CN106291130A - 一种任意曲面扫描的近场天线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意曲面扫描的近场天线测量方法，通过旋转的圆台来带动天线的旋转，以及可移动的探头来进行扫描，其可以具有圆形、直线和任意曲面的运动方式，从而能够适用于任意曲面扫描的近场测试方法，其扫描面不局限于平面、柱面和球面，而是可取任意曲面；可以测量各种类型的天线；本发明提供的任意曲面扫描的近场天线测量方法，将采样点视为在参数空间中均匀分布的若干个点，然后通过双线性插值计算任意点的电场，从而根据惠更斯等效原理计算天线的远场电场，其近远场变换简单方便、容易实现。

Description

一种任意曲面扫描的近场天线测量方法

技术领域

本发明属于微波测量技术领域，涉及一种任意曲面扫描的近场天线测量方法。

背景技术

天线测量技术主要包括远场测量，紧缩场测量和近场测量三种。远场测量是一种非常成熟的技术，但其缺点是不能测量天线的三维方向图，往往需要很大的外场，容易受到外界干扰，且保密性不高。紧缩场测量是在近距离内将馈源发出的球面波通过准直元件转换为平面波，从而模拟远场测试的方法。紧缩场测量的设备运行及维护费用较高，误差分析非常复杂且难以修正，空间利用率不高。

近场测量则不存在上述缺点。近场测量一般是在暗室中放置待测天线，然后在距离待测天线3到10个波长的一个包围面上用一个已知特性的小探头进行扫描获取天线的近区电磁场数据，再经过近远场变换算法得到天线的远场特性。近场测量需要的场地较小，不受外界电磁环境影响，安全保密，而且可以全天候工作。如果能够合理的设计机械控制软件并妥善处理各种测量误差，那么近场测量的精度甚至会优于远场测量。特别是对于窄波束的天线阵往往只能采用近场测量得到其方向图中较低的副瓣。

根据扫描的包围面形状不同，一般将近场测量分为平面近场测量，柱面近场测量，球面近场测量三种技术。这三种测量技术分别采用不同的测量设施，对于测量的近场数据采用三种不同的近远场变换算法得到远场数据。比如申请号为201410536441.3的中国专利根据平面波展开理论，针对平面近场扫描得到一个平面栅格上离散场的振幅和相位等信息，利用二维快速傅里叶变换进行波谱的快速计算。申请号为201410429761.9的中国专利是基于柱面近场扫描成像的反向散射截面测量方法。申请号为201310153288.1的中国专利根据球面波展开理论，针对球面近场扫描得到离散场的信息，利用快速傅里叶变换加速球面波展开系数的计算，然后由球面波函数算出远场方向图。其公式涉及球汉克尔函数、连带的勒让德多项式，以及大量三角函数，因此计算分析比较复杂。

可见，现有近场测量方法中的近远场变换算法只能分别针对三种典型扫描面，不能针对任意扫描面，而且这些算法往往比较复杂，编程时非常繁琐。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种任意曲面扫描的近场天线测量方法，能够适用于任意曲面扫描的近场测试方法，其扫描面不局限于平面、柱面和球面。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种任意曲面扫描的近场天线测量方法，包括以下操作：

1)将待测天线放置在转台上，在微波暗室中利用可移动的探头，对该天线的一个包围面上的近场电场进行测量；

在测量初始时转台处于度，探头沿着设定的运动轨迹方向开始扫描，每隔Δθ度测量一次电场，包括方向的分量和方向的分量，探头运动至运动轨迹的末端后第一次的数据采样完成；然后转台旋转度，按照相同的测量方法探头沿着运动轨迹完成下一次的数据采样；反复旋转转台后利用探头扫描，直到探头完成度的扫描，数据采样完毕；其中，探头测量到的采样点分布满足其中λ为待测天线的工作波长，a为包围待测天线的运动轨迹的最大半径；

2)采样点视为在参数空间中均匀分布的若干个点，每个采样点上有一个复数电场矢量，该采样点的电场在球坐标系中分解为如下两个复分量：

然后通过双线性插值计算任意点的电场，该点被周围四个采样点所包围，其电场分别为E₁₁、E₁₂、E₂₁、E₂₂，那么该点的电场表示为：

3)在获取天线包围面上任意点的切向电场后，根据惠更斯等效原理计算天线的远场电场表示为：

其中，矢量是从源点指向观察点的矢径，表示观察点坐标，表示源点坐标，而R＝|r-r'|表示这两点之间的距离；S为远场的面积。

所述的探头改变其运动轨迹能够形成不同的扫描面，当所述的运动轨迹为圆形时则形成球面扫描，所述的运动轨迹为直线时则形成柱面扫描，所述的运动轨迹为不规则的曲线则形成任意的旋转曲面扫描。

所述的探头的运动轨迹为圆形，其球面扫描的数据采集为：

在测量初始时转台处于度，探头沿着圆形轨迹的方向从0度开始扫描直到180度停止，每隔Δθ度测量一次球面上切向的电场，包括方向的分量和方向的分量，其中方向和方向相垂直，第一次的数据采样完成；然后转台旋转度，按照相同的测量方法探头沿着方向完成下一次的数据采样；反复旋转转台后利用探头扫描，直到探头完成度的扫描，球面扫描的数据采样完毕。

所述的每个采样点处探头测得的数据是四个实数，分别为H_real、H_imag、V_real和V_imag。

当探头所述的运动轨迹为圆形时形成球面扫描，根据远场的面积S的积分形式改变，则远场电场表示为：

当探头所述的运动轨迹为任意的旋转曲面，将其表示成两个参数u,v的函数，其中0<u,v<1，根据远场的面积S的积分形式改变，则远场电场表示为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的任意曲面扫描的近场天线测量方法，通过旋转的圆台来带动天线的旋转，以及可移动的探头来进行扫描，其可以具有圆形、直线和任意曲面的运动方式，从而能够适用于任意曲面扫描的近场测试方法，其扫描面不局限于平面、柱面和球面，而是可取任意曲面；可以测量各种类型的天线。而现有技术只能针对平面扫描、柱面扫描和球面扫描三种典型的扫描方式，不能针对任意扫描面进行测量。而且现有的三种扫描方式分别采用不同的测量设施，用于不同类型的天线的测量。

本发明提供的任意曲面扫描的近场天线测量方法，将采样点视为在参数空间中均匀分布的若干个点，然后通过双线性插值计算任意点的电场，从而根据惠更斯等效原理计算天线的远场电场，其近远场变换简单方便、容易实现。而现有的三种扫描方式中测得的数据要通过三种不同的近远场变换算法得到远场数据，而且其中柱面近远场变换和球面近远场变换的算法非常复杂。

附图说明

图1为球面近场测量的结构示意图；

图2为参数空间中均匀分布的采样点；

图3为双线性插值计算矩形区域内任意点的场；

图4为惠更斯等效原理中的内部区域和外部区域；

图5为十元泰勒阵与球形扫描面；

图6为天线阵的3D方向图；

图7为天线阵xoz面的方向图；

图8为天线阵xoy面的方向图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种任意曲面扫描的近场天线测量方法，包括以下操作：

1)将待测天线放置在转台上，在微波暗室中利用可移动的探头，对该天线的一个包围面上的近场电场进行测量；

在测量初始时转台处于度，探头沿着设定的运动轨迹方向开始扫描，每隔Δθ度测量一次电场，包括方向的分量和方向的分量，探头运动至运动轨迹的末端后第一次的数据采样完成；然后转台旋转度，按照相同的测量方法探头沿着运动轨迹完成下一次的数据采样；反复旋转转台后利用探头扫描，直到探头完成度的扫描，数据采样完毕；

2)采样点视为在参数空间中均匀分布的若干个点，每个采样点上有一个复数电场矢量，该采样点的电场在球坐标系中分解为如下两个复分量：

然后通过双线性插值计算任意点的电场，该点被周围四个采样点所包围，其电场分别为E₁₁、E₁₂、E₂₁、E₂₂，那么该点的电场表示为：

3)在获取天线包围面上任意点的切向电场后，根据惠更斯等效原理计算天线的远场电场(远区辐射场)表示为：

其中，矢量是从源点指向观察点的矢径，表示观察点坐标，表示源点坐标，而R＝|r-r'|表示这两点之间的距离；S为远场的面积。

参见图1，下面以球面近场测量为例介绍本发明：

1、测量过程

(1)将待测天线(AUT)放置在转台上，转台处于度处。

(2)探头沿着方向从0度开始扫描直到180度停止，每隔Δθ度测量一次球面上切向的电场，包括方向的分量和方向的分量。

(3)转台旋转度，此时重复步骤(2)中的测量过程。

(4)反复旋转转台并扫描探头，直到度时数据采样完毕。

上面给出的是球面扫描的情况，其实只要有一个转台和一个能够运动的探头，改变探头的运动轨迹就能够形成不同的扫描面。如果探头沿着平行于z轴的一条直线运动得到的就是个柱面，如果探头沿着一条不规则的曲线运动，那么得到的就是个任意的旋转曲面。

2、测量数据的整理

假定测出包围待测天线的球面(半径为a)的切向电场探头测量到的采样点分布满足采样定理：

这些采样点可以看成是在参数空间中均匀分布的若干个点，如图2所示。每个采样点上有一个复数电场矢量，该电场在球坐标系中可以分解为如下两个复分量

也就是说每个采样点处探头测得的数据是四个实数，如表1所示。

表1 球面扫面时测量数据的格式

Phi	Theta	H_REAL	H_IMAG	V_REAL	V_IMAG
						0	-165	-0.00000016	-0.00000003	-0.07830998	-0.05879796
0	-150	-0.00000033	-0.00000003	-0.09816328	-0.10138217
						0	-135	-0.00000044	0.00000000	-0.04615771	-0.10400262
…	…	…	…	…	…

除了这些离散的采样点之外，球面上任意一点的电场可以通过双线性插值得到。如图3所示球面上某个点的坐标为该点被周围四个采样点所包围(其电场分别表示为E₁₁、E₁₂、E₂₁、E₂₂)，那么该点的电场可以表示为：

3、近远场变换公式

已知包围面上任意点的切向电场后，根据惠更斯等效原理(参见图4)可以算出远场为：

其中表示观察点坐标，表示源点坐标；矢量是从源点指向观察点的矢径，而R＝|r-r'|表示这两点之间的距离；j为虚数符号；e＝2.71828是自然常数；k＝2π/λ表示波数，λ＝3*10⁸/f表示波长，f是天线的工作频率；π＝3.1415926表示圆周率。

如果是球面近场扫描，那么所述远场的面积S的积分公式相应改变，则远场电场表述为：

如果扫描面为任意的旋转曲面，只要将曲面表示成两个参数u,v的函数，其中0<u,v<1，那么远场的面积S的积分公式相应改变，则远场电场表述为：

下面给出具体的测量实施例。

对于工作频率3Ghz，由10根半波振子构成泰勒分布的天线阵，其方向图的第一副瓣-20dB。采用本发明的数据采集方法，可以得到图5所示的球形扫描面，由近区电场通过惠更斯等效原理计算得到远场方向图，其中3D方向图如图6所示。

作为对比采用用矩量法(MOM)中计算得到的近区电场模拟近场测量所得的数据。在矩量法中取半径为0.8米的球面作为扫描面计算出近区电场。两者的检测结果对比分别如图7所示天线阵xoz面的方向图、图8所示天线阵xoy面的方向图，可见近远场变换的结果与矩量法计算的结果完全一致，证明了本发明的方法的有效性。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种任意曲面扫描的近场天线测量方法，其特征在于，包括以下操作：

1)将待测天线放置在转台上，在微波暗室中利用可移动的探头，对该天线的一个包围面上的近场电场进行测量；

在测量初始时转台处于度，探头沿着设定的运动轨迹方向开始扫描，每隔△θ度测量一次电场，包括方向的分量和方向的分量，探头运动至运动轨迹的末端后第一次的数据采样完成；然后转台旋转度，按照相同的测量方法探头沿着运动轨迹完成下一次的数据采样；反复旋转转台后利用探头扫描，直到探头完成度的扫描，数据采样完毕；其中，探头测量到的采样点分布满足其中λ为待测天线的工作波长，a为包围待测天线的运动轨迹的最大半径；

2)采样点视为在参数空间中均匀分布的若干个点，每个采样点上有一个复数电场矢量，该采样点的电场在球坐标系中分解为如下两个复分量：

然后通过双线性插值计算任意点的电场，该点被周围四个采样点所包围，其电场分别为E₁₁、E₁₂、E₂₁、E₂₂，那么该点的电场表示为：

3)在获取天线包围面上任意点的切向电场后，根据惠更斯等效原理计算天线的远场电场表示为：

其中，矢量是从源点指向观察点的矢径，表示观察点坐标，表示源点坐标，而R＝|r-r'|表示这两点之间的距离；S为远场的面积，k为波数。

2.如权利要求1所述的任意曲面扫描的近场天线测量方法，其特征在于，所述的探头改变其运动轨迹能够形成不同的扫描面，当所述的运动轨迹为圆形时则形成球面扫描，所述的运动轨迹为直线时则形成柱面扫描，所述的运动轨迹为不规则的曲线则形成任意的旋转曲面扫描。

3.如权利要求1或2所述的任意曲面扫描的近场天线测量方法，其特征在于，所述的探头的运动轨迹为圆形，其球面扫描的数据采集为：

在测量初始时转台处于度，探头沿着圆形轨迹的方向从0度开始扫描直到180度停止，每隔△θ度测量一次球面上切向的电场，包括方向的分量和方向的分量，其中方向和方向相垂直，第一次的数据采样完成；然后转台旋转度，按照相同的测量方法探头沿着方向完成下一次的数据采样；反复旋转转台后利用探头扫描，直到探头完成度的扫描，球面扫描的数据采样完毕。

4.如权利要求1所述的任意曲面扫描的近场天线测量方法，其特征在于，所述的每个采样点处探头测得的数据是四个实数，分别为H_real、H_imag、V_real和V_imag。

5.如权利要求1或2所述的任意曲面扫描的近场天线测量方法，其特征在于，当探头所述的运动轨迹为圆形时形成球面扫描，根据远场的面积S的积分形式改变，则远场电场表示为：

6.如权利要求1或2所述的任意曲面扫描的近场天线测量方法，其特征在于，当探头所述的运动轨迹为任意的旋转曲面，将其表示成两个参数u,v的函数，其中0<u,v<1，根据远场的面积S的积分形式改变，则远场电场表示为：