CN104764938A

CN104764938A - 自带相参通道的天线近场测量方法

Info

Publication number: CN104764938A
Application number: CN201510104354.5A
Authority: CN
Inventors: 杨顺平; 杜艳; 何海丹
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: CN104764938B

Abstract

本发明提出的一种自带相参通道的天线近场测量方法，幅相接收机把AUT收到的信号耦合回来进行幅度相位测量,把测量数据传输给PC，完成数据处理和测量最终结果输出；在天线近场测量中，扫描控制器通过控制单刀双掷开关分时发送相位参考信号和测试信号，幅相接收机对收到的信号，以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号，再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号；然后将测试信号除以相位参考信号，得到测量探头与AUT在特定采样位置下相对参考探头的幅度相位信息，计算机根据各个采样点测量的幅度相位数据，采用近场测量理论的近远场变换和近近场变换，获得天线的远场和近场辐射特性。

Description

自带相参通道的天线近场测量方法

技术领域

本发明涉及天线近场测量领域，具体涉及变频天线和数字化接收天线的近场测量方法。

技术背景

在传统的天线研制中，人们习惯采用远场测量的方法来测量天线的辐射特性。远场测量虽然可以直接测量出天线的基本性能,但也存在多方面的不足,很容易受到多种外部因素的影响,难以真实的反映天线的实际性能。近场测量技术利用探头在天线口面上做扫描运动，测量口面上的幅度和相位，然后把近场数据转换成远场。由于近场测量只需测量天线口面上的场，可避免远场测量的诸多缺点，而成为独立的一门测量技术。与远场测量不同的是，其通过采集天线近场区域辐射场的数据，经近场--远场变换，由计算机得到天线的远场特性。现有技术采用的近场扫描法是用一个特性已知的探头，在离开待测天线几个波长的某一表面进行扫描，测量天线在该表面离散点上的幅度和相位分布，然后应用严格的模式展开理论，确定天线的远场特性。测量面可以是平面、柱面或球面，相应的近场扫描法称为平面、柱面或球面近场测量。任何近场测量方法都需在指定的曲面上规则地采集幅度和相位数据。给定曲面几何形状，数据和参考天线(探头)的特性，通过测量天线的近场特性，经近场-远场变换，由计算机处理、确定待测天线的远场特性。最常用的扫描技术包括:平面近场(PNF)，柱面近场(CNF)和球面近场(SNF)。每一种都需将平动与转动组合实现在理想曲面上的扫描。近场扫描法测量系统主要由射频子系统，扫描子系统，数据采集处理系统等组成。最简单的射频子系统包含能够向AUT提供射频功率的某种类型的信号源以及能够检测探头接收信号的接收机。在数据采集系统中，幅度和相位数据在测量表面的已知位置采集，通过扫描探对特定位置处场值的记录，计算机存储生成所测得的数据，再由计算机通过傅里叶变换实现近场远场数据转换，从而得到天线的远场特性，再可由计算机软件绘出相应远场的幅值和相位随位置的变化的波形图。平面近场(PNF)，圆柱面近场(CNF)和球面近场(SNF)每一种都需要将平移与转动相结合完成理想面上的扫描。对平面近场测量而言，其主要误差源有18项，这些误差源大致分为四类，即探头误差、测试仪表误差、环境误差以及计算误差。这些误差源所产生的误差对大多数常规天线测量的影响几乎可以忽略不记，但对超低副瓣天线等一系列高性能天线的测量，这些误差源所产生的误差几乎每项都必须予以补偿或修正。这些补偿与修正也不断促进着近场扫描法的推广及应用。由于近场扫描法中近场--远场变换理论中，需要近场的幅度和相位信息，而场的相位信息是难以测量，最近国内外提出近场无相测量技术，通过只测量近场扫描面的幅度分布，可直接获取场的相位信息，进而完成天线的远场特性的测量。随着技术发展，天线的集成度越来越高，很多天线直接将信道集成一起，成为不可以拆离的整体。同时天线数字化趋势也越来越明显，很多天线直接采用数字接口。如果天线采用近场测量方法，由于近场测量需要有参考通道，以提供相位参考。但对于上述两种情况，如果采用传统测量方法，那么被测天线上必须预留参考通道，以提供相位参考。这样对设备的设计生产提出了额外要求，特别对于某些结构重量要求严格的应用，限制增加参考通道，这使得传统的近场测量方法不再适用，需要有相应的测试手段以实现上述天线的测量。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种不需要额外相位参考通道就可实现对近场数据幅度、相位的测试的自带相参通道的天线近场测量方法，以解决传统近场测量中需要独立参考通道的问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于包括如下步骤：在天线近场测量系统中,将被测天线AUT作为接收天线，测量探头和参考探头作为发射天线，近场扫描架安装在位于被测量天线口面近场辐射区；提供测量信号的单刀双掷开关一端连接信号源，另外两端分别连接参考探头和测量探头，幅相接收机通过接口连接计算机PC相连，幅相接收机把AUT收到的信号耦合回来进行幅度相位测量,把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；扫描控制器分别与单刀双掷开关、幅相接收机和近场扫描架相连，控制控制扫描控制器、单刀双掷开关和幅相接收机三者的同步；在天线近场测量中，扫描控制器通过控制单刀双掷开关分时发送相位参考信号和测试信号，幅相接收机对收到的信号，以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算收到信号的幅度相位，再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号；然后将测试信号的幅度和相位除以相位参考信号的幅度相位，即可得到测量探头与AUT在特定采样位置下相对参考探头的幅度相位信息，计算机根据各个采样点测量到的幅度相位数据，采用近场测量理论的近远场变换和近近场变换，获得天线的远场和近场辐射特性。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

由于在天线的近场测量中，通过将相位参考信号和测试信号分时发送，使得测试信号自带相位参考信号，从而实现接收机不需要额外的相位参考通道就可以实现对近场数据幅度、相位的测试，完成天线近场测试功能。

本发明幅相接收机把AUT收到的信号耦合回来进行幅度相位的测量；幅相接收机通过接口与PC相连，把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；扫描控制器分别与单刀双掷开关、幅相接收机和扫描架相连，控制三者的同步，不仅保持了近场测量的各种优点，同时，在天线的近场测量中，通过将相位参考信号和测试信号的分时发送，使得测试信号自带相位参考信号，从而实现接收机不需要额外的相位参考通道就可以实现对近场数据幅度、相位的测试，完成天线近场测试功能,从而解决了传统近场测量中需要独立参考通道的问题，正因为无需额外参考通道，使得测试设备和被测设备可以完全独立设计，因此本发明可以应用于常规天线、含有变频通道的天线和数字化天线的近场测量领域，且特别适用于设备的现场检测应用。

本发明可以应用于常规天线、含有变频通道的天线和数字化天线的近场测量领域。

附图说明

图1是本发明自带相参通道的天线近场测量系统的工作原理示意图。

图2是图1测量探头水平连续垂直步进扫描示意图。

图3是发射天线的发射信号和幅相接收机接收信号的时序构成图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，自带相参通道的天线近场测量系统包括一个电连接单刀双掷开关的信号源，一个被测天线AUT，一个幅相接收机，一个近场扫描架，一个装在扫描架上的测量探头，一个装在被测天线附近参考探头，参考探头为位置固定，不随扫描架移动的探头，一个扫描控制器和一台计算机。如被测天线为数字天线，也可以使用天线内部的接收机。在天线近场测量系统中,将被测天线AUT作为接收天线，测量探头和参考探头作为发射天线。近场扫描架安装在位于被测量天线口面的近场辐射区。提供测量信号的单刀双掷开关一端连接信号源，另外两端分别连接参考探头和测量探头。幅相接收机通过接口连接计算机，幅相接收机把AUT收到的信号耦合回来进行幅度相位测量,把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出。扫描控制器分别与单刀双掷开关、幅相接收机和近场扫描架相连，控制扫描控制器、单刀双掷开关和幅相接收机三者的信号同步；在天线近场测量中，扫描控制器通过控制单刀双掷开关使得参考探头产生的相位参考信号和测量探头产生的测试信号被分时发送，幅相接收机对从被测天线AUT收到的接收信号，以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算出测试信号的幅度相位，再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算参考信号的幅度相位；然后将测试信号除以参考信号，即可得到测量探头与AUT在特定采样位置下相对参考探头的幅度相位信息，计算机根据各个采样点的测量到的幅度相位数据，采用近场测量的算法，得到天线的近场和远场辐射特性。

相控阵天线通道幅相特性近场测量所选择的扫描面可以是平面，也可以是柱面或者球面，只要AUT辐射的电磁波未穿过该曲面的部分少到可以被忽略。相控阵天线通道幅相特性近场测试点按照近场测量的采样原则对采样面进行离散化，以一定的间隔进行采样。

测量时，信号源发出的信号，测量探头进行移动，幅相接收机在每一个测试点进行数据采集时，单刀双掷开关做一次切换，以保证测试探头和参考探头都做一次固定时间长度的信号发射，并且开关切换时长固定，

参阅图2。近场探头的扫描曲面为一个平面β，平面足够大，使得AUT辐射的电磁波未穿过扫描平面的部分可以被忽略。在扫描控制器控制下，探头的扫描轨迹可以是如图2所示的水平连续垂直步进，也可以是垂直连续水平步进。在扫描平面内，控制器选择N个点作为测量点。根据空间采样定理，相邻测量点的水平和垂直距离都要小于半个波长，通常这些测量点是均匀分布。显然采样点数N，决定于扫描面积和相邻测量点间距离。根据被测天线的特性，扫描曲面也可以是球面或者圆柱面。

测量时，信号源发出的信号，在每个测量点进行数据采集时，单刀双掷开关做一次切换，保证测试探头和参考探头都做一次固定时间长度的信号发射，并且单刀双掷开关切换时长固定。幅相接收机收到信号后，以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算幅度相位，再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算幅度相位。

参阅图3。发射天线发射信号时序包含时间间隔为T1的测量探头信号和参考探头信号,幅相接收机接收信号时序包含时间间隔构成T1的T2、T3。如设测试探头与被测天线的空间距离为R_n，n＝1、2、3、.…..、N。参考探头与被测天线的空间距离为R₀，信号角频率为ω₀，信号发射起始时刻为t_n，测试信号起始时刻与参考信号起始时刻时间间隔为T1，k为ω₀频率下的空间波数，根据图3所示测量探头信号和参考探头信号时序，测试探头到达到天线的信号为：

S_{n} = A_{n} e^{j (w_{0} t_{n} + k R_{n})}

S_{R, n} = B e^{j [w_{0} (t_{n} + T 1) + k R_{0}]}

S_n：测试探头位置为n时，测试探头发射到被测天线口面的信号；

S_R,n：测试探头位置为n时，参考探头发射到被测天线口面的信号。

将前者的幅度和相位除以后者的幅度相位，就可以得到测量探头与AUT在特定采样位置下相对参考探头的幅度相位信息。利用该幅相信息，采用近场测量的相应算法，就可以得到如图3所示时序构成的天线的近场和远场辐射特性。经过接收机机收到的信号具体为：

{S^{'}}_{n} = {A^{'}}_{n} e^{j [w_{1} (t_{n}^{'} + t_{nx}) + k R_{n}]}

{S^{'}}_{R, n} = B^{'} e^{j [w_{1} (t_{n} + T 1 + t_{nx}) + k R_{0}]}

\frac{{S^{'}}_{n}}{{S^{'}}_{R, n}} = \frac{A_{n}}{B} e^{j [ω_{1} (t_{n}^{'} + t_{nx}) - ω_{1} (t_{n}^{'} + T_{1} + t_{nx}) + k (R_{n} - R_{0})]} = \frac{A_{n}}{B} e^{j [- ω_{1} (T_{1}) + k (R_{n} - R_{0})]}

式中：S'_n：测试探头位置为n时，接收机收到的测试探头发射的信号，ω₀为被测天线输出信号；S'_R,n：测试探头位置为n时，接收机收到的参考探头发射的信号的频率，该频率可以与发射信号不一样；A’_n为测试探头位于位置n时，接收机收到的测试探头发射的信号的幅度，B’为参考探头收到的信号幅度，t_n’为信号到达接收机的初始时刻，t_nx为接收机实际测试的初始时刻与信号初始时刻的时间差,e表示自然对数的底数。

由公式可以看出，由于ω₁和T₁为常数，最后得到的幅度相位信息只与测试探头的位置相关。

根据近场测量理论，由近场平面场分布，可以计算天线的波谱函数，从而计算出天线的远场场分布，或者计算出天线的口面场分布。该变换过程是近场测量中的基本方法，是本领域公知技术。

Claims

1.一种自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于包括如下步骤：在天线近场测量系统中,将被测天线AUT作为接收天线，测量探头和参考探头作为发射天线，近场扫描架安装在位于被测量天线口面近场辐射区；提供测量信号的单刀双掷开关一端连接信号源，另外两端分别连接参考探头和测量探头，幅相接收机通过接口连接计算机PC相连，幅相接收机把AUT收到的信号耦合回来进行幅度相位测量,把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；扫描控制器分别与单刀双掷开关、幅相接收机和近场扫描架相连，控制控制扫描控制器、单刀双掷开关和幅相接收机三者的同步；在天线近场测量中，扫描控制器通过控制单刀双掷开关分时发送相位参考信号和测试信号，幅相接收机对收到的信号，以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算收到信号的幅度相位，再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号；然后将测试信号除以相位参考信号，即可得到测量探头与AUT在特定采样位置下相对参考探头的幅度相位信息，计算机根据各个采样点测量到的幅度相位数据，采用近场测量理论的近远场变换和近近场变换，获得天线的远场和近场辐射特性。

2.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：所述的天线近场测量系统包括一个电连接单刀双掷开关的信号源，一个被测天线AUT，一个幅相接收机，一个近场扫描架，一个装在扫描架上的测量探头，一个装在被测天线附近参考探头，参考探头为位置固定，不随扫描架移动的探头，一个扫描控制器和一台计算机。

3.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：近场扫描架安装在位于被测量天线口面的近场辐射区。

4.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：相控阵天线通道幅相特性近场测试点按照近场测量的采样原则对采样面进行离散化，以一定的间隔进行采样。

5.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：测量时，信号源发出的信号，测量探头进行移动，幅相接收机在每一个测试点进行数据采集时，单刀双掷开关做一次切换，以保证测试探头和参考探头都做一次固定时间长度的信号发射，并且开关切换时长固定。

6.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：近场探头的扫描曲面为一个平面，平面足够大，使得AUT辐射的电磁波未穿过扫描平面的部分可以被忽略。

7.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：选择个点作为测量点；根据空间采样定理，相邻测量点的水平和垂直距离都小于半个波长。

8.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：根据测量探头信号和参考探头信号时序，测试探头到达到被测天线AUT的信号为：

S_{R, n} = {Be}^{j [w_{0} (t_{n} + T 1) + k R_{0}]}

式中：S_n：测试探头位置为n时，测试探头发射到被测天线口面的信号；S_R,n：测试探头位置为n时，参考探头发射到被测天线口面的信号如设测试探头与被测天线的空间距离为R_n，n＝1、2、3、.…..、N；参考探头与被测天线的空间距离为R₀，信号角频率为ω₀，信号发射起始时刻为t_n，测试信号起始时刻与参考信号起始时刻时间间隔为T1，k为ω₀频率下的空间波数,e表示自然对数的底数,j表示虚数单位。

9.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：经过接收机收到的信号为：

{S^{'}}_{n} = {A^{'}}_{n} e^{j [w_{1} (t_{n}^{'} + t_{nx}) + k R_{n}]}

{S^{'}}_{R, n} = B^{'} e^{j [w_{1} (t_{n} + T 1 + t_{nx}) + k R_{0}]}

\frac{{S^{'}}_{n}}{{S^{'}}_{R, n}} = \frac{A_{n}}{B} e^{j [ω_{1} (t_{n}^{'} + t_{nx}) - ω_{1} (t_{n}^{'} + T_{1} + t_{nx}) + k (R_{n} - R_{0})]} = \frac{A_{n}}{B} e^{j [- ω_{1} (T_{1}) + k (R_{n} - R_{0})]}

式中：S'_n：测试探头位置为n时，接收机收到的测试探头发射的信号，ω₀为被测天线输出信号；S'_R,n：测试探头位置为n时，接收机收到的参考探头发射的信号的频率；A’_n为测试探头位于位置n时，接收机收到的测试探头发射的信号的幅度，B’为参考探头收到的信号幅度，t_n’为信号到达接收机的初始时刻，t_nx为接收机实际测试的初始时刻与信号初始时刻的时间差。

10.根据权利要求1所述的自带相参通道的天线近场测量方法，其特征在于：发射天线发射信号时序包含时间间隔为T1的测量探头信号和参考探头信号,幅相接收机接收信号时序包含时间间隔构成T1的T2、T3。