CN109709407B - 一种柱面场静区幅相检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱面场静区幅相检测系统，包括直线机械扫描装置、测试探头、位置/姿态测量系统、幅度相位测试仪表。使用直线机械扫描装置携带测试探头在柱面场静区中移动，通过幅度相位测试仪表获取探头采集的静区场幅相分布，使用位置/姿态测量系统测量探头在柱面场中的位置及姿态。定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与探头在布局相同的理想柱面场中、同信号激励下同位置、同姿态的系统响应之比，使用修正幅相分布评估柱面场静区的幅度和相位特性。该柱面场静区幅相检测系统避免了在等相位面(柱面)上测试对复杂机械扫描系统的需求，同时放宽了机械扫描系统的定位精度。

Description

一种柱面场静区幅相检测系统

技术领域

本发明涉及一种柱面场静区幅相检测系统，用于柱面场静区中电磁场幅度和相位分布的检测与评估。其结果将作为柱面场测试系统的重要误差来源之一，对柱面场应用中的天线或雷达散射截面测试误差评估有重要意义。

背景技术

天线和雷达散射截面测试通常需要满足远场条件。紧缩场是一种满足远场条件的室内测试场地，它借助精密的反射面(例如旋转抛物面)，将馈源发出的球面波在近距离内校正为平面波，其测试静区幅度相位分布符合平面波特征。此外，近场扫描技术广泛应用于天线测量领域，它并不直接满足远场条件，而是采用探头扫描测量的方法并通过近远场变换技术获取天线的远场辐射特性。这两种技术各有特点，互为补充。常规紧缩场的测试静区约为反射面口径尺寸的50％，实现大测试静区需要庞大的精密反射面，成本较高。而近场扫描需要至少两个维度的机械扫描实现近远场变换，若被测件较大且满足奈奎斯特采样间隔，测试时间将过长甚至无法接受。柱面场技术是紧缩场和柱面近场扫描技术的结合。它仍然使用精密反射面(抛物柱面)，然而其静区内电磁波场分布符合柱面波特征(典型布局的柱面场静区水平方向符合球面波特征，竖直方向符合平面波特征)。由于只需在一个维度上校正球面波前，在应用近场扫描理论时，其近远场变换仅需一个维度的机械扫描，节省了大量的测试时间，此外其水平方向的静区尺寸可以超过反射面口径尺寸甚至达到150％，静区利用率远高于紧缩场，反射面的建造成本相对较低。因此柱面场是一种高性价比、高效率的天线和雷达散射截面测试场地。

同其它种类测试场地类似，测试误差评估是柱面场应用中的重要组成部分。紧缩场中静区平面波的质量是测试误差的重要来源之一。与紧缩场类似，柱面场中静区柱面波的质量也将显著影响测试结果。其静区主要指标体现在静区主极化场的幅度变化(包含幅度锥削和幅度波纹)和相位变化(相位波纹)等，与紧缩场的评价体系相似。

静区主极化幅相评估的最佳方案是在等相位面上与中心水平面和竖直面的交线上评估，在等相位面上，幅度的变化主要由两方面因素引起，一种是由馈源方向图和照射路径差异引起的幅度锥削，另一种是由反射面口径和边缘绕射引起的幅度波纹。相位变化则主要体现在由反射面口径和边缘绕射引起的相位波纹，当馈源相位中心变化显著时，相位变化中会也出现明显的相位锥削。典型紧缩场静区的幅度锥削≤1dB，幅度波纹≤±0.5dB，相位波纹根据工作频率的高低可分为≤±5度或≤±10度。图1为紧缩场在X频段10GHz的静区VV极化(垂直极化发射垂直极化接收)水平线幅相分布，横轴代表位置，单位m；纵轴分别代表幅度和相位，单位分别为dB和deg(度)。

紧缩场静区等相位面是平面，而柱面场的等相位面是柱面(电磁波可等效从一虚拟线源发出)。若要在柱面场的等相位面上评估静区幅相会复杂很多，它需要一副精密的圆弧导轨实现圆弧扫描，圆心与柱面场等效虚拟线源重合；或采用多轴导轨插补运动拟合出相同的圆弧轨迹。圆弧扫描可使探头运动时与虚拟线源的距离保持恒定，且随时指向虚拟线源的位置。这种机械扫描装置复杂成本高，在大型场地中尤为明显，同时圆弧扫描装置与被评估场地布局关联密切，较难具备通用性。采用圆弧扫描的柱面场静区检测方案示意图如图2(a)所示。

发明内容

本发明的目的在于：典型柱面场的组成包括柱面场反射面及馈源，静区是由馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的规则电磁场分布的测试区域，柱面场静区内幅度相位分布符合柱面波特征。使用已有低技术难度、通用的直线扫描装置实现柱面场静区电磁场幅度和相位特性的检测与评估。

本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：

一种柱面场静区幅相检测系统，该系统用于柱面场静区电磁场幅度和相位分布的检测与评估，典型柱面场的组成包括柱面场反射面及馈源，静区是由馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的规则电磁场分布的测试区域，柱面场静区内幅度相位分布符合柱面波特征，理想柱面场等相位面上为柱面，等相位面上场的幅度相位处处相等；该检测系统包括：直线机械扫描装置、测试探头、位置/姿态测量系统、幅度相位测试仪表、测试用稳幅稳相电缆，由幅度相位测试仪表提供柱面场馈源的信号激励，产生静区的柱面电磁波；在静区中使用直线机械扫描装置，携带测试探头在扫描导轨上直线运动；使用幅度相位测试仪表接收探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化；使用位置/姿态测量装置得到探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息，通过对幅相测试仪表的测量结果进行修正来评估柱面场的静区幅相特性。

其中，所述的直线机械扫描装置，为直角坐标或极坐标扫描架；所述的测试探头，为接收自由空间电磁波的天线；所述的幅度相位测试仪表为矢量网络分析仪配合功率放大器、低噪声放大器或分布式幅相测量系统；所述的位置/姿态测量装置，为激光跟踪仪或全站仪。

其中，不直接评估幅相测试仪表在探头沿扫描线上的测量结果，定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与探头在布局相同的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态的系统响应之比，通过评估修正幅相分布来确定柱面场的静区性能。

其中，在典型主极化测试状态下，测试探头在理想柱面场激励下的系统响应可近似等于理想柱面场解析表达式即零阶第二类Hankel函数与测试探头归一化场方向图的乘积。

本发明原理如下：

本发明不在柱面场静区的等相位面(柱面)上测量静区场的幅相。使用幅相测试仪表提供柱面场馈源的信号激励，产生静区的柱面电磁波；在静区中使用直线机械扫描装置，携带测试探头在扫描导轨上直线运动(典型扫描线为水平线或竖直线)；使用幅度相位测试仪表接收探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化；使用位置/姿态测量装置得到探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息。

所述的直线机械扫描装置，通常指直角坐标或极坐标扫描架等；所述的测试探头，通常指接收自由空间电磁波的天线，如标准增益喇叭天线等；所述的幅度相位检测仪表，通常为矢量网络分析仪等；所述的位置/姿态测量装置，通常为激光跟踪仪或全站仪等。

按照上述方案测量静区场，不直接评估幅相测试仪表在探头沿扫描线上的测量结果。定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与探头在布局相同的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态的系统响应之比。通过评估修正幅相分布来确定柱面场的静区性能。

所定义的柱面场修正幅相分布是测量值与理论值之比。测量值由幅度相位测试仪表获得：测试信号由幅相测试仪表输出至馈源并在静区产生柱面电磁波，静区场由测试探头接收并传输回幅相测试仪表并由仪表完成收发复信号的采集、比值测量及结果输出。理论值则由解析表达式获得：在典型主极化测试状态下，测试探头在理想柱面场激励下的系统响应可近似等于理想柱面场解析表达式(零阶第二类Hankel函数，电磁波在柱面坐标系下的一种外向行波解)与测试探头归一化场方向图的乘积。该表达式可看作测试探头在柱面场坐标系中位置及指向的函数，相关位置和指向参数由位置/姿态测量系统得到。

常规紧缩场静区性能在静区中心与来波垂直的等相位面中评估，通常使用直线机械扫描装置测量中心十字线的主极化幅相分布。所评估的指标有幅度变化(包含幅度锥削和幅度波纹)、相位变化(包含相位波纹，根据技术指标有可能包含相位锥削)。柱面场的指标体系也中也包含幅度变化和相位变化等。由柱面波的场分布特征，静区竖直方向被校正为平面波，满足远场条件，而水平方向类似球面波发散，其幅度随扩散的径向衰减。当沿用紧缩场的十字线直线扫描静区检测方案时，静区竖直线方向上仍然和紧缩场保持一致，可有效评估，而水平方向会出现较大差别。采用直线扫描的柱面场静区检测方案示意图如图2(b)。参照图2(a)和图2(b)，其差别表现如下：

首先，柱面场可看作由一个等效虚拟线源产生。理想的静区场相位分布与虚拟线源和静区中观测位置的距离有关，水平的扫描线上各观测点到达虚拟线源的距离r并不一致，导致扫描线上的各点相位φ＝kr(k为自由空间波数)存在显著差别，若静区中心距离虚拟线源12m，静区横向尺寸6m，测试频率f＝10GHz，则扫描线上由距离r不同引起的最大相位变化可超过4000度，极大地掩盖了所需评估的由反射面绕射引起相位波纹(±5～±10度)。同时，由于理想柱面场幅度衰减因子正比于

扫描线上各点与虚拟线源间距r不同也会造成观测幅度存在着固有的幅度锥削，影响幅度评估。

此外，使用直线扫描装置时，测试探头的指向通常在安装时就已确定，且在扫描过程中保持不变。紧缩场静区检测场景中由于被测对象为平面波，探头只需保持固定姿态不变即可。应用在柱面场中时，探头在扫描过程中无法在各测试位置都指向虚拟线源，导致测试的幅相结果受到探头的场方向图影响。仍以上面柱面场布局参数为例，检测静区水平线时，探头对虚拟线源指向的变化最大可达±14度。

以上两种类型的误差可纳入系统误差，如果能将其有效地评估去除，则测试结果将反映柱面场真实的性能。

为此，采用了位置/姿态测量装置，如激光跟踪仪、全站仪等。紧缩场、柱面场的反射面均为大型精密设备，其机械装调时会建立反射面的装调坐标系，最终的机械装调结果将完整的展现在反射面坐标系中，易在其中确定虚拟线源的位置。

柱面场电性能检测系统中存在三个坐标系：反射面坐标系(x,y,z)、扫描架坐标系(x′,y′,z′)和测试探头坐标系(x",y",z")，通常扫描架坐标系和测试探头坐标系各坐标轴彼此平行。

如图4柱面场静区电性能检测坐标关系示意图，柱面场装调完后，反射面顶点位于反射面坐标系(x,y,z)的原点，馈源相位中心位于xy平面内(F,0)处，F为反射面的焦距。在反射面坐标系中调整扫描架，并使扫描架坐标系(x′,y′,z′)中z′与z平行(x′,y′不严格要求与x,y平行)。安装测试探头或测试工装，测量计算扫描线上各采样位置所对应的探头相位中心在反射面坐标系中的位置(x_p,y_p,z_p)，确定测试探头的指向：设探头指向在反射面坐标系中与z轴夹角为θ₀，在xy平面内投影与x轴夹角为φ₀。此外，令探头的极化角为χ，柱面场的两种主极化方向分别对应φ向和z向，为实现主极化分量测量，探头极化角应分别调至与xy平面重合或z向。

反射面坐标系xy平面中虚拟线源坐标为(-F,0)。易求各采样位置对应探头相位中心与虚拟线源距离

易求各采样位置对应探头相位中心与虚拟线源连线与x方向夹角为φ_p＝atan(y_p/(x_p+F))。测试探头在理想柱面场激励下的系统响应b_ideal可表达为：

其中，

为零阶第二类Hankel函数，k为自由空间波数，A(θ₀,φ₀,φ_p,x)为由θ₀、φ₀、φ_p、χ所确定的探头归一化场方向图，a₀为复常数因子(静区场幅相分布是一种相对分布，不关心绝对量大小)。

定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与探头在布局相同的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态的系统响应之比：

由测量值b_test和理论值b_ideal易得修正值b_corr，显然b_corr去除了直线扫描装置与测试探头在测量时由于传播路径、探头指向引起的幅度和相位系统误差。参照紧缩场静区性能评估方式，在b_corr的基础上评估其幅度锥削、幅度波纹和相位波纹等指标将直观的反映柱面场静区的性能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种柱面场静区性能检测系统，可使用直线扫描装置在柱面场静区中扫描测量，避免使用复杂的圆弧导轨或多轴插补方案在等相位面(柱面)上测量评估，可极大利用已有的设备并灵活部署，降低了检测评估的硬件成本。

(2)所定义的柱面场修正幅相分布有效地去除了探头扫描时由于电磁波传播路径、探头指向引起的幅度和相位系统误差，可有效反映柱面场静区的性能。

(3)由于本发明中使用位置/姿态测量系统，故仅要求扫描架的重复定位精度，而对扫描架直线度、平面度要求可放宽(常规要求约为λ/100～2λ/100，λ为测试波长)。

附图说明

图1为典型紧缩场静区中心水平线的幅相分布(静区2m，VV极化，10GHz)；

图2为柱面场静区电性能检测方案对比示意图(圆弧扫描与直线扫描)，其中，图2(a)为圆弧扫描示意图，图2(b)为直线扫描示意图；

图3为柱面场静区电性能检测系统(俯视图和侧视图)示意图，其中，图3(a)为柱面场静区电性能检测系统俯视图示意图，图3(b)为柱面场静区电性能检测系统侧视图示意图；

图4为柱面场静区电性能检测位置关系(俯视)示意图；

图5为测试探头在柱面场静区中心水平扫描线实测所得静区幅度和相位分布(VV极化，10GHz)；

图6为与图5布局相同的理想柱面场静区中探头同信号激励、同位置、同姿态的系统幅度和相位响应；

图7为柱面场静区中心水平线修正幅度和相位分布。

图中：1为柱面场反射面，2为柱面场馈源，3为柱面场静区，4为测试探头，5为直线扫描装置，6为幅度相位测试仪表，7为位置/姿态测量系统，8为稳幅稳相电缆，9为柱面场等效虚拟线源，10为馈源相位中心，11为柱面场静区中心水平线，12为圆弧扫描线，13为直线扫描线。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图3(a)和图3(b)所示，柱面场的组成包括柱面场反射面及馈源，静区是由馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的柱面电磁波分布的测试区域，在静区中有一直线机械扫描装置携带测试探头在扫描线上运动，由幅度相位测试仪表、稳幅稳相电缆提供柱面场馈源的信号激励、接收探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化，使用位置/姿态测量装置得到探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息，通过对幅相测试仪表的测量结果进行修正来评估柱面场的静区幅相特性。

本发明的一个优选实施例：

一柱面场如图4，焦距4m，反射面为抛物柱面，其在yz平面内投影宽度4m，高3.6m。静区范围x向为4.6～10.6m，y向最大为-3～3m，其典型技术指标为静区水平线幅度锥削≤1.5dB，幅度波纹≤±0.5dB，相位波纹≤±5度。

使用极坐标扫描架(直线扫描装置)测量静区水平方向场分布。在静区中选择测试位置，使扫描臂水平，高度与静区中心高度一致。使用激光跟踪仪在反射面坐标系中调整扫描架，使扫描架坐标系、探头坐标系的各坐标轴分别于反射面坐标系平行。探头运动方向简化为y向，探头指向简化为-x方向。调整系统的主极化状态为垂直极化(极化VV，分别调整馈源和探头的极化方向)，使用激光跟踪仪测量并计算探头相位中心在反射面坐标系中的位置，探头相心x向的坐标为6.9430m，y向扫描时探头相心的y坐标变化范围为0.0091～2.8081m(静区左半部分，扫描间隔约14mm)。

使用网络分析仪作为幅相测试仪表测量探头接收的静区场，测试频率10GHz，测试结果b_test如图5，图中横轴代表位置，单位m；纵轴分别代表幅度和相位，单位分别为dB和deg(度)。直接在扫描线上测得静区左半部场幅度变化为3.86dB，相位变化为4259.9度。测试结果远超其技术指标，无法有效评估。

若采用相同探头在同布局的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态测量，可由表达式计算得到其探头输出信号b_ideal如图6所示。扫描线上静区场的幅度变化为2.75dB，相位变化为4257.6度。该幅度相位变化主要由直线扫描装置与测试探头在测量传播路径、探头指向的变化引起。

使用公式计算柱面场静区修正幅相分布b_corr如图7所示。通过去除传播路径、探头指向引入的系统误差，扫描线上静区场幅度变化为1.13dB，相位变化为3.6度。在此基础上评估其幅相技术指标，得幅度锥削0.9dB，幅度波纹±0.2dB，相位波纹±1.8度。其评估方式与常规紧缩场的评估方式(如图1)保持一致，结果相似。

Claims (1)

1.一种柱面场静区幅相检测系统，其特征在于：该系统用于柱面场静区电磁场幅度和相位分布的检测与评估，典型柱面场的组成包括柱面场反射面及柱面场馈源，静区是由柱面场馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的规则电磁场分布的测试区域，柱面场静区内幅度相位分布符合柱面波特征，理想柱面场等相位面上为柱面，等相位面上场的幅度相位处处相等；该检测系统包括：直线机械扫描装置、测试探头、位置/姿态测量系统、幅度相位测试仪表、测试用稳幅稳相电缆，由幅度相位测试仪表提供柱面场馈源的信号激励，产生静区的柱面电磁波；在静区中使用直线机械扫描装置，携带测试探头在扫描导轨上直线运动；使用幅度相位测试仪表接收测试探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化；使用位置/姿态测量系统得到测试探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息，通过对幅度相位测试仪表的测量结果进行修正来评估柱面场的静区幅相特性；

不直接评估幅度相位测试仪表在测试探头沿扫描线上的测量结果，定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与测试探头在布局相同的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态的系统响应之比，通过评估修正幅相分布来确定柱面场的静区性能；

柱面场装调完后，反射面顶点位于反射面坐标系(x，y，z)的原点，柱面场馈源相位中心位于xy平面内(F，0)处，F为反射面的焦距，在反射面坐标系中调整扫描架，并使扫描架坐标系(x′，y′，z′)中z′轴与z轴平行，x′轴、y′轴分别不严格要求与x轴、y轴平行；安装测试探头或测试工装，测量计算扫描线上各采样位置所对应的测试探头相位中心在反射面坐标系中的位置(x_p，y_p，z_p)，确定测试探头的指向：设测试探头指向在反射面坐标系中与z轴夹角为θ₀，在xy平面内投影与x轴夹角为φ₀，此外，令测试探头的极化角为χ，柱面场的两种主极化方向分别对应φ向和z轴方向，为实现主极化分量测量，测试探头的极化方向应分别调至与xy平面重合或z向；

反射面坐标系xy平面中虚拟线源坐标为(-F，0)，易求各采样位置对应测试探头相位中心与虚拟线源距离

易求各采样位置对应测试探头相位中心与虚拟线源连线与x方向夹角为φ_p＝atan(y_p/(x_p+F))，测试探头在理想柱面场激励下的系统响应b_ideal可表达为：

其中，

为零阶第二类Hankel函数，k为自由空间波数，A(θ₀，φ₀，φ_p，χ)为由θ₀、φ₀、φ_p、χ所确定的测试探头归一化场方向图，a₀为复常数因子，静区场幅相分布是一种相对分布，不关心绝对量大小；

定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与测试探头在布局相同的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态的系统响应之比：

由测量值b_test和理论值b_ideal易得修正值b_corr。

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