CN109241565A - 天线球面近场测量中采样位置误差校正方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线球面近场测量中采样位置误差校正方法和装置，该方法包括步骤：对被测天线进行球面近场测量，建立天线模型，获取带有位置误差的误差近场数据；通过误差近场数据求取有偏差的球面波模系数；通过泰勒级数对球面波模系数进行校正，得到校正球面波模系数。该装置包括测量仿真模块、波模系数模块和泰勒校正模块。本发明的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法和装置，通过将泰勒级数方法应用到天线球面近场测量采样位置误差校正中，可以有效地对由于采样位置误差造成的近场数据进行校正，从而得到与理想远场辐射特性更为接近的转换的远场结果。

Description

天线球面近场测量中采样位置误差校正方法和装置

技术领域

本发明涉及天线测量技术领域，具体涉及一种天线球面近场测量中采样位置误差校正方法和装置。

背景技术

近年来，移动通信的迅猛发展推动了基站天线的研发工作，天线也越来越重要，对于天线设计的精准度要求越来越高。尤其是随着5G中大规模多输入多输出技术的引入，需要在通信端的基站附近増加大量的天线，由于天线数目的大量増加，因而系统的通信性能有显著的提高。天线在水平和垂直方向上进行波束成形，因而能为建筑物的不同楼层或建筑物外的用户等范围内进行通信，说明天线的各种性能参数能影响它所在的任何系统，从而使得天线测量技术在整个天线的应用过程中的作用也越来越重要。由于天线的尺寸越来越大，如一些基站天线，天线远场测量已经不再具有实际意义，它需要占用更大的场地，更多的费用以及时间，而且测量环境也是一种限制因素，所以近年来，近场测量技术得到重视，更为可行的测量方式是通过天线的近场数据得到天线的远场性能图。近场测量技术主要在微波暗室中实现，这样可以节约空间与成本，免去了建造大型微波暗室的难度，而且测量环境可控，可以进行高精度的测量，这种测量保证了全天候都能进行天线测量，结果稳定，信息量大，通过某一面(平面、柱面或球面)的取样来就可以得到天线各个方向的远场方向性能。因而近场测量方法越来越受人们的重视。

天线近场测量主要是通过近场数据来获得天线远场方向特性。近远场转换算法主要是基于电磁场以波的形式传播。在近远场变换的研究过程中，出现了各种不同的算法来提高转换准确度，精确度以及提高计算速度。目前存在快速傅里叶变换、数值变换法等，这些算法各自都有其优点。天线近场测量的方法主要分为三种：平面、柱面以及球面。球面测量将天线场域展开成球面波函数加权和的形式，可以获得更全面采样的信息，参见图1所示，所以近年来球面测量得到广泛注重。

一个天线近场测量系统最重要的是测量的准确性和精确性，但是在实际测量中，现实的环境以及器材等都含有一定的误差，而且误差源有多种。采样的位置误差就是其中一个重要的误差因素，而且通过之前的对于平面及柱面近场测量误差的探究与分析，可以看出不仅探头本身的方向不理想性会影响整个测量结果，而且采样位置的偏差同样会对测量结果造成较大的影响，即影响天线远场辐射特性，可见采样位置误差是不可以忽略，有必要进行具体分析与研究。而由于球面测量技术近年来发展较快，由于位置误差对天线远场造成的影响较大，因此对于球面测量的采样位置误差分析是很有必要的、值得重视的，根据以往的调研发现位置误差的校正等问题在平面及柱面测量中得到较好的解决，对于球面近场测量的位置误差分析及校正还需得到进一步的研究与分析。

现有技术中，解决球面近场测量中采样位置误差分析与校正的方案主要是针对于多探头球面测量系统的机械校正的方法。多探头球面测量技术属于天线球面近场测量的一种方式，通过手动机械校正技术对采样位置进行校准。通过将激光灯辅助工具进行矫正的工作，具体的校正过程为：1.将激光测距仪安装在方位俯仰转台上，微调转台高度，使激光测距仪的测量原点即方位转轴尽可能与拱形支架圆心重合。2.首先调整俯仰转台，使激光测距仪对准1号探头天线，打开激光测距仪，调整1号探头的后座调整机构，使探头中心与激光测距仪光点的角度偏差满足式δθ≤Δθ/F(F为品质因数)要求，并测试1号探头与激光测距仪测量原点的距离记为R1；3.继续调整激光测距仪对准拱形架的2号探头天线，调整2号探头的后座调整机构，使探头中心与激光测距仪光点的角度偏差满足式δθ≤Δθ/F要求，测试并记录R2；比较R1与R2，通过调整2号探头的后座调整机构，确保R1与R2的偏差小于等于λ/F(λ为波长)；4.继续调整激光测距仪的俯仰角和方位角，以1号探头天线为基准，逐步对准拱形架天顶的其他探头天线，将拱形架上全部探头天线进行机械位置校准。

然而对于较大的位置误差，这是属于机械上的误差，上述多探头球面测量系统的机械校正的方法较为适用，可以直接通过手动进行校正。然而，由于该校正方法主要是针对机械误差，对于较大的机械误差校正效果较好，对于较小的误差，则不再适用，对于较小的误差没有必要进行较麻烦的手动校正，需要寻找更好的解决方法。

因此，如何对采样位置误差中较小的误差进行有效校正，成为需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提出天线球面近场测量中采样位置误差校正方法和装置，以解决上述问题。

本发明的技术方案为：

本发明提供一种天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，包括步骤：

对被测天线进行球面近场测量，建立天线模型，获取带有位置误差的误差近场数据；通过所述误差近场数据求取有偏差的球面波模系数；通过泰勒级数对所述球面波模系数进行校正，得到校正球面波模系数。

其中，通过泰勒级数对所述球面波模系数进行校正，包括步骤：

将球面波模系数与具体位置误差值进行对应，通过泰勒级数公式进行校正：

其中，x代表近场数据中的正确采样距离，x₀代表有误差的采样距离，n代表校正阶数，x-x₀即为具体位置误差值，o((x-x₀)ⁿ)为泰勒级数转换中的误差。

其中，通过所述误差近场数据求取有偏差的球面波模系数，包括步骤：

将所述误差近场数据通过如下公式进行转换得到球面波模系数：

其中a_mn,b_mn就是所述球面波模系数，是近场数据电场在θ，方向上的分量，

其中是归一化连带勒让德函数，是第二类球汉克尔函数；n＝0,1,2,.....N，m＝0,±1，±2，...±n,其中N是天线场展开式中最高阶模的阶数，a是以坐标原点为中心，能包围待测天线的最小球的半径，λ是波长，k是波数，r是测试天线的实际距离。

其中，建立天线模型之后还包括步骤：通过仿真构建被测天线的目标远场辐射图；

获取带有位置误差的误差近场数据之后还包括步骤：

基于如下天线远近场转换公式，将所述误差近场数据转换为误差远场数据：

其中，其中与为球面波函数，a_mn与b_mn为球面波模系数，(r,θ,φ)为球面坐标系，

根据所述误差远场数据，构建误差远场辐射图；

将所述目标远场辐射图与所述误差远场辐射图进行对比。

其中，得到校正球面波模系数，之后还包括步骤：

根据所述校正球面波模系数，通过所述天线远近场转换公式转换得到校正后的远场数据，构建校正远场辐射图；

将所述校正远场辐射图与所述目标远场辐射图进行对比。

其中，校正阶数n取值为4。

本发明还提供一种天线球面近场测量中采样位置误差校正装置，包括测量仿真模块、波模系数模块和泰勒校正模块；

所述测量仿真模块，用于对被测天线进行球面近场测量，建立天线模型，获取带有位置误差的误差近场数据；

所述波模系数模块，用于通过所述误差近场数据求取有偏差的球面波模系数；

所述泰勒校正模块，用于通过泰勒级数对所述球面波模系数进行校正，得到校正球面波模系数。

其中，波模系数模块，用于将所述误差近场数据转换得到球面波模系数。

其中，泰勒校正模块，用于将球面波模系数与具体位置误差值进行对应，通过泰勒级数公式进行校正。

其中，该装置还包括转换模块和对比模块；

转换模块，用于基于天线远近场转换公式，将所述误差近场数据转换为误差远场数据，根据所述误差远场数据，构建误差远场辐射图；

测量仿真模块，还用于通过仿真构建被测天线的目标远场辐射图；

对比模块，用于将所述目标远场辐射图与所述误差远场辐射图进行对比；

泰勒校正模块，还用于根据所述校正球面波模系数，通过所述天线远近场转换公式转换得到校正后的远场数据，构建校正远场辐射图；

对比模块，还用于将所述校正远场辐射图与所述目标远场辐射图进行对比。

本发明公开的技术效果为：

本发明提出的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法和装置，通过算法的形式对较小的采样位置误差进行校正的技术方案，将泰勒级数应用到天线球面近场测量采样位置误差校正中，具体通过泰勒级数对球面波模系数进行校正，可以有效地对由于采样位置误差造成的近场数据进行校正，解决由于位置误差造成的近场数据误差以及对转换远场造成的影响，从而得到与理想远场辐射特性更为接近的转换的远场数据结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为近场测量中球面测量示意图；

图2为本发明实施例一的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法的流程示意图；

图3为本发明实施例二的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。并且，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述是为了区分两个相同名称非相同的实体或者参量，仅为表述更清楚，不应理解为对本发明的限定。

实施例一

本发明实施例一提供一种天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，参见图2所示，包括步骤：

步骤S100，对被测天线进行球面近场测量，建立天线模型，获取带有位置误差的误差近场数据。

步骤S101，通过所述误差近场数据求取有偏差的球面波模系数；

步骤S102，通过泰勒级数对所述球面波模系数进行校正，得到校正球面波模系数。

由于近场采样点位置误差对于转换后的远场辐射特性具有一定的影响，因而对近场数据的较正是很有必要的。并且，经研究发现，这种误差影响的传递点是球面波模系数，所以主要的校正是在球面波模系数的基础上进行的。通过将泰勒级数应用到天线球面近场测量采样位置误差校正中，可以有效解决由于位置误差造成的近场数据误差以及对转换远场造成的影响。

实施例二

本发明实施例二提供天线球面近场测量中采样位置误差校正方法的一个优选实施方案。

参加图3所示，该方法包括步骤：

步骤S200，在HFSS中建立天线模型。

本发明实施例二中采用喇叭天线作为AUT(Antenna Under the Test，被测天线)，将在HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构模拟器)中建立此天线模型，此天线具有较强的辐射特性。

步骤S201，构建被测天线的目标远场辐射图。

在该实施例二中，目标天线远场辐射图可以由HFSS直接仿真得到，是天线理想的远场辐射特性。

步骤S202，获取被测天线带有位置误差的误差近场数据。

由在AUT附近的球面上进行采样的数据通过模拟仿真得到有位置误差的近场数据，将此数据带入到天线近远场转换公式中可以得到远场辐射特性数据(带有误差的远场数据，即误差远场数据)。

步骤S203，天线近远场转换公式应用于误差近场数据，转换得到误差远场数据。

天线近远场转换公式如下：

其中与为球面波函数，a_mn与b_mn为球面波模系数，(r,θ,φ)为球面坐标系。

球面波函数可以由本领域技术人员根据本发明技术方案从现有技术中具体选择，本发明实施例不一一列举。

步骤S204，求取球面波模系数。

球面波模系数主要是通过误差近场数据得到的。球面波模系数是关联近场与远场的一个重要传递点。

在本发明实施例二中，通过误差近场数据求取有偏差的球面波模系数，是将误差近场数据通过如下公式进行转换得到球面波模系数：

其中a_mn,b_mn就是球面波模系数。

步骤S205，根据误差远场数据，得到误差远场辐射图，与目标远场辐射图进行对比。

通过球面近远场转换的到带有误差的远场辐射图，将此图与目标远场辐射图进行对比，求取二者差值，可以得到由近场位置误差数据造成的远场辐射的第一误差数据。由于近场误差对球面波模系数造成了影响，这必定影响远场辐射特性。

步骤S206，对球面波模系数运用泰勒级数校正。

通过误差近场数据得到有偏差的球面波模系数，可以通多泰勒级数对该有误差的球面波模系数进行校正，泰勒级数公式如下：

其中，x代表近场数据中的正确采样距离，x₀代表有误差的采样距离，n代表校正阶数，阶数越高校正结果越好。x-x₀即为具体位置误差值。

通过具体位置误差值以及误差近场数据，可以得到接近于无误差数据的值，其中o((x-x₀)ⁿ)为泰勒级数转换中的误差。这个误差随着采用级数的曾大而减小，为了使用方便以及减小误差，本领域技术人员可根据具体情况进行技术的选择。优选地，将校正阶数n取值为4时，可以有效地对误差数据进行校正。

步骤S207，得到校正后的远场辐射图，与目标远场辐射图进行对比。

校正后的远场辐射图与目标远场辐射图经过对比，可以得到第二误差数据，该第二误差数据可用于判断并证明泰勒级数算法在天线球面近场测量位置校正中的有效性。经实验仿真，第二误差数据的绝对值小于第一误差数据，经过校正后的远场辐射图相比于误差远场辐射图，应接近于目标远场辐射图。

本发明实施例的步骤编号仅为表述方便，步骤编号数值的顺序不表示该对应步骤执行的时序先后，上述步骤的编号不可作为对上述各步骤的时序限定。

本发明实施例在泰勒级数算法校正的实施过程中，将有误差的球面波模系数与存在的具体位置误差值进行对应，通过泰勒级数公式进行校正，然后将经过校正的球面波模系数重新应用于近远场转换算法中，最终得到远场辐射特性。此泰勒级数校正方法适用于位置误差较小的情况下，可以弥补机械校正的不足，进一步提高校正的精确度。

实施例三

本发明实施例三提供一种天线球面近场测量中采样位置误差校正装置，包括测量仿真模块、波模系数模块和泰勒校正模块。

测量仿真模块，用于对被测天线进行球面近场测量，建立天线模型，获取带有位置误差的误差近场数据。

波模系数模块，用于通过误差近场数据求取有偏差的球面波模系数。

泰勒校正模块，用于通过泰勒级数对球面波模系数进行校正，得到校正球面波模系数。

优选地，波模系数模块，用于将所述误差近场数据转换得到球面波模系数。泰勒校正模块，用于将球面波模系数与具体位置误差值进行对应，通过泰勒级数公式进行校正。

优选地，该装置还包括转换模块和对比模块。

转换模块，用于基于天线远近场转换公式，将误差近场数据转换为误差远场数据，根据误差远场数据，构建误差远场辐射图；对比模块，用于将目标远场辐射图与误差远场辐射图进行对比。

优选地，为验证该校正装置的有效性，测量仿真模块，还用于通过仿真构建被测天线的目标远场辐射图；泰勒校正模块，还用于根据校正球面波模系数，通过天线远近场转换公式转换得到校正后的远场数据，构建校正远场辐射图；将校正远场辐射图与目标远场辐射图进行对比。

现有技术只是在采样位置误差较大上使用机械校正能够较方便地对产生误差的采样位置进行的研究，但是对较小的采样位置误差的校正来说，采用算法的形式进行校正是一个有效的方法。现有技术中针对球面近场测量中校正算法在近远场转换中还未涉及。

本发明实施例通过将泰勒级数方法应用到天线球面近场测量采样位置误差校正中，可以有效地对由于采样位置误差造成的近场数据进行校正，从而得到与理想远场辐射特性更为接近的转换的远场结果。具体地，将有误差的近场数据应用于天线球面近远场转换中，完成近场采样点位置误差对于转换远场的影响分析，发现这种误差影响的传递点是球面波模系数，通过泰勒级数公式将球面波模系数进行校正，然后将经过校正的球面波模系数重新应用于近远场转换算法中，最终得到远场辐射特性。此泰勒级数校正方法适用于位置误差较小的情况下，可以辅助机械校正以提高误差校正的精确性。

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公知的现有技术。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，其特征在于，包括步骤：

对被测天线进行球面近场测量，建立天线模型，获取带有位置误差的误差近场数据；

通过所述误差近场数据求取有偏差的球面波模系数；

通过泰勒级数对所述球面波模系数进行校正，得到校正球面波模系数。

2.根据权利要求1所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，其特征在于，所述通过泰勒级数对所述球面波模系数进行校正，包括步骤：

将球面波模系数与具体位置误差值进行对应，通过泰勒级数公式进行校正：

其中，x代表近场数据中的正确采样距离，x₀代表有误差的采样距离，n代表校正阶数，x-x₀即为具体位置误差值，o((x-x₀)ⁿ)为泰勒级数转换中的误差。

3.根据权利要求1所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，其特征在于，所述通过所述误差近场数据求取有偏差的球面波模系数，包括步骤：

将所述误差近场数据通过如下公式进行转换得到球面波模系数：

其中a_mn,b_mn就是所述球面波模系数，是近场数据电场在θ，方向上的分量，

其中是归一化连带勒让德函数，是第二类球汉克尔函数；n＝0,1,2,.....N，m＝0,±1，±2，...±n,其中N是天线场展开式中最高阶模的阶数，a是以坐标原点为中心，能包围待测天线的最小球的半径，λ是波长，k是波数，r是测试天线的实际距离。

4.根据权利要求3所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，其特征在于：

所述步骤建立天线模型之后还包括步骤：通过仿真构建被测天线的目标远场辐射图；

所述步骤获取带有位置误差的误差近场数据之后还包括步骤：

基于如下天线远近场转换公式，将所述误差近场数据转换为误差远场数据：

其中，与为球面波函数，a_mn与b_mn为球面波模系数，(r,θ,φ)为球面坐标系，

根据所述误差远场数据，构建误差远场辐射图；

将所述目标远场辐射图与所述误差远场辐射图进行对比。

5.根据权利要求4所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，其特征在于，所述步骤得到校正球面波模系数，之后还包括步骤：

根据所述校正球面波模系数，通过所述天线远近场转换公式转换得到校正后的远场数据，构建校正远场辐射图；

将所述校正远场辐射图与所述目标远场辐射图进行对比。

6.根据权利要求2-5任一项所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正方法，其特征在于，所述校正阶数n取值为4。

7.天线球面近场测量中采样位置误差校正装置，其特征在于，包括测量仿真模块、波模系数模块和泰勒校正模块；

所述测量仿真模块，用于对被测天线进行球面近场测量，建立天线模型，获取带有位置误差的误差近场数据；

所述波模系数模块，用于通过所述误差近场数据求取有偏差的球面波模系数；

所述泰勒校正模块，用于通过泰勒级数对所述球面波模系数进行校正，得到校正球面波模系数。

8.根据权利要求7所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正装置，其特征在于，所述波模系数模块，用于将所述误差近场数据转换得到球面波模系数。

9.根据权利要求8所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正装置，其特征在于，所述泰勒校正模块，用于将球面波模系数与具体位置误差值进行对应，通过泰勒级数公式进行校正。

10.根据权利要求9所述的天线球面近场测量中采样位置误差校正装置，其特征在于，还包括转换模块和对比模块；

所述转换模块，用于基于天线远近场转换公式，将所述误差近场数据转换为误差远场数据，根据所述误差远场数据，构建误差远场辐射图；

所述测量仿真模块，还用于通过仿真构建被测天线的目标远场辐射图；

所述对比模块，用于将所述目标远场辐射图与所述误差远场辐射图进行对比；

所述泰勒校正模块，还用于根据所述校正球面波模系数，通过所述天线远近场转换公式转换得到校正后的远场数据，构建校正远场辐射图；

所述对比模块，还用于将所述校正远场辐射图与所述目标远场辐射图进行对比。