傅里叶变换（Fourier Transform）确定谱函数，最后利用驻相法计算得到天线远区场特性。由于探头通常具有一定方向性，探头测试值是待测天线辐射场在探头接收平面上的加权平均，还需经过探头修正考虑探头本身特性的影响。 

近场扫描平面一般距待测天线口面3～5λ，此时可认为平面波谱在k域是带限的，只要平面栅格取样间距满足奈奎斯特(Nyquist)定理，近场扫描采样后得到的离散场分布能够代表所有场信息。此外，平面近场扫描范围设置只需覆盖主波束附近能量，-40db以下能量对远场贡献几乎可以忽略。因此可近似认为场在空域也是范围限定的，因此在谱域也可以进行采样处理。基于以上方法，空域及谱域均为离散采样信号，可利用二维快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)进行波谱的快速计算。远场方向图其它感兴趣的方位、俯仰(Az,El)方向上的波谱值可通过插值获得，省去传统方法中计算二重积分这种较耗时的处理过程。 

探头方向图可以通过预先校准获取，本专利提出的方法是直接在电磁仿真软件中对开口波导建模，仿真结束后导出对应各个测试频点的三维远场数据，可以在近远场快速计算中直接导入，节省时间。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种天线近场测量获取远区三维场特性的快速计算方法。 

实现本发明的解决方案是：探头在扫描平面内按照设定的扫描范围及间距（）进行两次正交采样，得到两个场分量的复振幅信息。为二维矩阵，分别进行二维快速傅里叶逆变换（点数应取2的整数倍，点数不够可以补零扩充）得到对应的波谱分量。然后根据方位角、俯仰角的取值（）计算与其对应的坐标（），并在K域对进行二维样条插值，之后利用驻相法计算远区场分量（分量）。探头的远区场分量通过电磁仿真软件导出，利用该结果进行探头修正最终得到经过补偿后的真实的待测天线远区场特性，并绘制三维方向图。整个流程见图4。 

本技术方法的关键设计点是：直接对傅里叶变换得到的波谱进行二维样条插值，得到方位、俯仰目标方向上的波谱未知值。具体的工作流程： 

首先寻找波谱取样值与自变量（）离散值对应关系，空域的采样对应谱域的周期延拓，延拓周期取决于空域的采样间隔，采样间隔对应谱域波谱界限，。快速傅里叶变换方法同样在谱域做采样处理，采样点数必须大于空域采样点数，并且为2的整数次幂。采样点数一旦选定，在波谱界限范围内对（）做等间隔离散化就可以得到（）。

其次，按照坐标变换公式将方位、俯仰坐标转化为对应的kx、ky坐标，并用二维插值方法确定未知波谱值。插值精度取决于傅里叶变换点数，只要点数取足够大，就能保证插值后波谱精度。 

本发明中的快速计算方法用Matlab语言编程并提供GUI界面，目前已应用于相控阵产品测试。 

本发明与现有技术相比，其显著优点为： 1.开口波导三维场特性通过仿真软件仿真得到，不需要实际测试；2.利用二维傅里叶变换及二维插值快速计算目标方向上波谱，不需要计算二重积分；3.可以直接计算直角坐标、方位俯仰球坐标、theta/phi球坐标系下三维场特性，只需要进行坐标变换。4.可以对三维方向图任意面切割，得到二维方向图。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

附图说明

图1(a)水平极化开口波导立体方向，图1(b)垂直极化开口波导立体方向图 

图2二维傅里叶逆变换计算的波谱分量A_y分布图(等高线) 

图3.经过探头修正后计算得到的天线(8×80阵列)三维方向图 

图4.近场测试快速计算天线远区三维场特性流程图 

具体实施方式

1.在仿真软件中对标准开口波导探头按照频段划分建模仿真，开口波导为水平极化（波导窄边方向沿X轴放置），得到各频段下每个测试频点远区三维场特性数据，导出分量在球坐标系下（Theta/Phi）的幅度及相位值。Theta/Phi的取值间隔越小，导出数据文件越大，方向图越精细。 

2.  对步骤1中仿真软件导出的数据进行提取，特殊情况下（视仿真软件导出数据格式而定）需要将数据重新排列，形成标准球坐标系格式：，。开口波导垂直极化（波导窄边方向沿Y轴放置）场与水平极化场沿Z轴旋转90°等效，可通过对水平极化场数据简单处理得到，不需要单独仿真。两个极化对应的立体方向图在Matlab中重构效果如图1所示。 

3.  探头在扫描平面内按照设定的采样间距（水平间距dx、垂直间距dy）进行两次正交采样，得到两个场分量的幅度及相位信息。在极化纯度较高情况下，也可以只采样一次主极化分量，另一个正交场分量近似为零。 

4.  将采样得到的离散场分量、分别进行二维傅里叶逆变换，得到同样离散的波谱分量、，见图2。其中，，M，N为傅里叶变换点数。傅里叶逆变换过程的关键之处在于确定谱分量自变量及的离散取值，存在以下对应关系，，,。谱函数中自变量或大于的部分对应的平面波为凋落波，对远区场贡献很小，实际计算中不予考虑。 

5. 进行Az/El坐标系到Theta/Phi坐标系的坐标变换，得到的具体取值，与一一对应。此时需要处理的问题可以描述为，根据已有样本值、获取未知的自变量为下的、值。二维插值操作能够快速完成该过程，插值方法选取样条插值。 

6.  根据步骤5得到的、计算，之后采用驻相法求远区场分量、及。最后进行矢量坐标变换，得到、，远区不存在径向分量。 

7.  利用步骤2得到的探头水平极化及垂直极化两种情况下的场数据对、进行探头修正，得到修正后场分量、。 

8.根据修正后的场数据计算三维立体方向图，见图3。任意的二维方向图（Az或El取固定值情况下）可通过对立体方向图进行切割得到。 

Claims (2)

1.一种天线近场测量快速计算远区场特性方法，其特征在于：首先控制扫描架探头在二维平面内离散采样天线近区电场垂直、水平分量，利用二维傅里叶变换方法快速计算各自对应的波谱分量；波谱自变量离散取值可以根据变换关系严格确定，然后利用空间坐标与k坐标的映射关系，采用二维插值方法计算其余目标方向上的波谱未知量，用驻相法初步确定天线远区场分布；然后通过电磁仿真软件对探头进行建模，仿真得到各个频点对应的探头水平及垂直极化远区三维场分布，并利用计算结果对天线方向图进行探头补偿，得到真实的场分布信息。

2.一种如权利要求1所述的天线近场测量快速计算远区场特性方法，其特征在于：波谱计算过程均采用快速算法，利用傅里叶变换和插值方法避免耗时较长的积分运算，具体步骤为：将电场的切向分量采样值进行补零操作，使其两个维数均为2的整数倍，对其进行二维FFT变换得到离散的波谱值；根据空域与谱域自变量的对应关系，将波谱值映射到对应的K域坐标；最后，将计算方向图的远区空间坐标换算为相应的K域坐标，使用二维样条插值根据已知的某些坐标上的波谱值求解特定坐标上的波谱未知量。