CN106324367A - 一种基于传输信号相干的天线相位中心测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于传输信号相干的天线相位中心的测量装置及方法，包括移动可控平台、计算机、矢量网络分析仪，其中移动可控平台由步进马达和可固定接收天线的传动螺旋杆组成；所述矢量网络分析仪与发射天线、接收天线连接，通过发射天线发射步进频连续波，通过接收天线记录传输信号；计算机分别与矢量网络分析仪和步进马达连接，同步控制接收天线的移动和传输信号的采集；步进马达驱动传动螺旋杆使接收天线在xoy平面内移动，发射天线通过固定架位置固定，发射天线和接收天线的对称轴均保持与z轴平行，本发明利用传输信号相干性原理以及相位中心谱分析方法确定出天线相位中心，测量操作更加简便，成本更低廉，精度更高，并具有广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明属于天线测量的技术领域，尤其涉及一种基于传输信号相干的天线相位中心测量装置及方法。
背景技术
天线相位中心的精准测量是目标定位和图像重构的一个关键，并且相位中心会影响天线增益、天线辐射信号的保真度等。因此如何准确地测量天线相位中心的位置日益受到研究者的关注。
天线相位中心在IEEE标准中，其被定义为“与天线相关的一个点，如果将它作为辐射远场的球面球心，则辐射球面上给定场分量的相位是一个常数，至少在辐射的关键区域满足”。对于一个实际天线，绝对的相位中心是不存在的，因为其随频率和视角等的变化而改变。在实际中，在以天线瞄准线为中心的某个观测角度范围内，天线相位中心位置的移动范围很小，我们认为此时该天线相位中心存在，也称之为视相位中心。
目前，天线相位中心的测量方法主要有三点法、曲线拟合法和移动参考点法，都需要在微波暗室测量，且移动参考点法和曲线拟合法测量步骤繁琐，三点法的精度不够。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于传输信号相干的天线相位中心测量装置及方法，无需在微波暗室便能快速测定超宽带天线不同工作频率下的天线相位中心位置，在不牺牲测量精度的前提下，有效地降低了实验成本。
本发明是一种基于传输信号相干的天线相位中心测量装置，包括移动可控平台、计算机、矢量网络分析仪、发射天线固定架，其中移动可控平台由步进马达和可固定接收天线的传动螺旋杆组成；
所述矢量网络分析仪与同类型超宽带的发射天线、接收天线通过同轴传输线连接，通过发射天线发射步进频连续波，通过接收天线记录传输信号；计算机通过数据线分别与矢量网络分析仪和步进马达连接，同步控制接收天线的移动和传输信号的采集；步进马达驱动传动螺旋杆使接收天线在xoy平面内移动，发射天线通过固定架位置固定，发射天线和接收天线的对称轴均保持与z轴平行。
另外，一种基于时域传输信号相干的天线相位中心的测量方法，包括如下步骤：
步骤1、将矢量网络分析仪与同类型发射天线、接收天线通过同轴传输线连接，计算机通过数据线分别与矢量网络分析仪和步进马达连接，将发射天线和接收天线沿天线对称轴z方向对称放置,发射天线通过固定架位置固定，在传动螺旋杆上固定接收天线，所述的步进马达和固定接收天线的传动螺旋杆组成移动可控平台；
步骤2、计算机控制发射天线发射步进频连续波，同步控制步进马达驱动传动螺旋杆使接收天线在xoy平面上移动，通过矢量网络分析仪记录接收天线每平移一个步长后所接收的传输信号，该发射天线和接收天线在z轴方向的距离始终不变；
步骤3、A点、D点分别为发射天线和接收天线的馈电点，在同轴传输线校准后天线馈电点为传输路径的起止点，馈电点AD距离为d；假设B点、C点分别为发射天线和接收天线的视相位中心所在位置，其距天线馈电点A、D点的距离为zp，从发射天线的视相位中心B点到接收天线的视相位中心C点的传输信号传播时间为其中c是电磁波在空气中的传播速度，x为发射天线的坐标X分量与接收天线的坐标X分量的差值，y为发射天线的坐标Y分量与接收天线的坐标Y分量的差值；传输信号从发射天线的馈电点A到接收天线的馈电点D的传播时间为其中τp是天线视相位中心相对于馈电点的延迟，不随接收天线的移动而改变；因此，不同频率下，从发射天线的馈电点A到接收天线馈电点D的传输信号的相位理论值为其中ω代表信号的角频率；
步骤4、接收天线在xoy平面上移动时，通过矢量网络分析仪采集从发射天线到接收天线的传输信号，将该传输信号通过宽带带通滤波器后经逆傅里叶变换转换为传输信号的时域信号，由于不同接收位置的传输信号相对于环境干扰到达时间早，则先通过一个时窗来处理消除环境干扰后，最后再经傅里叶变换转换为传输信号的频域数据，表示为其中Am(x,y,ω)是为传输信号的振幅测量值，为传输信号的相位测量值，j是代表虚数单位；
步骤5、假定一系列离散的天线视相位中心位置，即视相位中心到馈电点的距离zp在某个合理取值范围内离散，叠加不同接收位置传输信号相位测量值和理论计算值的差值，得到即相位中心谱，从而在不同工作频率时，在相位中心谱的最大值对应的点就是天线相位中心的位置，即zp(ω)＝argmaxS。
本发明使用两个同类型天线进行相位中心测量，将发射天线位置固定，计算机通过数据线分别与矢量网络分析仪和步进马达连接，控制发射天线发射步进频连续波，同步控制接收天线在xoy平面上的步进移动及采集记录传输信号，即通过矢量网络分析仪记录接收天线每平移一个步长后的传输信号，将所记录的频域传输信号，经过逆傅里叶变换转化成时域信号，在经数据处理消除周围环境干扰后，再经过傅里叶变换转化成频域信号，利用基于信号相干性原理的相位中心谱分析方法确定出天线相位中心，相比同类型装置，本发明测量操作更加简便，成本更低廉，无需在微波暗室便能快速测定超宽带天线不同工作频率下的天线相位中心位置，并具有广泛的适用性。
附图说明
图1为一种圆极化螺旋天线及其天线中心位置示意图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明实施测量模型结构示意图；
图4为本发明中数据处理过程流程图。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
具体实施方式
如图2所示，本发明公开一种基于传输信号相干的天线相位中心的测量装置，包括移动可控平台3、计算机4、矢量网络分析仪5、发射天线固定架(图中未示)，其中移动可控平台3由步进马达6和可固定接收天线2的传动螺旋杆8组成；
所述矢量网络分析仪5与同类型的超宽带发射天线1、接收天线2通过同轴传输线7连接；计算机4通过GBIP数据线10与矢量网络分析仪5连接，控制矢量网络分析仪5通过发射天线1辐射步进频电磁波经由接收天线2采集相应的传输信号，同时，计算机4通过数据线11连接步进马达6，同步控制步进马达6工作，步进马达6驱动传动螺旋杆8使接收天线2在xoy平面内移动，精确控制接收天线2的位置，上述发射天线1、接收天线2沿天线对称轴z方向对称放置,装设在发射天线固定架上的发射天线1位置固定，装设在传动螺旋杆8上的接收天线2，经由步进马达6驱动，在xoy平面内移动，该发射天线1和接收天线2在z轴方向的距离固定不变。
本发明的超宽带天线具有对称性，如图1所示，采用圆极化螺旋天线。如图3所示，同类型的超宽带发射天线1、接收天线2沿天线对称轴z方向对称放置；A点、D点分别为发射天线1和接收天线2的馈电点，在同轴传输线校准后天线馈电点为传输路径的起止点，馈电点AD距离为d；假设B点、C点分别为发射天线1和接收天线2的视相位中心所在位置，其距天线馈电点A、D点的距离为zp，从发射天线1的视相位中心B点到接收天线2的视相位中心C点的信号传播时间为其中c是电磁波在空气中的波速，x为发射天线1的坐标X分量与接收天线2的坐标X分量的差值，y为发射天线1的坐标Y分量与接收天线2的坐标Y分量的差值；传输信号从发射天线1的馈电点A到接收天线2的馈电点D的传播时间为其中τp是天线视相位中心相对于馈电点的延迟，不随接收天线的移动而改变；因此，不同频率下，从发射天线1的馈电点A到接收天线2馈电点D的传输信号的相位理论值为其中ω代表信号的角频率。
如图3坐标系所示，y＝0，x值为发射天线1的坐标X分量与接收天线2的坐标X分量相减；将发射天线1固定，接收天线2在计算机4控制下沿x轴方向步进移动，算出接收天线2每平移一个步长后的传输信号传播时间，通过矢量网络分析仪5记录接收天线2每平移一个步长后的传输信号，该接收到的天线信号在频域，经过逆傅里叶变换转化成时域信号，经数据处理消除周围环境干扰信号后，再经过傅里叶变换转化成频域信号，利用信号相干性原理的相位中心谱分析方法确定出天线相位中心位置，具体为：
接收天线在xoy平面内移动时，矢量网络分析仪所采集的信号不仅包括从发射天线1直接到接收天线2的传输信号，还包括来自周围环境的干扰信号，为了消除干扰，采用如图4的数据处理流程进行处理。原始数据通过宽带带通滤波器后经逆傅里叶变换后转换为时域信号，因为不同接收位置的传输信号相对于环境干扰到达时间早，可通过一个时窗处理消除环境干扰，最后再经傅里叶变换转换为传输信号的频域数据，表示为其中Am(x,y,ω)是为传输信号的振幅测量值，为传输信号的相位测量值，j是代表虚数单位。
假定一系列离散的天线视相位中心位置，即视相位中心到馈电点的距离zp在某个合理取值范围内离散，叠加不同接收位置传输信号相位测量值和理论计算值的差值，得到即相位中心谱，从而不同工作频率时，在相位中心谱中的最大值对应的点就是天线相位中心的位置，即zp(ω)＝argmaxS。
接收天线应该被限定在xoy平面某个特定的区域内移动，该区域的大小取决于所使用天线视相位中心存在的最大视角(观测角偏离天线瞄准线的大小)。当所使用的天线为线极化天线时，接收天线应该限制在天线H平面内移动。
本发明一种基于传输信号相干的天线相位中心的测量方法，包括如下步骤：
步骤1、将矢量网络分析仪5与同类型发射天线1、接收天线2通过同轴传输线7连接，计算机4通过数据线10、11分别与矢量网络分析仪5和步进马达6连接，将发射天线1和接收天线2沿天线对称轴z方向对称放置,发射天线1通过固定架位置固定，在传动螺旋杆8上固定接收天线2，所述的步进马达6和固定接收天线2的传动螺旋杆8组成移动可控平台3；
步骤2、计算机4控制发射天线1发射步进频连续波，同步控制步进马达6驱动传动螺旋杆8使接收天线2在xoy平面9上移动，通过矢量网络分析仪5记录接收天线2每平移一个步长后所接收的传输信号，该发射天线1和接收天线2在Z轴方向的距离始终不变；
步骤3、A点、D点分别为发射天线1和接收天线2的馈电点，在同轴传输线7校准后天线馈电点为传输路径的起止点，馈电点AD距离为d；假设B点、C点分别为发射天线1和接收天线2的视相位中心所在位置，其距天线馈电点A、D点的距离为zp，从发射天线1的视相位中心B点到接收天线2的视相位中心C点的信号传播时间为其中c是电磁波在空气中的波速，x为发射天线1的坐标X分量与接收天线2的坐标X分量的差值，y为发射天线1的坐标Y分量与接收天线2的坐标Y分量的差值；传输信号从发射天线1的馈电点A到接收天线2的馈电点D的传播时间为其中τp是天线视相位中心相对于馈电点的延迟，不随接收天线的移动而改变；因此，不同频率下，从发射天线1的馈电点A到接收天线2馈电点D的传输信号的相位理论值为其中ω代表信号的角频率；
步骤4、接收天线2在xoy平面上移动时，通过矢量网络分析仪5采集从发射天线1到接收天线2的传输信号，将该传输信号通过宽带带通滤波器后经逆傅里叶变换转换为传输信号的时域信号，由于不同接收位置的传输信号相对于环境干扰到达时间早，则通过一个时窗来处理消除环境干扰后，最后再经傅里叶变换转换为传输信号的频域数据，表示为其中Am(x,y,ω)是为传输信号的振幅测量值，为传输信号的相位测量值，j是代表虚数单位；
步骤5、假定一系列离散的天线视相位中心位置，即视相位中心到馈电点的距离zp在某个合理取值范围内离散，叠加不同接收位置传输信号相位测量值和理论计算值的差值，得到即相位中心谱，从而不同工作频率时，在相位中心谱中的最大值对应的点就是天线相位中心的位置，即zp(ω)＝argmaxS。
本发明的重点在于：使用两个同类型天线进行相位中心测量，将发射天线位置固定，计算机通过数据线分别与矢量网络分析仪和步进马达连接，控制发射天线发射步进频连续波，同步控制接收天线在xoy平面上的步进移动及采集记录传输信号，即通过矢量网络分析仪记录接收天线每平移一个步长后的传输信号，将所记录的频域传输信号，经过逆傅里叶变换转化成时域信号，在经数据处理消除周围环境干扰信号后，再经过傅里叶变换转化成频域信号，利用信号相干性原理的相位中心谱分析方法确定出天线相位中心。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种基于传输信号相干的天线相位中心测量装置，其特征在于：包括移动可控平台、计算机、矢量网络分析仪、发射天线固定架，其中移动可控平台由步进马达和可固定接收天线的传动螺旋杆组成；
所述矢量网络分析仪与同类型超宽带发射、接收天线通过同轴传输线连接，通过发射天线发射步进频连续波，通过接收天线记录传输信号；计算机通过数据线分别与矢量网络分析仪和步进马达连接，同步控制接收天线的移动和传输信号的采集；步进马达驱动传动螺旋杆使接收天线在xoy平面内移动，发射天线通过固定架位置固定，发射天线和接收天线的对称轴均保持与z轴平行。
2.一种基于传输信号相干的天线相位中心的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、将矢量网络分析仪与同类型发射天线、接收天线通过同轴传输线连接，计算机通过数据线分别与矢量网络分析仪和步进马达连接，将发射天线和接收天线沿天线对称轴z方向对称放置，发射天线通过固定架位置固定，在传动螺旋杆上固定接收天线，所述的步进马达和固定接收天线的传动螺旋杆组成移动可控平台；
步骤2、计算机控制发射天线发射步进频连续波，同步控制步进马达驱动传动螺旋杆使接收天线在xoy平面上移动，通过矢量网络分析仪记录接收天线每平移一个步长后所接收的传输信号，该发射天线和接收天线在z轴方向的距离始终不变；
步骤3、A点、D点分别为发射天线和接收天线的馈电点，在同轴传输线校准后天线馈电点为传输路径的起止点，馈电点AD距离为d；假设B点、C点分别为发射天线和接收天线的视相位中心所在位置，其距天线馈电点A、D点的距离为zp，从发射天线的视相位中心B点到接收天线的视相位中心C点的信号传播时间为其中c是电磁波在空气中的波速，x为发射天线的坐标X分量与接收天线的坐标X分量的差值，y为发射天线的坐标Y分量与接收天线的坐标Y分量的差值；传输信号从发射天线的馈电点A到接收天线的馈电点D的传播时间为其中τp是天线视相位中心相对于馈电点的延迟，不随接收天线的移动而改变；因此，不同频率下，从发射天线的馈电点A到接收天线馈电点D的传输信号的相位理论值为其中ω代表信号的角频率；
步骤4、接收天线在xoy平面上移动时，通过矢量网络分析仪采集从发射天线到接收天线的传输信号，将该传输信号通过宽带带通滤波器后经逆傅里叶变换转换为传输信号的时域信号，由于不同接收位置的传输信号相对于环境干扰到达时间早，则先通过一个时窗来处理消除环境干扰后，最后再经傅里叶变换转换为传输信号的频域数据，表示为其中Am(x,y,ω)是为传输信号的振幅测量值，为传输信号的相位测量值，j是代表虚数单位；
步骤5、假定一系列离散的天线视相位中心位置，即视相位中心到馈电点的距离zp在某个合理取值范围内离散，叠加不同接收位置传输信号相位测量值和理论计算值的差值，得到即相位中心谱，从而不同工作频率时，在相位中心谱的最大值对应的点就是天线相位中心的位置，即zp(ω)＝arg max S。
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