CN107490729A - 一种天线近场无相位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线近场无相位测量方法，只测量近场扫描面的电场幅度值，无需直接测量相位信息，即可准确重构待测天线的复数近场，进而获得待测天线的远场方向图特性。本发明目的是克服高频率工作条件下传统近场幅度和相位测量中相位误差对测量结果的影响，是毫米波/亚毫米波、太赫兹等高频率工作天线的近场测量和口径场诊断的低成本、高精度解决方案。

Description

一种天线近场无相位测量方法

技术领域

本发明所涉及的天线近场无相位测量方法，通过只测量辐射场的幅度值，就能精确得到待测天线的远场方向图。本发明能有效降低信号源相位漂移、探头机械定位误差及测试线缆抖动等对相位测量的影响，克服传统近场测量中相位误差对远场测量结果的影响，适用于毫米波/亚毫米波、太赫兹等高频率工作天线的近场测量及口径场诊断。

背景技术

天线测试能力是电子系统研发的保障，高效精准的测试和诊断能够大大缩短产品开发周期。近场技术相比远场和紧缩场具有获取信息丰富的优点，但在传统的近场测量技术中，近远场变换和成像诊断需要扫描面上切向场信号的幅度和相位信息。随着5G通讯、太赫兹技术的发展，天线的工作频率越来越高，高频情况下，直接测量相位的矢量设备成本高昂；且与幅度相比，相位对于信号源的漂移、与探头连接的测试线缆随探头移动发生的抖动和探头机械定位精度等更敏感，相位的测量误差更大，尤其对于毫米波/亚毫米波、太赫兹天线的测量，这给传统的近场测量方法带来了成本和技术两方面的挑战，严重制约着传统近场测量技术在高频段的利用。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种近场无相位测量方法，只测量干涉场的幅度信息，通过特定的相位重构算法恢复其相位，再通过反投影口径场滤波将目标信号的幅度和相位信息从重构干涉场中提取出来进而可计算得到其远场方向图特性。本发明适用于毫米波/亚毫米波、太赫兹等高频率工作天线的近场测量及口径场诊断，且具有成本低，精度高的优点。

本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：

一种天线近场无相位测量方法，该方法利用的系统主要由信号源、待测天线、参考天线，近场测量探头、幅度接收机、测试线缆、定向耦合器、近场扫描面、数据采集控制器组成，所述的信号源通过测试线缆和定向耦合器连接到测量系统中的待测天线和参考天线，用于给上述两天线提供激励源激励其向空间辐射电磁场。所述的定向耦合器将信号源产生的电磁波分为两路：一路与待测天线相连，另一路与参考天线相连；所述的待测天线和参考天线均向外辐射电磁场，二者的辐射场在近场扫描面形成干涉场，待测天线正对扫描面中心，参考天线离轴布局。所述的近场测量探头位于近场扫描面移动，用于对近场扫描面离散网格点上的电磁场采样。所述的幅度接收机通过测试线缆与近场测量探头相连，用于接收近场测量探头测量的各空间采样点的电磁场的幅度值。所述的数据采集控制器用于将幅度接收机中测量的电磁场的幅度转换为强度并记录，便于后续数据处理。

其中，待测天线不局限于特定形状，包括喇叭天线，阵列天线等。

其中，近场扫描面，不局限平面、柱面或球面中任一几何形式，可为任意曲面。

其中，采样间隔不局限于特定尺寸，但必须满足奈奎斯特特采样准则。

其中，定向耦合器不局限与特定耦合度，包括功分器等。

其中，近场测试距离、参考天线位置等参数不局限于特定值，建议根据待测天线进行仿真参数寻求最优参数配置。

其中，只需对近场幅度值测量即可实现待测天线远场方向图特征的获取，无需对相位信息直接测量。

其中，参考天线的辐射特性已知。

其中，整个测量过程只需对干涉场的幅度进行获取，并利用的已知辐射特性的参考场，即可得到包含待测天线幅度和相位的重构场，重构场中待测天线的幅度和相位的获取通过数字滤波方法实现。

其中，所述的测量系统能够克服高频率工作条件下相位误差的对测量结果的影响，适用于毫米波/亚毫米波、太赫兹等高频率工作天线的近场测量和口径场诊断。

其中，整个测量过程只需对干涉场的幅度进行获取，减小了直接测量相位的矢量设备的使用造成系统成本高昂的问题。

本发明的原理如下：

数据采集控制器中记录得到的近场扫描面干涉场的电场强度H_meas可表示如下：

其中E_aut、E_ref分别为待测天线和参考天线的辐射场，d为扫描面到待测天线口径面的距离，*为复数共轭。

其中所选用的参考天线辐射特性已知。

相位重构算法如下：

1.用辐射特性已知的参考天线计算生成一个照射波I_illu

2.用照射波对记录得到的近场干涉场的强度照射即可得到重构场H_reco，该照射重构是通过在计算机中做乘法实现。

H_reco(x,y；z＝d)＝I_illu(x,y；z＝d)×H_meas(x,y；z＝d) (3)

重构场H_reco的表达式(4)中包含了待测天线的辐射场的复数信息E_aut

重构场H_reco中除包含目标波外还有直达波和共轭波两部分干扰项，为了从重构场中获取目标波E_aut，需采用反投影口径场滤波法选通目标波。

反投影口径场滤波方法：

1.将重构场从空间域(x，y)转换到角谱域(k_x，k_y)，空间域与角谱域的变换是通过快速傅里叶变换(FFT)实现，

S_reco(k_x,k_y)＝FFT{H_reco(x,y；z＝d)} (5)

其中S_reco为重构场的角谱分布。

2.将重构场在角谱域中乘以反投影传输函数再经角谱域逆变换到空间域，

其中E_aperture为重构场经反投影后在待测天线口径面位置处的空间分布。

重构场经反投影后即可在待测天线口径位置处(z＝0)实现目标波与干扰波的有效分离，再通过一个低通滤波器即可实现对待测天线辐射场的选通。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、该近场无相位测量方法可克服高频情况下由于信号源的相位漂移，测试线缆的抖动，探头机械定位误差等引起的相位测量误差对传统近场测量结果的影响，能有效应用于毫米波/亚毫米波、太赫兹等高频率工作天线的近场测量和口径场诊断。

2、由于本发明只需要测量幅度值，避免了直接测量相位所用的昂贵的矢量测量设备，降低了系统测量成本。

3、该无相位测量方法虽然引入了辐射特性已知的参考天线来避免相位的直接测量，但其只需对干涉场的幅度进行单一测量即可实现待测天线远场方向图特性的获取，测量时间并未增加。

附图说明

图1是近场无相位测量方法原理示意图，其中，1为信号源，2为定向耦合器，3为参考天线，4为待测天线，5为测试线缆，6为近场扫描平面，7为近场测量探头，8幅度接收机，9为数据采集控制器；

图2是近场无相位测量仿真模型侧视图，其中21为待测天线，22为参考天线；

图3是近场无相位测量仿真模型立体图，其中31为待测天线，32为参考天线；

图4是干涉场的电场强度分布图；

图5是反投影示意图，其中51为待测天线，52为参考天线，53为口径面，54为近场扫描面；

图6是重构场反投影到待测天线口径位置处的电场幅度分布图；

图7是标准近场与重构近场在近场横截线的归一化幅度对比图；

图8是标准近场与重构近场在近场纵截线的归一化幅度对比图；

图9是标准近场与重构近场在近场横截线的相位对比图；

图10是标准近场与重构近场在近场纵截线的相位对比图；

图11是由标准近场计算得到的远场E面与由重构近场计算得到的远场E面对比图；

图12是由标准近场计算得到的远场H面与由重构近场计算得到的远场H面对比图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实例进一步说明本发明。

如图3所示为天线近场无相位测量仿真模型图，其中31为待测天线，32为参考天线，工作频率为15GHz，待测天线为Ku波段20dB标准增益喇叭，参考天线为Ku波段的开口直波导，采用MOM方法仿真计算。其中待测天线口径面中心位于坐标(0，0，0)，参考天线离轴布局位于坐标(283mm，283mm，0mm)，两天线口径面在同一平面上(见图2)，近场扫描探头在距离待测天线口径d＝210mm的平面上测量等间隔离散点的幅度值，采样间隔为半波长(10mm)，扫描面大小为800mm*800mm的矩形平面。

其中参考天线的辐射特性已知。

干涉场的强度分布如图4所示。

将干涉场强度代入之前所述的相位重构算法式(2)、式(3)、式(4)，再依次经式(5)、式(6)反投影之后即可得到如图6所示的重构场口径空间分布，图5中目标波处于口径区域中心且与其他干扰项实现了空间分布的有效分离，因此只需一个低通滤波器即可从图6中实现对其他干扰项的滤除，进而可高效选通目标波(待测天线的复数近场，包括幅度和相位信息)。

经反投影口径场低通滤波后得到的待测天线的重构近场与直接仿真的待测天线的标准近场的对比如图7-图10，图7和图8分别表示由两种方法得到的近场横截线、纵截线的幅度对比图，图9和图10分别表示由两种方法得到的近场横截线、纵截线的相位对比图。由近场对比图可知，由本发明提出的近场无相位测量技术得到的重构近场与直接仿真的标准近场从幅度和相位上都实现了比较理想的吻合。

由近场无相位测量得到的待测天线重构近场和直接仿真的待测天线的标准近场分别计算得到的远场方向图的对比如图11和图12，图11为两种近场测量方法计算得到的远场E面对比图，图12为两种近场测量方法计算得到的远场H面对比图，由图可知相比传统近场测量，近场无相位测量技术能在较大的远场角域范围内精确得到待测天线的远场信息，验证了本方案的可行性、准确性与先进性。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：该方法利用的系统主要由信号源、待测天线、参考天线、近场测量探头、幅度接收机、测试线缆、定向耦合器、近场扫描面和数据采集控制器组成；所述的信号源通过测试线缆和定向耦合器连接到测量系统中的待测天线和参考天线，用于给待测天线和参考天线提供激励源激励其向空间辐射电磁场，所述的定向耦合器将信号源产生的电磁波分为两路：一路与待测天线相连，另一路与参考天线相连；所述的待测天线和参考天线均向外辐射电磁场，二者的辐射场在近场扫描面形成干涉场，待测天线正对扫描面中心，参考天线离轴布局；所述的近场测量探头位于近场扫描面移动，用于对近场扫描面离散网格点上的电磁场采样；所述的幅度接收机通过测试线缆与近场测量探头相连，用于接收近场测量探头测量的各空间采样点的电磁场的幅度值；所述的数据采集控制器用于将幅度接收机中测量的电磁场的幅度转换为强度并记录，便于后续数据处理。

2.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：所述的待测天线不局限于特定形状，包括喇叭天线、阵列天线。

3.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：所述的近场扫描面，不局限平面、柱面或球面中任一几何形式，可为任意曲面。

4.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：所述的采样间隔不局限于特定尺寸，但必须满足奈奎斯特特采样准则。

5.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：所述的定向耦合器不局限与特定耦合度，包括功分器。

6.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：所述的近场测试距离、参考天线位置等参数不局限于特定值，可根据待测天线进行仿真参数寻求最优参数配置。

7.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：只测量近场幅度值即可实现待测天线远场方向图特征的获取，无需对相位信息直接测量。

8.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：参考天线的辐射特性已知。

9.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：整个测量过程只需对干涉场的幅度进行获取，并利用的已知辐射特性的参考场，即可得到包含待测天线幅度和相位的重构场，重构场中待测天线的幅度和相位的获取通过数字滤波方法实现。

10.如权利要求1所述的一种天线近场无相位测量方法，其特征在于：能够克服高频率工作条件下相位误差的对测量结果的影响，适用于毫米波/亚毫米波、太赫兹等高频率工作天线的近场测量和口径场诊断；整个测量过程只需对干涉场的幅度进行获取，减小了直接测量相位的矢量设备的使用造成系统成本高昂的问题。