CN111273091A - 一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法，包括有耗多端口天线阵列等效辐射电路模型的建立、基于等效电路模型的有耗多端口天线辐射效率综合方程的推导、天线阵列S参数测量、特定馈电方案下天线阵列的嵌入式辐射效率测量、天线单元的自辐射效率和单元间互辐射效率的提取，以及基于封闭式方程的天线阵列辐射效率综合等步骤。本发明对输入参数的测量次数需求只与天线阵列的单元数目和阵元排布方式有关，而与馈电方案数目无关，并且可以根据天线阵元排布的对称性进一步简化测量工作量，大大节约了有耗多端口天线阵列辐射效率测量的测试成本和测量时间。

Description

一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法

技术领域

本发明涉及天线应用与测试领域，尤其涉及一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法。

背景技术

诸如多输入多输出(MIMO)和天线阵列之类的多端口天线在今后的无线通信系统中发挥着提高信道容量的重要作用。为了表征整个无线通信系统，必须评估天线性能。总辐射效率是最重要的天线参数之一，它显示了它们在导波和自由空间波之间进行能量转换(反之亦然)的有效性，也显示了有效的天线覆盖范围。

在过去的几十年中，已经提出了一系列参数来描述多端口天线系统。其中最常用的是嵌入式总辐射效率和总有效反射系数TARC。然而，基于TARC的辐射效率是来表征无损多端口天线，而且难以实现严谨的公式和快速的计算。天线阵列嵌入式总辐射效率也不适用于描述整个多端口天线的性能。因为，首先，多端口天线是基于单端口激励而其余天线单元都以端接阻抗匹配负载的基础进行评估的；其次，基于该定义对天线阵列总辐射效率的评估假设了所有其他天线单元的嵌入式效率相同。然而，实际多端口天线是有损耗的，并且通常以同时馈电的模式工作，以使其能够应用于波束成形或多用户通信。因此，对同时考虑激励失配和天线损耗的有损耗多端口天线系统的辐射和总效率进行严格的研究绝非易事，现有的方法大多成本高，操作困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法，包含以下步骤：

步骤1)，对天线阵列中的每一个阵元及其对应的端口从1到N进行编号，根据天线阵列中天线阵元个数N及阵元排布方式建立等效辐射电路模型；

步骤2)，利用多端口矢量网络分析仪或二端口矢量网络分析仪测量待测多端口天线阵列的S参数即散射参数，由S参数矩阵转换得该阵列的Z参数矩阵即阻抗矩阵；

步骤3)，测量天线阵列在下列馈电方案下的辐射效率：

步骤3.1)，对于任意一个端口，对其进行激励，并将其它端口接匹配负载，在混响室中测量天线阵列的辐射效率，共有N种馈电方案，测得N个不同馈电方案下的天线阵列的辐射效率；

步骤3.2)，对于任意两个端口，对其进行等幅同相激励，其它端口接匹配负载，在混响室中测量天线阵列的辐射效率，共有

种馈电方案，即N中选2，测得

个不同馈电方案下的天线阵列的辐射效率；

步骤4)，对于步骤3)中

种馈电方案中的每一种馈电方案：

步骤4.1)，根据下式求每一个端口的等效输入阻抗和每一个阵元的等效电路回路电流：

式中，

为端口i的等效输入阻抗，I_i为第i个阵元的等效电路回路电流，V_i为端口i激励电压，

为端口i外接传输线特性阻抗；

步骤4.2)，根据下列公式和该馈电方案下的天线阵列的辐射效率

列出方程：

当i＝j时，ζ_ij为阵元自辐射因数，当i≠j时，ζ_ij为阵元间互辐射因数，ζ_ij＝ζ_ji，i、j均为1至N的整数；

步骤5)，步骤4)中

种馈电方案列出

个方程，这些方程组成方程组，因为

所以该方程组有

个方程和

个未知数，求解该方程组，求得ζ_ij；

步骤6)，获得待测量的有耗多端口天线阵列各个端口的激励电压V_i′，根据下列公式计算出天线阵列的辐射效率

式中，

作为本发明一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法进一步的优化方案，步骤1)的详细步骤如下：

步骤1.1)，对天线阵列中的每一个阵元及其对应的端口从1到N进行编号；

步骤1.2)，确定各端口散射矩阵和输入阻抗的参考平面，参考平面一侧绘制激励源V_i、源阻抗Z_Li，另一侧绘制自阻抗和互阻抗，从参考面向负载看，存在

为端口i的等效输入阻抗，每一个阵元的等效电路都有一个回路电流I_i；

步骤1.3)，确定天线阵列中自阻抗和互阻抗的位置，当i＝j时，Z_ij为自阻抗，与其它天线阵元无关，靠近激励源；当i≠j时，Z_ij为互阻抗，与其它阵元有关，靠近其它阵元的等效电路以表示形成耦合。

作为本发明一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法进一步的优化方案，步骤2)的详细步骤如下：

步骤2.1)，接通并校准矢量网络分析仪，进行SOLT校准以消除环境误差，保证测试的准确性；

步骤2.2)，用同轴电缆连接矢量网络分析仪端口和待测天线阵端口并测量其S参数；

步骤2.3)，记录所有的S参数测量值，形成矩阵[S]，使用转换公式(8)得Z参数矩阵：

式中，[G₀]＝diag{g₁,…,g_n,…,g_N}，[Z₀]＝diag{Z₁,…,Z_n,…,Z_N}，[I]是单位矩阵,[G₀]和[Z₀]是对角矩阵，

Z_n对应端口n外接传输线特性阻抗。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明为一种基于封闭式方程算法的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方案，测量操作在微波混响室内进行，具有低成本高效的特点，能够对有耗及多端口天线阵列在任意激励模式下的辐射效率进行测量。

2、本发明所需的测试工作量只与待测天线阵列的单元数目和阵元排布方式有关，而与馈电方案数目无关，并且能够利用天线单元排布的对称性和阵列间耦合阻抗的互易性，对待求解的ζ_ij参数个数进行削减，从而进一步减少测量工作量。即使在没有削减的情况下，对于一个N单元天线阵列，所需测量的最大次数也仅为

次(如权利要求4所述)。而传统的测量方法需要对每一种激励方案进行单独测试，若有N个天线单元，X种激励幅度，Y种激励相位，则总测量次数为N^XY，极其繁琐。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是具有互耦效应的两元件MIMO天线的等效电路示意图；

图3是本发明中测试装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法，包含以下步骤：

步骤1)，对天线阵列中的每一个阵元及其对应的端口从1到N进行编号，根据天线阵列中天线阵元个数N及阵元排布方式建立等效辐射电路模型；

步骤1.1)，对天线阵列中的每一个阵元及其对应的端口从1到N进行编号；

步骤1.2)，确定各端口散射矩阵和输入阻抗的参考平面，参考平面一侧绘制激励源V_i、源阻抗Z_Li，另一侧绘制自阻抗和互阻抗，从参考面向负载看，存在

为端口i的等效输入阻抗，每一个阵元的等效电路都有一个回路电流I_i；

步骤1.3)，确定天线阵列中自阻抗和互阻抗的位置，当i＝j时，Z_ij为自阻抗，与其它天线阵元无关，靠近激励源；当i≠j时，Z_ij为互阻抗，与其它阵元有关，靠近其它阵元的等效电路以表示形成耦合；

步骤2)，利用多端口矢量网络分析仪或二端口矢量网络分析仪测量待测多端口天线阵列的S参数即散射参数，由S参数矩阵转换得该阵列的Z参数矩阵即阻抗矩阵；

步骤2.1)，接通并校准矢量网络分析仪，进行SOLT校准以消除环境误差，保证测试的准确性；

步骤2.2)，用同轴电缆连接矢量网络分析仪端口和待测天线阵端口并测量其S参数；

步骤2.3)，记录所有的S参数测量值，形成矩阵[S]，使用下列转换公式得Z参数矩阵：

式中，[G₀]＝diag{g₁,…,g_n,…,g_N}，[Z₀]＝diag{Z₁,…,Z_n,…,Z_N}，[I]是单位矩阵,[G₀]和[Z₀]是对角矩阵，

Z_n对应端口n外接传输线特性阻抗；

步骤3)，测量天线阵列在下列馈电方案下的辐射效率：

步骤3.1)，对于任意一个端口，对其进行激励，并将其它端口接匹配负载，在混响室中测量天线阵列的辐射效率，共有N种馈电方案，测得N个不同馈电方案下的天线阵列的辐射效率；

步骤3.2)，对于任意两个端口，对其进行等幅同相激励，其它端口接匹配负载，在混响室中测量天线阵列的辐射效率，共有

种馈电方案，即N中选2，测得

个不同馈电方案下的天线阵列的辐射效率；

步骤4)，对于步骤3)中

种馈电方案中的每一种馈电方案：

步骤4.1)，根据下式求每一个端口的等效输入阻抗和每一个阵元的等效电路回路电流：

式中，

为端口i的等效输入阻抗，I_i为第i个阵元的等效电路回路电流，V_i为端口i激励电压，

为端口i外接传输线特性阻抗；

步骤4.2)，根据下列公式和该馈电方案下的天线阵列的辐射效率

列出方程：

当i＝j时，ζ_ij为阵元自辐射因数，当i≠j时，ζ_ij为阵元间互辐射因数，ζ_ij＝ζ_ji，i、j均为1至N的整数；

步骤5)，步骤4)中

种馈电方案列出

个方程，这些方程组成方程组，因为

所以该方程组有

个方程和

个未知数，求解该方程组，求得ζ_ij；

步骤6)，获得待测量的有耗多端口天线阵列各个端口的激励电压V_i′，根据下列公式计算出天线阵列的辐射效率

式中，

激励电压V_i′由用户自由施加。

下面以一个有耗二单元天线阵列为例对天线阵列辐射效率封闭式方程的推导过程进行详细说明。

建立天线阵列的等效辐射电路模型，如图2所示。测得天线阵列S参数并由下列转换得到Z参数。根据基尔霍夫定理有，

得到，

由等效辐射电路模型得到天线辐射效率表达式为

式中，

ζ₁₁、ζ₂₂分别为两个天线单元的自辐射效率系数，ζ₁₂、ζ₂₁则分别为两个天线单元的互辐射效率系数。R_1,rad和R_2,rad分别是两个天线单元的总辐射电阻。

为求解所有辐射效率系数ζ_ij，测量端口1激励，端口2接匹配负载时的天线辐射效率，记为天线单元1在阵列中的嵌入式辐射效率

测量端口2激励，端口1接匹配负载时的天线辐射效率，记为天线单元2在阵列中的嵌入式辐射效率

测量两端口受等幅同相激励时的天线辐射效率，记为

根据天线单元排布的对称性和天线单元间互阻抗的互易性可知ζ₁₂＝ζ₂₁，若两天线单元特性相同，则另有ζ₁₁＝ζ₂₂，因此实际只需进行两次天线阵列辐射效率的测量。将上述测量值代入天线辐射效率表达式，提取出自辐射和互辐射效率ζ_ij：

式中，Z_L为匹配负载阻抗，为使公式简明，进行了如下缩写，

Ψ₁＝(1+|p|²)Re(Z₁₁)+Ψ₂，

Ψ₂＝Re(Z₁₂p)+|p|²Re(Z₁₂/p)，

p＝Z₁₂/(Z₁₁+Z_L)，

所以，当同时激励MIMO天线且馈电电压为

和

时，V和

分别代表激励的幅度和相位，辐射效率计算如下：

为使公式简明，进行了如下缩写，

A＝χRe(Z₁₁)-fRe(Z₁₂)+δRe(Z_L)+gIm(Z_L),

B＝(χ-f)Re(Z₁₁+Z₁₂)+δRe(Z_L)+(g-h)Im(Z_L),

C＝[fRe(Z₁₁)-χRe(Z₁₂)+hIm(Z_L)],

g＝2[Re(Z₁₁)Re(Z₁₂)+Im(Z₁₁)Im(Z₁₂)],

f＝2[Re(Z₁₁)Im(Z₁₁)-Re(Z₁₂)Im(Z₁₂)],

h＝2[Re(Z₁₁)Im(Z₁₂)-Im(Z₁₁)Re(Z₁₂)],

χ＝|Z₁₁|²+|Z₁₂|²+|Z_L|²,δ＝2[Re(Z₁₁)²-Re(Z₁₂)²]

下面对本发明中测量操作步骤进行介绍。

近年来，混响室在天线测量方面的应用越来越广泛，本发明的测量需求包括：

a)多端口天线阵列在自由空间场中的S参数；

b)阵列天线各单元在阵列中的嵌入式辐射效率；

c)阵列天线中任意且不重复的二天线单元组合受等幅同相激励时，阵列的辐射效率。

以上测量操作均在微波混响室中进行，天线辐射效率的测量方法为参考天线法，步骤如下：

步骤A.1)，如图3在混响室内的工作区设置天线，其中天线1为发射天线，天线2为参考天线(辐射效率η_REF已知)，天线3为n端口待测阵列天线。为提高混响室测量精度，各天线放置应尽量避免视距传输；

步骤A.2)，混响室测量参数设置，包括测量频率范围(f_min,f_max)、频率步长Δf、混响室搅拌器步长s、搅拌步数N等；

步骤A.3)，二端口矢量网络分析仪双全端口校准，校准平面为测试线缆末端；

步骤A.4)，矢量网络分析仪端口1与端口2分别接待测阵列天线的端口i和端口j，远程控制混响室内搅拌器转动一个周期(N步)，并同时采集N组S参数测量结果，记为

根据混响室测量原理，对

取其统计平均值等同于天线在自由空间内测得的S参数。

步骤A.5)，重复操作步骤A.4)并切换待测阵列天线激励端口，直至完整的阵列S参数矩阵采集完毕。

步骤A.6)，矢量网络分析仪端口1接通发射天线，端口2接通参考天线，待测天线各端口均接匹配负载。远程控制混响室内搅拌器转动一个周期(N步)，并同时采集N组S参数测量结果，记为{S_REF}_N；

步骤A.7)，矢量网络分析仪端口1接通发射天线，端口2连接待测阵列天线端口1，其他端口和参考天线端口均接匹配负载。远程控制混响室内搅拌器转动一个周期，并同时采集N组S参数测量结果，记为{S_AUT1}_N；

步骤A.8)，由步骤步骤A.4)、步骤A.5)中采集的S参数信息计算阵列天线端口1激励时的嵌入式辐射效率

其中，运算符<*>代表取平均值，

步骤A.9)，矢量网络分析仪端口1接通发射天线，端口2依次连接待测阵列天线端口2-端口n，其他端口和参考天线端口均接匹配负载。远程控制混响室内的搅拌器转动一个周期，并同时采集N组S参数测量结果，记为{S_AUTi}_N,(i＝1,…,n)，计算得待测阵列天线端口i激励时的嵌入式辐射效率：

步骤A.10)，矢量网络分析仪端口1接通发射天线，端口2经由一个一分二功分器连接待测阵列天线的端口i和端口j，其他端口和参考天线端口均接匹配负载。远程控制混响室内的搅拌器转动一个周期，并同时采集N组S参数测量结果，记为{S_AUTij}_N,(i＝1,…,n)，计算得待测阵列天线端口i与端口j等幅同相激励时的嵌入式辐射效率：

步骤A.11)，重复操作步骤A.10)并切换阵列天线被激励端口，直至本方案所需输入参数采集完毕。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

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，并不用于限制本发明，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 (3)

1.一种低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，对天线阵列中的每一个阵元及其对应的端口从1到N进行编号，根据天线阵列中天线阵元个数N及阵元排布方式建立等效辐射电路模型；

步骤2)，利用多端口矢量网络分析仪或二端口矢量网络分析仪测量待测多端口天线阵列的S参数即散射参数，由S参数矩阵转换得该阵列的Z参数矩阵即阻抗矩阵；

步骤3)，测量天线阵列在下列馈电方案下的辐射效率：

步骤3.1)，对于任意一个端口，对其进行激励，并将其它端口接匹配负载，在混响室中测量天线阵列的辐射效率，共有N种馈电方案，测得N个不同馈电方案下的天线阵列的辐射效率；

步骤3.2)，对于任意两个端口，对其进行等幅同相激励，其它端口接匹配负载，在混响室中测量天线阵列的辐射效率，共有

种馈电方案，即N中选2，测得

个不同馈电方案下的天线阵列的辐射效率；

步骤4)，对于步骤3)中

种馈电方案中的每一种馈电方案：

步骤4.1)，根据下式求每一个端口的等效输入阻抗和每一个阵元的等效电路回路电流：

式中，

为端口i的等效输入阻抗，I_i为第i个阵元的等效电路回路电流，V_i为端口i激励电压，

为端口i外接传输线特性阻抗；

步骤4.2)，根据下列公式和该馈电方案下的天线阵列的辐射效率

列出方程：

当i＝j时，ζ_ij为阵元自辐射因数，当i≠j时，ζ_ij为阵元间互辐射因数，ζ_ij＝ζ_ji，i、j均为1至N的整数；

步骤5)，步骤4)中

种馈电方案列出

个方程，这些方程组成方程组，因为

所以该方程组有

个方程和

个未知数，求解方程组，求得ζ_ij；

步骤6)，获得待测量的有耗多端口天线阵列各个端口的激励电压V_i′，根据下列公式计算出天线阵列的辐射效率

式中，

2.根据权利要求1所述的低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤如下：

步骤1.1)，对天线阵列中的每一个阵元及其对应的端口从1到N进行编号；

步骤1.2)，确定各端口散射矩阵和输入阻抗的参考平面，参考平面一侧绘制激励源V_i、源阻抗Z_Li，另一侧绘制自阻抗和互阻抗，从参考面向负载看，存在

为端口i的等效输入阻抗，每一个阵元的等效电路都有一个回路电流I_i；

步骤1.3)，确定天线阵列中自阻抗和互阻抗的位置，当i＝j时，Z_ij为自阻抗，与其它天线阵元无关，靠近激励源；当i≠j时，Z_ij为互阻抗，与其它阵元有关，靠近其它阵元的等效电路以表示形成耦合。

3.根据权利要求1所述的低成本高效的有耗多端口天线阵列辐射效率测量方法，其特征在于，步骤2)的详细步骤如下：

步骤2.1)，接通并校准矢量网络分析仪，进行SOLT校准以消除环境误差，保证测试的准确性；

步骤2.2)，用同轴电缆连接矢量网络分析仪端口和待测天线阵端口并测量其S参数；

步骤2.3)，记录所有的S参数测量值，形成矩阵[S]，使用下列转换公式得Z参数矩阵：

式中，[G₀]＝diag{g₁,…,g_n,…,g_N}，[Z₀]＝diag{Z₁,…,Z_n,…,Z_N}，[I]是单位矩阵,[G₀]和[Z₀]是对角矩阵，

Z_n对应端口n外接传输线特性阻抗。

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