CN110632399A - 用于球面近场测量数据的修正方法及天线方向图测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于球面近场测量数据的修正方法以及天线方向图测量方法：设定天线中心频点f₀的相位中心Q₀与球面近场测试系统的球心O(0,0,0)重合；球面近场测量，获得不同频点f_i位置的近场测量电场数据θ分量以及分量确定频点f_i的天线等效相位中心为Q_i；按式(1)‑式(3)所示修正球面近场测量；β为相位修正因子：基于球谐波展开理论及球面近远场变换算法获得天线辐射远场任意点的辐射场值；依次重复步骤3、4和5获得宽频带上所有待测点的电场。本发明提高了在款频带内多频点天线方向图测量数据的可靠性。

Description

用于球面近场测量数据的修正方法及天线方向图测量方法

技术领域

本发明涉及微波测量技术领域，具体涉及一种多频点天线方向图球面近场测量方法。

背景技术

宽频带天线(例如：喇叭天线)的相位中心一般随着随频率的变化而变化。在近场天线辐射特性测量技术中，天线相位中心是影响天线方向图测试精度的一种重要因素。因此，针对相位中心随频率变化的宽频带天线辐射特性测量，如何通过快速测量技术实现宽频带内多频点的“一次性”测量是一个重要的研究方向，也是减小宽频带天线性能测量时间的重要手段。这样做后将会大大提升工作效率以及减小经济成本。

发明内容

针对上述技术问题，本发明为了提高在一定频带内多频点天线方向图测量数据的可靠性，需要通过对宽频带内不同频点球面近场测量数据的幅度和相位进行修正，然后通过对采样球面数据进行近远场变换算法，实现宽频带内多频的天线方向图的“一次性”测量，减小宽频带天线辐射性能测量时间，同时大大减小由于天线相位中心发生变化而带来的天线方向图误差。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于球面近场测量数据的修正方法，按如下式(1)-式(3)所示：

η为幅度修正因子：

β为相位修正因子：

其中，

为天线中心频点f₀的相位中心对准球心情况下的近场数据；

为以频点f_i的相位中心为基准条件下的数据；r₀表示球面近场测试系统的半径；r_imn为频点f_i的相位中心Q_i到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置P_mn的距离，r_imn＝|Q_iP_mn|；k_i为频点f_i对应的波数；

安装测试系统时，设定天线中心频点f₀的相位中心Q₀与球面近场测试系统的球心O(0,0,0)相重合。

基于上述用于球面近场测量数据的修正方法的天线方向图测量方法，包括如下步骤：

步骤1，安装球面近场测试系统，设定天线中心频点f₀的相位中心Q₀与球面近场测试系统的球心O(0,0,0)重合；

步骤2，球面近场测量，获得不同频点f_i位置

的近场测量电场数据θ分量

以及

分量

其中r表示采样点P_mn到球心O的距离，θ表示仰角，

表示方位角，r₀表示球面近场测试系统的半径；i＝1、2、…、I，其中I为频点个数；m＝1、2、…、M，其中M为俯仰面采样点个数；n＝1、2、…、N，其中N为方位面采样点个数；

步骤3，确定频点f_i的天线等效相位中心为Q_i；

步骤4，球面近场测量数据修正，按式(1)-式(3)所示修正；

步骤5，基于球谐波展开理论及球面近远场变换算法获得天线辐射远场任意点的辐射场值；

步骤6，依次重复步骤3、步骤4和步骤5，直到获得宽频带上所有待测点的电场。

进一步地，所述步骤5包括如下方法：

步骤51，通过球面近远场变换算法计算得到球面波展开系数，如式(4)所示：

其中，Q_spd为球面波展开系数；

为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r₀、θ、

各自对应的分离变量函数；k_i和η分别表示自由空间的传播常数和波导纳；下标s、p和d表示展开式中的各球面波模，s＝1和2分别表示TE波和TM波；

为修正后近场电场值，即

步骤52，通过式(5)获得远场任意点的辐射场值：

为远场电场值；

为远场条件下的球面矢量波函数，依据如下公式计算获得；

为远场方向图的辐射角度；r表示远场条件下的天线辐射距离。

进一步地，所述步骤3中，通过经验公式获取频点f_i的天线等效相位中心为Q_i。

进一步地，所述步骤3中，通过后续测定获取频点f_i的天线等效相位中心为Q_i；包括移动参考点法。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提出一种采用对球面近场测量数据的幅度和相位进行修正的方法、以及基于该修正方法用于天线方向图的测量方法，先通过上述改进方法对球面近场测量数据的幅度和相位进行修正，然后通过球面近场的近远场变换理论获取天线方向图，从而避免在天线相位中心发生偏移的情况下，不同频点的多次相位中心校准和近场数据测量的问题。实验结果表明，该方法大大减小由于天线相位中心发生变化而带来的天线方向图误差，能够对相位中心随频率变化的多频点天线方向图进行快速测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的测量方法的流程图；

图2为天线相位中心偏移示意图；

图3为常规工作在5GHz的波导缝隙天线示意图，共有六个缝，其缝隙长度为3.04mm、宽度为40.64mm；矩形波导尺寸长度为302.88mm、宽度为22.40mm、高度为50.80mm、厚度为5.08mm；

图4为图3所示波导缝隙天线在Z轴方向上偏离了相位中心10cm后辐射方向图对比图；设定相位中心Q偏离球心移动10cm，通过修正前(B指示的线条)与修正后(A指示的线条)的天线辐射方向图与标准数据的对比结果，可以看出，本发明所提出的方法对修正后的结果产生了很好的补偿。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供一种用于球面近场测量数据的修正方法，按如下式(1)-式(3)所示：

η为幅度修正因子：

β为相位修正因子：

其中，

为天线中心频点f₀的相位中心对准球心情况下的近场数据；

为以频点f_i的相位中心为基准条件下的数据；r₀表示球面近场测试系统的半径；r_imn为频点f_i的相位中心Q_i到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置P_mn的距离，r_imn＝|Q_iP_mn|；k_i为频点f_i对应的波数；

安装测试系统时，设定天线中心频点f₀的相位中心Q₀与球面近场测试系统的球心O(0,0,0)相重合。

实施例2

本实施例提供一种天线方向图测量方法，尤其适用于相位中心随频率变化的多频点天线方向图球面近场测量，具体步骤如下：

步骤1，安装近场测量系统：设置安装球面近场测试系统，完成相关测试校准等工作。待测天线的摆放位置基于该天线中心频点的辐射特性来确定，校准完毕后天线中心频点f₀的相位中心Q₀与球面近场测试系统的球心O(0,0,0)重合。

步骤2，球面近场测量，获得不同频点f_i位置的近场测量电场数据θ分量

以及

分量

其中r表示采样点P_mn到球心O的距离，θ表示仰角，表示方位角，r₀表示球面近场测试系统的半径；i＝1、2、…、I，其中I为频点个数；m＝1、2、…、M，其中M为俯仰面采样点个数；n＝1、2、…、N，其中N为方位面采样点个数；

步骤3，确定频点f_i的天线等效相位中心为Q_i，对一定频带内的某个频点f_i而言，该频点的天线等效相位中心Q_i可以通过如下两种方式获取：

(1)经验公式获取：比如喇叭天线在该频点的天线等效相位中心为Q_i，相较于中心频点的相位中心，该相位中心变换量(Δx,Δy,Δz)表达式为：Δx＝0，Δy＝0；

其中，L_0,H为H面视图喇叭天线口径面到矩形波导口径面之间的距离，L_0,E为E面视图喇叭天线口径面到矩形波导口径面之间的距离；φ_M,H是H面视图最最大相位偏差，φ_M,E是E面视图最大相位偏差，其中的相位偏差是指某方向上的远场相位与最大辐射方向上远场相位之差。如图2所示，r_imn为该频点相位中心Q_i到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置P_mn的距离，r_imn＝|Q_i P_mn|。

(2)后续测定获取：典型的如移动参考点法，该方法通过计算一系列不同相位中心位置上的远场相位分布，选择出一个最优的位置Q_i作为相位中心。

步骤4，球面近场测量数据修正，按式(1)-式(3)所示修正；

η为幅度修正因子：

β为相位修正因子：

其中，在整个采样球面中共有MN个采样点，对某个采样点P_mn，

为天线中心频点f₀的相位中心对准球心情况下的近场数据；为以频点f_i的相位中心为基准条件下的数据；r₀表示球面近场测试系统的半径；r_imn为频点f_i的相位中心Q_i到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置P_mn的距离，r_imn＝|Q_iP_mn|；k_i为频点f_i对应的波数。

步骤5，基于球谐波展开理论及球面近远场变换算法获得天线辐射远场任意点的辐射场值；

步骤51，通过球面近远场变换算法计算得到球面波展开系数，如式(4)所示：

其中，Q_spd为球面波展开系数；

为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r₀、θ、

各自对应的分离变量函数；k_i和η分别表示自由空间的传播常数和波导纳；下标s、p和d表示展开式中的各球面波模，s＝1和2分别表示TE波和TM波；

为修正后近场电场值，即

步骤52，通过式(5)获得远场任意点的辐射场值：

为远场电场值，

为远场条件下的球面矢量波函数，为远场方向图的辐射角度，r表示远场条件下的天线辐射距离。

步骤6，依次重复步骤3、步骤4和步骤5，直到获得宽频带上所有待测点的电场。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于球面近场测量数据的修正方法，其特征在于，按如下式(1)-式(3)所示：

η为幅度修正因子：

β为相位修正因子：

其中，

为天线中心频点f₀的相位中心对准球心情况下的近场数据；为以频点f_i的相位中心为基准条件下的数据；r₀表示球面近场测试系统的半径；r_imn为频点f_i的相位中心Q_i到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置P_mn的距离，r_imn＝|Q_iP_mn|；k_i为频点f_i对应的波数；

安装测试系统时，设定天线中心频点f₀的相位中心Q₀与球面近场测试系统的球心O(0,0,0)相重合。

2.基于权利要求1所述的用于球面近场测量数据的修正方法的天线方向图测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，安装球面近场测试系统，设定天线中心频点f₀的相位中心Q₀与球面近场测试系统的球心O(0,0,0)重合；

步骤2，球面近场测量，获得不同频点f_i位置

的近场测量电场数据θ分量 以及

分量

其中r表示采样点P_mn到球心O的距离，θ表示仰角，

表示方位角，r₀表示球面近场测试系统的半径；i＝1、2、…、I，其中I为频点个数；m＝1、2、…、M，其中M为俯仰面采样点个数；n＝1、2、…、N，其中N为方位面采样点个数；

步骤3，确定频点f_i的天线等效相位中心为Q_i；

步骤4，球面近场测量数据修正，按式(1)-式(3)所示修正；

步骤5，基于球谐波展开理论及球面近远场变换算法获得天线辐射远场任意点的辐射场值；

步骤6，依次重复步骤3、步骤4和步骤5，直到获得宽频带上所有待测点的电场。

3.根据权利要求2所述的基于用于球面近场测量数据的修正方法的天线方向图测量方法，其特征在于，所述步骤5包括如下方法：

步骤51，通过球面近远场变换算法计算得到球面波展开系数，如式(4)所示：

其中，Q_spd为球面波展开系数；

为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r₀、θ、

各自对应的分离变量函数；k_i和η分别表示自由空间的传播常数和波导纳；下标s、p和d表示展开式中的各球面波模，s＝1和2分别表示TE波和TM波；

为修正后近场电场值，即

步骤52，通过式(5)获得远场任意点的辐射场值：

为远场电场值，

为远场条件下的球面矢量波函数，

为远场方向图的辐射角度，r表示远场条件下的天线辐射距离。

4.根据权利要求2所述的基于用于球面近场测量数据的修正方法的天线方向图测量方法，其特征在于，所述步骤3中，通过经验公式获取频点f_i的天线等效相位中心为Q_i。

5.根据权利要求2所述的基于用于球面近场测量数据的修正方法的天线方向图测量方法，其特征在于，所述步骤3中，通过后续测定获取频点f_i的天线等效相位中心为Q_i；包括移动参考点法。

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