CN107219410B - 一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，包括如下步骤：(1)、对待测天线进行安装和场地校准，建立平面近场测试环境；(2)、对天线进行平面近场测量，得到N个频率的远场方向图i＝1～N；(3)、移动测试探头分别采集N个频率的+Y方向一维平面近场幅相分布数据和‑Y方向一维平面近场幅相分布数据(4)、计算每一个频率测量对应的探头沿近场扫描平面Y轴方向的扫频位移偏移量Δyⁱ；(5)、对远场方向图进行修正，得到修正本发明在保证扫描架连续运动的高效测量模式下，修正了由于扫描架连续运动导致的探头位移引起的天线辐射特性测试误差，提高了天线的测试精度。

Description

一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法

技术领域

本发明涉及一种天线平面近场测量修正方法，特别是一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，属于天线测量技术领域。

背景技术

平面近场是一种天线辐射特性测试方法，从理论发展到工程实践都有很好的表现，已经成为了天线辐射特性测试领域十分重要且不可或缺的一种方法。随着对通信容量要求的不断提供，对天线频带划分越来越细致，测试时，测试频点的数量也越来越多，对测试系统提出了更高的要求。

从传统的点频测试到现在的高速扫频测试，测试效率有了显著提高。通常扫描架有多种运行方式，常见的有步进式、单向扫描式、双向扫描式。其中双向扫描式效率最高，步进式效率最低。扫描式所有的数据采集都是在探头不断移动中运行的，虽然采集数据的速度很快，但是随着频率的增多，后续频率的采集时间与第一个频率采集时间的间隔也会越来越大，造成了实际采集位置与理想位置上的偏差越来越大，对最后的测试结果造成一定影响。虽然步进式不会造成这一问题，但是采集效率低下，一般是扫描式的时间的5～8倍(随着频率的增多而增长)。如何在保证效率的前提提高测试精度，减小了由于扫描式引起的测试误差成为了天线测试工程师面前急需解决的问题。

误差修正方法很多文献中都有提及，如于丁，《一种修正平面近场测量中探头位置误差的有效算法》，电子与信息学报，2002.3，西安电子科技大学，但该方法需要进行复杂的数学运算如泰勒展开和多次迭代运算，实现起来需要耗费大量计算资源；文献《平面近场测量系统探头位置误差测试及分析》中提到，阎颂，中国电子学会电子机械工程分会第四届学术年会，2005年，航天机电集团23所。虽然修正方法理论简单，但是需要使用高精度的机械修正设备，如激光跟踪仪，额外的补偿机械机构等，对于一般平面近场不具有普适性，需要对原有平面近场进行一定的改造。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供了一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，该方法根据平面波谱理论，利用现有测试设备，通过数学算法，计算出探头扫频位移偏移量，然后对测试结果进行修正，得到修正探头扫频偏移量后的方向图测试结果，在保证扫描式高效率的同时，减小探头位移造成的影响，提高测试精度。

本发明的技术解决方案是：一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，该方法包括如下步骤：

(1)、对待测天线进行安装和场地校准，建立平面近场测试环境，其中，平面近场扫描架由相互垂直的纵、横两轴构成，其中横轴固定安装，纵轴能够沿横轴方向平行移动，测试探头安装在纵轴上，可沿纵轴方向移动，扫描架纵轴与测试探头运动构成近场扫描平面，所述近场扫描平面与被测天线口面平行；天线本体坐标系以被测天线口面中心位置为坐标原点O，与扫描架横轴平行方向为坐标X轴，扫描架纵轴平行为坐标Y轴，与近场扫描平面垂直的天线口面法向轴为Z轴；

(2)、采用单向扫描方法或者双向扫描方法对天线进行平面近场测量，得到N个频率的远场方向图

(3)、将测试探头放置在平面近场扫描平面原点O处，移动测试探头分别采集N个频率的+Y方向一维平面近场幅相分布数据和-Y方向一维平面近场幅相分布数据

(4)、根据每个频点的正向一维平面近场幅相分布数据和反向一维平面近场幅相分布数据计算每一个频率测量对应的探头沿近场扫描平面Y轴方向的扫频位移偏移量Δyⁱ,i＝1～N：

式中：

Δyⁱ为第i个频率的偏移量，单位m；

fft为快速傅里叶变换的离散形式；

angle为对复数取相位运算；

为第i频率测试信号的波数k沿扫描架Y方向的分量；

(5)、采用步骤(4)计算得到的探头扫频位移偏移量Δyⁱ，对步骤(2)所得到的远场方向图进行修正，得到修正后的远场方向图

具体修正方法为：

当平面近场测量为双向扫描时，

当平面近场测量为双向扫描时，

所述近场扫描平面与天线口面的距离取值范围为待测频率中最低频率信号波长的3～10倍。

所述近场扫描平面扫描范围为对应天线口面标称截断电平小于-35dB的范围。

所述双向扫描方式为：探头按照S型曲线前行，直至扫描完所需平面，探头按照沿Y轴正向移动与反向移动时都进行数据采集；所述单向扫描方式为：探头按照U型曲线前行，探头仅在沿Y轴正向移动时进行数据采集，返回时不采集数据，直至扫描完所需平面。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明利用普通平面近场测试设备，通过数据处理计算得到了探头扫频位移偏移量，无需增加额外硬件设备，在保证扫描架连续运动的高效测量模式下，修正了由于扫描架连续运动导致的探头位移引起的天线辐射特性测试误差，提高了天线的测试精度；

(2)、本发明与传统修正位置误差方法比较，无需复杂的数学运算和复杂的机械测量，修正算法快速高效；

(3)、本发明利用+Y方向一维平面近场幅相分布数据和-Y方向一维平面近场幅相分布数据进行合成得到扫频位移偏移量Δyⁱ，无需进行多次二维扫描，将修正偏移量所需要的数据最小化，间接提高了扫描测试速度；

(4)、本发明分析了+Y方向一维平面近场幅相分布数据和-Y方向一维平面近场幅相分布数据表达式特点，结合欧拉公式大大简化了双向扫描测试模式的修正公式；

(5)、本发明与步进式测试具有相同的测试精度，同时与扫描式测试具有相同的效率。

附图说明

图1为天线平面近场测试环境中天线与测试探头安装示意图；

图2为天线平面近场测试单向扫频位移说明图；

图中十字焦点为理想采样位置，即第一个频率采样位置，星形为第二个频率采样位置，五角星为第三个频率采样位置，圆形第四个频率采样位置，中间若干频点采样位置用圆点的省略表示，三角形为第N个频率采样位置；

图3为天线平面近场测试双向扫频位移说明图；

图中十字焦点为理想采样位置，第一个频率采样位置，星形为第二个频率采样位置，五角星为第三个频率采样位置，圆形第四个频率采样位置，中间若干频点采样位置用圆点的省略表示，三角形为第N个频率采样位置；

图4为本发明基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法流程图

图5为步进式与扫描式某天线测试结果以及修正后的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明，具体如下：

一、探头扫频位移说明

1、平面近场测试

如图1所示，平面近场测试环境为：平面近场扫描架与被测天线相对摆放，平面近场扫描架由相互垂直的纵、横两轴构成，其中横轴固定安装，纵轴能够沿横轴方向平行移动，测试探头安装在纵轴上，可沿纵轴方向移动，扫描架纵轴与测试探头运动构成近场扫描平面，所述近场扫描平面与被测天线口面平行。天线本体坐标系以被测天线口面中心位置为坐标原点O，与扫描架横轴平行方向为坐标X轴，扫描架纵轴平行为坐标Y轴，与近场扫描平面垂直的天线口面法向轴为Z轴。

平面近场测试方法的具体步骤如下：

(1.1)、按照平面近场测试方法将待测天线进行安装和场地校准，建立如图1所示的平面近场测试环境；

(1.2)、设定扫描范围、测试距离、测试频率范围，所述扫描范围为对应天线口面标称截断电平小于-35dB的范围；所述测试距离为近场扫描平面与天线口面的距离，取值为所测试频率中最低信号的波长的3～10倍，测试频率范围为天线标称频率工作范围；测试频率为天线标称频率工作范围内的典型频率值，这些频率可以是等间隔的也可以是非等间距的，例如，当天线频率范围为1.1GHz～1.46GHz时，为该天线所要测试频率组成的列表，如：1.1GHz、1.2GHz、1.32GHz、1.4GHz、1.46GHz等；

(1.3)、选取探头方向，采用单向或者双向扫描的方式，连续移动扫描架和探头，进行数据采集，获取预设N个频率的二维平面近场幅相分布数据，N≥1；

(1.4)、对步骤(1.3)所得到的预设N个频率的二维平面近场幅相分布数据进行近远场变换，得到N个频率的远场方向图

2、单向扫描模式

单向扫描方式为：探头按照U型曲线前行，探头仅在沿Y轴正向移动时进行数据采集，返回时不采集数据，直至扫描完所需平面。如图2所示，平面近场测试轨迹中十字网格焦点处为理想采样位置，箭头方向为扫描架运行方向。单频点测试时，探头到达网格位置，发出触发信号，采集近场幅度相位数据，完成一个点的测试，探头到达下一个点的位置循环该过程。扫频测试时，在单频点基础上，增加了频率切换以及不同频率的近场幅度和相位数据采集的过程，由于频率切换必定存在时间，多个频率在测试时造成一定的偏移量，图中十字焦点为理想采样位置，第一个频率采样位置，星形为第二个频率采样位置，五角星为第三个频率采样位置，圆形第四个频率采样位置，中间若干频点采样位置用圆点的省略表示，三角形为第N个频率采样位置。为由于切换时间导致的实际采样位置。扫频测试时，由于不同频点的测试的先后顺序不同，实际网格的偏移量会有所不同。

根据平面近场波谱理论，远场方向图与近场场强关系如式(1)所示

——远场方向图

E(x,y,d)——近场场强分布，其中x,y,d分别为对应天线本体坐标系下的横坐标，纵坐标以及测试距离。

k_x——波束的x方向分量

k_y——波束的y方向分量

k_x,k_y分别为波数k沿X和Y方向的分量，单位m^-1，k_x＝ku，k_y＝kv，k＝2π/λ，λ＝c/f，f为频率，单位Hz，c为光速。u为X轴对应的方向余弦，v为Y轴对应的方向余弦，λ为频率f所对应的波长，单位m。

多个频率进行扫频测试时，由于频率切换的时间，导致实际采样位置有所偏差，因为频率的先后顺序，导致每一个频率的偏移量不同，假设第i个偏差量为Δyⁱ。但是实际进行近远场变换时，却忽略该偏差量，即原本的计算公式(1)变为了式(2)所示，实际场强E为有偏移量的位置上的数值，但是积分变量x，y是理想位置的坐标。

式中

——第i个频率带有偏移量的方向图

Δyⁱ——第i个频率的偏移量

下面通过数学推导建立带有偏移量的方向图与理想方向图之间的关系。

对式(2)做变量代换令y+Δyⁱ＝y′，则式(2)可以划为：

将式(3)化简，注意到Δyⁱ为常数，故dΔyⁱ＝0，得

注意到积分式与式(1)右侧除了将变量y表示为y′外，无任何差别，对于积分来说，积分变量名称的表示并不影响积分结果，所以该部分与式(1)右侧完全相等，也等于式(1)左侧。

通过式(5)可以看出，若知道偏移量即可求出修正后的方向图，即理想方向图。

3、双向扫描模式

所述双向扫描方式为：探头按照S型曲线前行，直至扫描完所需平面，探头按照沿Y轴正向移动与反向移动时都进行数据采集。

如图3所示，与单向类似，不过就是在奇数与偶数行，所偏移的方向相反，将数据看作两组数据的组合，即两次相反方向的单次测试的叠加，所有二维数据可以看作奇数行与偶数行场强的叠加，即

奇数行：

根据傅里叶变换的性质或者令2x＝x′，以及前面单向的推导结果得：

偶数行：

双向采集的方向图为奇数电场与偶数电场叠加后的积分，应用上述推导结果得：

通过式(7)可以看出，若知道偏移量即可求出修正后的方向图，即理想方向图。

(3)偏移量计算

利用前面步骤中所采集的数据D₊ ⁱ和D_- ⁱ以及前面的分析结果得

将(5)、(6)两式取相位做差，得

angle(D_- ⁱ)-angle(D₊ ⁱ)＝(ph+k_yΔyⁱ)-(ph-k_yΔyⁱ)＝2k_yΔyⁱ (10)

式中angle——是对复数取相位

ph——为理想位置情况下的平面波谱相位

根据式(9)即可计算出偏移量Δy。

基于上述原理分析，本发明提出了一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，结合附图4流程具体为：

(1)、对待测天线进行安装和场地校准，建立平面近场测试环境；

(2)、采用单向扫描方法或者双向扫描方法对天线进行平面近场测量，获取预设N个频率的二维平面近场幅相分布数据，N≥1；对步骤(2)所得到的预设N个频率的二维平面近场幅相分布数据进行近远场变换，得到N个频率的远场方向图

测试时，以探头窄边与x轴平行为第一极化方向，将探头放置在第一个极化方向，采用单向或者双向扫描的方式，连续移动扫描架，同时进行第一个极化分量数据的采集，之后，探头旋转90度，进行第二极化分量数据的采集，最终得到二维平面近场幅相分布数据。

(3)、将测试探头放置在平面近场扫描平面原点O处，移动测试探头沿近场扫描平面Y轴正方向采集N个频率的+Y方向一维平面近场幅相分布数据 将测试探头放置在平面近场扫描平面原点O处，移动测试探头沿近场扫描平面Y轴负方向采集N个频率的-Y方向一维平面近场幅相分布数据

(4)、根据每个频点的正向一维平面近场幅相分布数据和反向一维平面近场幅相分布数据计算每一个频率测量对应的探头沿近场扫描平面Y轴方向的扫频位移偏移量Δyⁱ,i＝1～N：

式中：

Δyⁱ为第i个频率的偏移量，单位m；

fft为快速傅里叶变换的离散形式；

angle为对复数取相位运算；

为第i频率测试信号的波数k沿扫描架Y方向的分量，单位m^-1，k_i＝2π/λ_i，λ_i＝c/f_i，f_i为频率，单位Hz，c为光速。λ_i为频率f_i所对应的波长，单位m。

(5)、采用步骤(4)计算得到的探头扫频位移偏移量Δyⁱ，对步骤(2)所得到的远场方向图进行修正，得到修正后的远场方向图

当平面近场测量为双向扫描时，

当平面近场测量为双向扫描时，

图5为步进式与扫描式某天线测试结果的对比图，如图5所示，经过本发明修正方法修正后，即保证了与步进式相同的测试精度。

表1为测试时间对比，可以对比图与表可以看出，经过该修正方法修正后，即保证了与扫描式的测试效率。

表1测试效率对比

测试方式	测量频率数(个)	测试时间(小时)
			步进式	10	5
扫描式	10	1

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、对待测天线进行安装和场地校准，建立平面近场测试环境，其中，平面近场扫描架由相互垂直的纵、横两轴构成，其中横轴固定安装，纵轴能够沿横轴方向平行移动，测试探头安装在纵轴上，可沿纵轴方向移动，扫描架纵轴与测试探头运动构成近场扫描平面，所述近场扫描平面与被测天线口面平行；天线本体坐标系以被测天线口面中心位置为坐标原点O，与扫描架横轴平行方向为坐标X轴，扫描架纵轴平行为坐标Y轴，与近场扫描平面垂直的天线口面法向轴为Z轴；

(2)、采用单向扫描方法或者双向扫描方法对天线进行平面近场测量，获取预设N个频率的二维平面近场幅相分布数据，N≥1；对所得到的预设N个频率的二维平面近场幅相分布数据进行近远场变换，得到N个频率的远场方向图i＝1～N；

(3)、将测试探头放置在平面近场扫描平面原点O处，移动测试探头分别采集N个频率的+Y方向一维平面近场幅相分布数据和-Y方向一维平面近场幅相分布数据i＝1～N；

(4)、根据每个频点的正向一维平面近场幅相分布数据和反向一维平面近场幅相分布数据计算每一个频率测量对应的探头沿近场扫描平面Y轴方向的扫频位移偏移量Δyⁱ,i＝1～N；

(5)、采用步骤(4)计算得到的探头扫频位移偏移量Δyⁱ，对步骤(2)所得到的远场方向图进行修正，得到修正后的远场方向图i＝1～N。

2.根据权利要求1所述的一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，其特征在于每一个频率测量对应的探头沿近场扫描平面Y轴方向的扫频位移偏移量Δyⁱ为：

式中：

Δyⁱ为第i个频率的偏移量，单位m；

fft为快速傅里叶变换的离散形式；

angle为对复数取相位运算；

为第i频率测试信号的波数k沿扫描架Y方向的分量。

3.根据权利要求1所述的一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，其特征在于所述步骤(5)具体修正方法为：

当平面近场测量为双向扫描时，

当平面近场测量为单向扫描时，

4.根据权利要求1所述的一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，其特征在于所述近场扫描平面与天线口面的距离取值范围为待测频率中最低频率信号波长的3～10倍。

5.根据权利要求1所述的一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，其特征在于所述近场扫描平面扫描范围为对应天线口面标称截断电平小于-35dB的范围。

6.根据权利要求1所述的一种基于探头扫频位移偏移量的平面近场测量修正方法，其特征在于所述双向扫描方法为：探头按照S型曲线前行，直至扫描完所需平面，探头按照沿Y轴正向移动与反向移动时都进行数据采集；所述单向扫描方法为：探头按照U型曲线前行，探头仅在沿Y轴正向移动时进行数据采集，返回时不采集数据，直至扫描完所需平面。