CN108663577B - 一种多探头球面近场交叉极化校正方法 - Google Patents

Abstract

一种多探头球面近场交叉极化校正方法，包括步骤如下：步骤1：计算获得辅助天线极化倾角测量值及多探头球面近场测量系统的极化倾角偏差；步骤2：对被测天线进行辐射方向图测量，获得被测天线交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据；步骤3：根据步骤1中获得的多探头球面近场测量系统的极化倾角偏差，步骤2中获得的被测天线交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据，采用极化参考坐标系旋转的方法，对交叉极化矢量数据进行校正，获得校正后的交叉极化数据。本发明对多探头球面近场测得的交叉极化电平进行校准，适用于移动通信基站天线、星载通信天线等低交叉极化天线的精确测量。

Description

一种多探头球面近场交叉极化校正方法

技术领域

本发明涉及一种多探头球面近场交叉极化校正方法。

背景技术

无线通信技术的快速发展给人们的信息沟通提供了极大便利。但由于可利用的无线频谱资源是有限，如何充分利用现有频谱带宽是一个重要研究领域。随着通信技术发展，已开发出多种提高频谱利用率技术，常见的有频率分集、时间分集、空间分集和极化分集等。前三种分集通过牺牲带宽、时间和空间来实现分集，通信效率和空间利用率较低。极化分集中应用最广的是双极化分集，即使用同一频率发送两束极化方向互相正交的无线信号，这样一来，信道容量增加为发送单极化信号的两倍，极大地提高了频谱利用率和信道容量。

采用极化分集的通信系统中，为减小不同极化信号之间干扰，对通信系统天线提出了更高要求，要求天线交叉极化干扰小、极化辨识度高。为检验天线极化相关指标，需要对天线交叉极化电平进行精确测量。目前交叉极化方向图测量使用比较广泛的是多探头球面近场，其交叉极化测量误差主要有多径反射、暗室杂散、截断误差、测量系统极化倾角误差等。对于低交叉极化天线测量，测试系统极化倾角偏差是多探头球面近场交叉极化测量误差的主要来源。

测试系统极化倾角偏差是指测量系统实测极化倾角与电场真实极化倾角间的偏差(如图1)。天线方向图测量时，极化倾角偏差将导致实测交叉极化信号混叠主极化信号分量，降低系统交叉极化测量精度。对于低交叉极化天线，微小的极化倾角偏差就可能引入较大的交叉极化测量误差。图2是待测天线交叉极化电平分别为-30dB、-20dB、-10dB时，交叉极化最大测量误差与极化倾角偏差之间关系曲线。由图可知，对于交叉极化电平为-30dB的常规通信天线，极化倾角偏差1度时，测量误差最大可达7dB。因此，为保证交叉极化测量精度，需要对测量系统的自身极化倾角偏角进行精确校正。

常用的极化偏角校正方式有两类：一类是调节待测天线架设角度，通常采用高精度光学校准仪器辅助对待测天线进行调平，尽量减小天线与测试系统的极化偏差。该方法一方面要求测试系统自身极化参考方向精确已知，同时要求待测天线架设工装有足够的调节维度来配合调平。对于多探头球面近场，测试系统精确极化参考方向随频率变化，不存在固定参考方向，因此该类方法不适用于多探头球面近场的极化精度校正。

另一类是调节测试系统极化方向，由于探头通常为极化纯度较高的线极化天线，当探头极化方向与待测天线极化方向完全一致时，测得的天线交叉极化量值最低。测量时，需多次调节探头极化方向，获得多组交叉极化电平，选择交叉电平最低值，即为待测天线实际交叉极化电平。该方法主要用于天线远场测量、单探头球面或平面近场测量中的极化校正，对于多探头球面近场，由于探头极化无法旋转，不能使用该方法校准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种交叉极化精确校正方法，对多探头球面近场测得的交叉极化电平进行校准，适用于移动通信基站天线、星载通信天线等低交叉极化天线的精确测量。对于普通的多探求球面近场，本发明的方法能够将其叉极化测量精度提升至-35dB。

本发明所采用的技术方案是：一种多探头球面近场交叉极化校正方法，包括步骤如下：

步骤1：选择一副辅助天线，使用多探头球面近场测量系统对辅助天线的极化倾角进行测量，获得辅助天线极化倾角测量值；将辅助天线实际极化倾角和极化倾角测量值做差，获得多探头球面近场测量系统的极化倾角偏差；

步骤2：按照多探头球面近场测量系统的方向图测试步骤，对被测天线进行辐射方向图测量，获得被测天线交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据；

步骤3：根据步骤1中获得的多探头球面近场测量系统的极化倾角偏差，步骤2中获得的被测天线交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据，采用极化参考坐标系旋转的方法，对交叉极化矢量数据进行校正，获得校正后的交叉极化数据。

所述极化参考坐标系旋转的方法，具体步骤如下：

对步骤2中获得的被测交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据进行校正，获得校正后的主极化电场、交叉极化电场矢量数据，公式如下：

其中，

为垂直极化电场的校正结果，

为水平极化电场的校正结果，

为+45°极化电场的校正结果，

为-45°极化电场的校正结果；θ为多探头球面近场测量系统坐标系下的极距角，

为多探头球面近场测量系统坐标系下的方位角；

_Δτ_V为多探头球面近场测量系统测量垂直极化电场时的极化倾角偏差，_Δτ_H为多探头球面近场测量系统测量水平极化电场时的极化倾角偏差，_Δτ₊₄₅为多探头球面近场测量系统测量+45°极化电场时的极化倾角偏差，_Δτ_-45为多探头球面近场测量系统测量-45°极化电场时的极化倾角偏差；

为测量得到的垂直极化电场矢量数据，

为测量得到的水平极化电场矢量数据，

为测量得到的+45°极化电场矢量数据，

为测量得到的-45°极化电场矢量数据。

所述辅助天线的交叉极化比高于35dB且极化倾角已知。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的方法适用于多探头球面近场，根据近场系统最终的远场极化倾角实际偏差进行校正。综合考虑了近场系统中各探头之间的交叉极化差异性、频率差异性、位置分布差异性，校正效果好。

(2)本发明的方法与被测天线极化类型、极化隔离度无关，通用性强，易于软件集成。实际操作中可以将本算法集成到球面近场数据处理软件中，一次全频段校准，可长期使用，提高交叉极化测试精度的同时并不会增加天线测试时间。

(3)本发明的方法使用过程中，无需调节被测天线或测试探头的姿态，简化了架设工装要求。被测天线按照常规架装，单次测试，通过数据处理即可完成交叉极化电平校正，操作简单，缩短了架装和测量时间。

附图说明

图1为近场系统实测极化倾角与电场真实极化倾角偏差图；

图2为交叉极化最大测量误差与极化倾角偏差关系曲线图；

图3为多探头球面近场测试系统坐标系示意图；

图4(a)为辅助天线垂直极化电场辐射时与球面近场测试系统坐标系的相对关系图；

图4(b)为辅助天线水平极化电场辐射时与球面近场测试系统坐标系的相对关系图；

图4(c)为辅助天线+45°极化电场辐射时与球面近场测试系统坐标系的相对关系图；

图4(d)为辅助天线-45°极化电场辐射时与球面近场测试系统坐标系的相对关系图；

图5为校正前后方向图曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

一种多探头球面近场交叉极化校正方法，包括步骤如下：

步骤1：选择一副交叉极化比较高且极化倾角已知的辅助天线，为保证极化偏角测量精度，辅助天线交叉极化比应优于35dB。辅助天线工作频段应覆盖待测天线拟测量所有频点，通常选择角锥喇叭天线或脊喇叭天线；

步骤2：在多探头球面近场测量系统坐标系原点位置架设辅助天线，图3为多探头球面近场测量系统坐标系示意图。多探头球面近场测量系统坐标系为右手坐标系，原点位于探头分布圆的圆心，y轴垂直探头分布圆，x轴、z轴位于探头分布圆所在平面，x轴水平，z轴垂直向上。

步骤3：分别将辅助天线精确按照垂直、水平、+45°、-45°四种极化倾角进行架设(如图4(a)～(d)所示)，使用多探头球面近场测量系统，分别测量每种架设状态下天线远场辐射参数中的极化倾角τ_V、τ_H、τ₊₄₅、τ_-45(单位为弧度)；

步骤4：根据步骤2中测到的极化倾角，获得多探头球面测量系统在垂直、水平、+45°、-45°四个极化方向上对应的极化倾角偏差_Δτ_V、_Δτ_H、_Δτ₊₄₅、_Δτ_-45。计算公式如式(1)～(4)

_Δτ_V＝τ_V (1)

步骤5：将被测天线架设在多探头球面近场测量系统坐标系原点位置，测量待测天线辐射方向图。对于民用通信天线，辐射场极化类型主要有垂直极化、水平极化、+45°极化，-45°极化四种类型，军用通信天线主要有垂直极化、水平极化两种类型。其中垂直极化和水平极化、+45°极化和-45°极化互为主极化与交叉极化。根据待测天线的极化类型，从多探头球面近场测量系统操作软件中导出待测天线主极化和交叉极化对应的辐射远场矢量数据。

步骤6：对步骤5中导出的主极化和交叉极化远场数据，按照公式(5)～(6)进行校正，获得校正后的主/交叉极化电场

和

或者

和

式中，

为垂直极化电场的校正结果，

为水平极化电场的校正结果，

为+45°极化电场的校正结果，

为-45°极化电场的校正结果；θ为多探头球面近场测量系统坐标系下的极距角，

为多探头球面近场测量系统坐标系下的方位角(如图3所示)。

_Δτ_V为多探头球面近场测量系统测量垂直极化电场时的极化倾角偏差，_Δτ_H为多探头球面近场测量系统测量水平极化电场时的极化倾角偏差，_Δτ₊₄₅为多探头球面近场测量系统测量+45°极化电场时的极化倾角偏差，_Δτ_-45为多探头球面近场测量系统测量-45°极化电场时的极化倾角偏差；

为测量得到的垂直极化电场矢量数据，

为测量得到的水平极化电场矢量数据，

为测量得到的+45°极化电场矢量数据，

为测量得到的-45°极化电场矢量数据。

步骤7：根据步骤6校正得到的电场数据，以及天线主极化和交叉极化类型，计算天线主极化和交叉极化辐射方向图。

若天线为垂直极化，即天线主极化辐射场极化倾角为垂直，交叉极化辐射场极化倾角为水平，按照公式(7)～(8)计算天线主极化方向图

和交叉极化方向图

若天线为水平极化，即天线主极化辐射场极化倾角为水平，交叉极化辐射场极化倾角为垂直，按照公式(9)～(10)计算天线主极化方向图

和交叉极化方向图

若天线为+45°极化，即天线主极化辐射场极化倾角为+45°，交叉极化辐射场极化倾角为-45°，按照公式(11)～(12)计算天线主极化方向图

和交叉极化方向图

若天线为-45°极化，即天线主极化辐射场极化倾角为-45°，交叉极化辐射场极化倾角为+45°，按照公式(13)～(14)计算天线主极化方向图

和交叉极化方向图

图5是采用本发明方法校正后的主极化和交叉极化方向图曲线，图中校正前后的主极化曲线基本重合在一起，说明极化倾角偏差对主极化的测量误差影响较小。细虚线为校正前交叉极化方向图曲线，粗虚线为校正后交叉极化方向图曲线。从图可以看出，使用本发明校正方法后交叉极化测试精度有了明显改善。校正时，为提高校正效率，可以只对正交叉极化进行校正。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种多探头球面近场交叉极化校正方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：选择一副辅助天线，使用多探头球面近场测量系统对辅助天线的极化倾角进行测量，获得辅助天线极化倾角测量值；将辅助天线实际极化倾角和极化倾角测量值做差，获得多探头球面近场测量系统的极化倾角偏差；

步骤2：按照多探头球面近场测量系统的方向图测试步骤，对被测天线进行辐射方向图测量，获得被测天线交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据；

步骤3：根据步骤1中获得的多探头球面近场测量系统的极化倾角偏差、步骤2中获得的被测天线交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据，采用极化参考坐标系旋转的方法，对交叉极化矢量数据进行校正，获得校正后的交叉极化数据；

所述极化参考坐标系旋转的方法，具体步骤如下：

对步骤2中获得的被测交叉极化远场方向图矢量数据与主极化远场方向图矢量数据进行校正，获得校正后的主极化电场、交叉极化电场矢量数据，公式如下：

其中，

为垂直极化电场的校正结果，

为水平极化电场的校正结果，

为+45°极化电场的校正结果，

为-45°极化电场的校正结果；θ为多探头球面近场测量系统坐标系下的极距角，

为多探头球面近场测量系统坐标系下的方位角；

Δτ_V为多探头球面近场测量系统测量垂直极化电场时的极化倾角偏差，Δτ_H为多探头球面近场测量系统测量水平极化电场时的极化倾角偏差，Δτ₊₄₅为多探头球面近场测量系统测量+45°极化电场时的极化倾角偏差，Δτ_-45为多探头球面近场测量系统测量-45°极化电场时的极化倾角偏差；

为测量得到的垂直极化电场矢量数据，

为测量得到的水平极化电场矢量数据，

为测量得到的+45°极化电场矢量数据，

为测量得到的-45°极化电场矢量数据。

2.根据权利要求1所述的一种多探头球面近场交叉极化校正方法，其特征在于，所述辅助天线的交叉极化比高于35dB且极化倾角已知。

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