CN110632399B - 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

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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：步骤1，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fi位置(r0,θm,
Figure DDA0002758332890000011
)的近场测量电场数据θ分量Eθ(fi,θm,
Figure DDA0002758332890000012
)、以及
Figure DDA0002758332890000013
分量
Figure DDA0002758332890000014
(fi,θm,
Figure DDA0002758332890000015
)。步骤3，确定频点fi的天线等效相位中心为Qi；步骤4，按下式所示修正球面近场测量：
Figure DDA0002758332890000016
Figure DDA0002758332890000017
β为相位修正因子：
Figure DDA0002758332890000018
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、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：
Figure GDA0002547688360000011
η1为幅度修正因子：
Figure GDA0002547688360000012
β为相位修正因子：
Figure GDA0002547688360000013
其中，
Figure GDA0002547688360000014
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；
Figure GDA0002547688360000015
为以频点fi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；rimn为频点fi的相位中心Qi到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置Pmn的距离，rimn＝|QiPmn|；ki为频点fi对应的波数；θ表示仰角，
Figure GDA0002547688360000016
表示方位角，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；i＝1、2、…、I，其中I为频点个数；
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fi位置(r0,θm,
Figure GDA0002547688360000021
)的近场测量电场数据θ分量
Figure GDA0002547688360000022
以及
Figure GDA0002547688360000023
分量
Figure GDA0002547688360000024
其中，θ表示仰角，
Figure GDA0002547688360000025
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fi的天线等效相位中心为Qi；
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：
Figure GDA0002547688360000026
其中，Qspd为球面波展开系数；
Figure GDA0002547688360000027
为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r0、θ、
Figure GDA0002547688360000028
各自对应的分离变量函数；ki′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；
Figure GDA00025476883600000216
为修正后近场电场值，即
Figure GDA0002547688360000029
步骤52，通过式(5)获得远场任意点的辐射场值：
Figure GDA00025476883600000210
Figure GDA00025476883600000211
远场电场值，
Figure GDA00025476883600000212
为远场条件下的球面矢量波函数，
Figure GDA00025476883600000213
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。
依据如下公式计算获得；
Figure GDA00025476883600000214
Figure GDA00025476883600000215
进一步地，所述步骤3中，通过经验公式获取频点fi的天线等效相位中心为Qi。
进一步地，所述步骤3中，通过后续测定获取频点fi的天线等效相位中心为Qi；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：
Figure GDA0002547688360000031
η1为幅度修正因子：
Figure GDA0002547688360000032
β为相位修正因子：
Figure GDA0002547688360000033
其中，
Figure GDA0002547688360000041
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；
Figure GDA0002547688360000042
为以频点fi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；rimn为频点fi的相位中心Qi到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置Pmn的距离，rimn＝|QiPmn|；ki为频点fi对应的波数；θ表示仰角，
Figure GDA0002547688360000043
表示方位角，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；i＝1、2、…、I，其中I为频点个数。
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fi位置(r0,θm,
Figure GDA0002547688360000044
)的近场测量电场数据θ分量
Figure GDA0002547688360000045
以及
Figure GDA0002547688360000046
分量
Figure GDA0002547688360000047
其中，θ表示仰角，
Figure GDA0002547688360000049
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；i＝1、2、…、I，其中I为频点个数。
步骤3，确定频点fi的天线等效相位中心为Qi，对一定频带内的某个频点fi而言，该频点的天线等效相位中心Qi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Qi，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；
Figure GDA0002547688360000048
其中，L0,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，L0,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；φM,H是H面视图最最大相位偏差，φM,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，rimn为该频点相位中心Qi到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置Pmn的距离，rimn＝|Qi Pmn|。
(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Qi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；
Figure GDA0002547688360000051
η1为幅度修正因子：
Figure GDA0002547688360000052
β为相位修正因子：
Figure GDA0002547688360000053
其中，在整个采样球面中共有MN个采样点，对某个采样点Pmn，
Figure GDA0002547688360000054
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；
Figure GDA0002547688360000055
为以频点fi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；rimn为频点fi的相位中心Qi到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置Pmn的距离，rimn＝|QiPmn|；ki为频点fi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：
Figure GDA0002547688360000056
其中，Qspd为球面波展开系数；
Figure GDA0002547688360000057
为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r0、θ、
Figure GDA0002547688360000058
各自对应的分离变量函数；ki′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；
Figure GDA0002547688360000059
为修正后近场电场值，即
Figure GDA00025476883600000510
步骤52，通过式(5)获得远场任意点的辐射场值：
Figure GDA00025476883600000511
Figure GDA00025476883600000512
为远场电场值，
Figure GDA00025476883600000513
为远场条件下的球面矢量波函数，
Figure GDA00025476883600000514
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：
Figure FDA0002758332880000011
η1为幅度修正因子：
Figure FDA0002758332880000012
β为相位修正因子：
Figure FDA0002758332880000013
其中，
Figure FDA0002758332880000014
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；
Figure FDA0002758332880000015
为以频点fi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；rimn为频点fi的相位中心Qi到第m个俯仰面第n个方位面的采样点位置Pmn的距离，rimn＝|QiPmn|；ki为频点fi对应的波数；θ表示仰角，
Figure FDA0002758332880000016
表示方位角，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；i＝1、2、…、I，其中I为频点个数；
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。
2.一种天线方向图测量方法，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，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fi位置
Figure FDA0002758332880000017
的近场测量电场数据θ分量
Figure FDA0002758332880000018
以及
Figure FDA0002758332880000019
分量
Figure FDA00027583328800000110
其中，θ表示仰角，
Figure FDA00027583328800000111
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fi的天线等效相位中心为Qi；
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所述的一种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：
Figure FDA0002758332880000021
其中，Qspd为球面波展开系数；
Figure FDA0002758332880000022
为球面矢量波函数，是由球坐标系的三个变量r0、θ、
Figure FDA0002758332880000023
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；
Figure FDA0002758332880000024
为修正后近场电场值，即
Figure FDA0002758332880000025
步骤52，通过式(5)获得远场任意点的辐射场值：
Figure FDA0002758332880000026
Figure FDA0002758332880000027
为远场电场值，
Figure FDA0002758332880000028
为远场条件下的球面矢量波函数，r表示远场条件下的天线辐射距离；ki为频点fi对应的波数。
4.根据权利要求2所述的一种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fi的天线等效相位中心为Qi。
5.根据权利要求2所述的一种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fi的天线等效相位中心为Qi；包括移动参考点法。
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