CN111342198A - 用于天线测量的无线馈电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于天线测量的无线馈电系统，包括第一转台、第二转台、第一收发装置、第二收发装置；第一转台位于水平面上；第二转台位于垂直面上；第一收发装置设置在垂直轴上，其下方设置有第一天线；第二收发装置位于第二转台上；在第二收发装置的左侧水平方向设置待测天线；第二收发装置的右侧水平方向设置有第二天线。本发明的技术方案采用无线馈电方式不会产生机械磨损，提高了系统的使用寿命，同时通过系统内不同装置之间的位置设定很好地避免了相幅波动、电磁干扰问题。

Description

用于天线测量的无线馈电系统

技术领域

本发明涉及天线测量技术领域，特别涉及一种用于天线测量的无线馈电系统。

背景技术

天线在通信、雷达和导航等诸多无线系统中的应用非常广泛，而在实际应用中对天线的性能优劣进行测试或测量是天线设计的关键。通常，选择在微波暗室中完成天线方向图、增益、前后比、旁副瓣等指标的测量；有时，也会选择在空旷的地空环境中以某一恒星为参考基准来实现电大尺寸天线各个指标的测量。

现有技术中，天线测量时需对其馈以射频信号；以待测的天线作为发射端为例，测量时的射频馈电方式通常有三种，第一种是采用同轴线直接馈电，第二种是采用同轴旋转关节馈电，第三种是采用波导旋转关节馈电。由于同轴线和波导都是无源器件且是互易的，因此接收与发射同理。其中，同轴线直接馈电方式是将同轴线直接连接在天线端口上，该种方式简单、便捷，在中低频天线测试中有着十分广泛的应用；然而，发明人经研究发现，该方式的缺点是同轴线缆在跟随转台旋转对天线进行测量时，同轴线缆自身也在移动，因此其机械稳相特性差且使用寿命短。当前，采用同轴线直接馈电方式的天线测量系统的最高工作频率在67GHz-110GHz范围，然而由于其被套筒固定而不能弯曲，机械稳幅、稳相特性极差。在同轴线直接馈电方式的基础上，发展出了同轴旋转关节馈电方式，同轴旋转关节馈电方式相比同轴线直接馈电方式更为精巧，同轴旋转关节的一端连接在待测天线上，另一端连接在测量仪器上，随转台转动的是同轴旋转关节的中间部位；受限于加工工艺和载重的问题，同轴旋转关节馈电方式的天线测量系统的工作频率在DC-50GHz范围内；然而，发明人经研究发现，由于旋转带来的机械磨损，同轴旋转关节馈电方式的电气可靠性较差、寿命较短。波导旋转关节馈电方式与同轴旋转关节馈电方式类似，但其在需要随转台旋转的地方使用了同心旋转的圆波导，圆波导在随转台转动的同时给待测天线馈以射频信号进行发射或者接收，从而实现了机械稳相特性提高的同时又延长了使用寿命；然而，发明人经研究发现，该种波导旋转关节馈电方式的使用也有很大局限性，首先，其工作的频率既不能太高也不能太低，工作频率太低则波导器件尺寸太大，不便于安装和实际应用，而频率太高则会导致波导器件的加工难度增大，其精度与性能均无法达到预期，因此其工作频率通常在2.6GHz-40GHz范围内；其次，其也会因长期旋转带来的机械磨损而严重影响电气可靠性和使用寿命。

由此可见，现有技术中用于天线测量的射频馈电方案普遍存在相位稳定性、使用寿命较短、工作频率偏低的问题。国内外的微波组件成品例如采用同轴线缆和旋转关节的系统已经很难满足暗室中天线测量的需求。

发明内容

基于此，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种用于天线测量的无线馈电系统，包括第一转台、第二转台、第一收发装置、第二收发装置；所述用于天线测量的无线馈电系统位于微波暗室中；

其中，所述第一转台位于所述微波暗室的水平面上，且所述第一转台绕着其中心的垂直轴旋转；所述第二转台位于所述微波暗室的垂直面上，且所述第二转台绕着其中心的水平轴旋转；

所述第一收发装置设置在垂直轴上，且所述第一收发装置位于所述第一转台的正上方；所述第二收发装置位于所述第二转台上，所述第二收发装置与所述第二转台作同心旋转；

所述第一收发装置的下方设置有与第二收发装置3无线馈电的第一天线；

在所述第二收发装置的左侧水平方向设置与其相连接的待测天线，所述待测天线的中心位于所述第一转台的中心轴及所述第二转台的中心轴相交处，所述待测天线的辐射方向为水平方向；

所述第二收发装置的右侧水平方向设置有与其相连接的第二天线，且所述第二天线的轴心与所述第二转台的中心重合。

特别地，所述第一收发装置包括第一环形器、第二环形器、第一低噪声放大器、第一功率放大器、第一预选滤波器、第一带通滤波器；

所述第一天线连接至所述第一预选滤波器，所述第一预选滤波器连接至所述第一环形器的第一端口，所述第一环形器的第二端口连接至所述第一低噪声放大器，所述第一低噪声放大器连接至所述第二环形器的第一端口，所述第二环形器的第二端口连接至所述第一带通滤波器；所述第二环形器的第三端口连接至所述第一功率放大器，所述第一功率放大器连接至所述第一环形器的第三端口。

特别地，所述第二收发装置包括第三环形器、第四环形器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第二预选滤波器、第二带通滤波器、倍频器、分频器；

所述待测天线连接至所述第二预选滤波器，所述第二预选滤波器连接至所述第三环形器的第一端口，所述第三环形器的第二端口连接至所述第二低噪声放大器，所述第二低噪声放大器连接至所述分频器，所述分频器连接至所述第四环形器的第一端口，所述第四环形器的第二端口连接至所述第二带通滤波器，所述第四环形器的第三端口连接至所述第三低噪声放大器，所述第三低噪声放大器连接至所述倍频器，所述倍频器连接至第三环形器的第三端口，所述第二带通滤波器连接至所述第二天线。

特别地，所述第一天线为圆极化天线，且所述圆极化天线的辐射方向为垂直向下；所述第二天线为单极子天线，且所述单极子天线的辐射方向为垂直全向。

特别地，所述待测天线的工作频率为f2，所述第一天线和所述第二天线的工作频率为f1；所述分频器的分频比及所述倍频器的倍频比皆为N；所述待测天线的工作频率f2及所述第一天线和所述第二天线的工作频率f1之间满足f2＝N*f1，其中，N为不小于2的正整数。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

在空间中进行无线馈电，取代了旋转关节或同轴线结构，不会产生机械磨损，使用寿命远高于现有技术中的射频馈电方式；通过转台和天线的位置设置消除了相位和幅度的波动；通过设置不同天线工作频率之间的频差而避免电磁干扰问题；加入倍频器使得待测天线发射的信号带宽更宽、频率更高，而加入分频器使得待测天线接收的信号降频、降带宽，从而易于后端进行处理。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明用于天线测量的无线馈电系统的结构示意图；

图2为本发明中第一收发装置的示意图；

图3为本发明中第二收发装置的示意图；

包括：第一转台1、第一收发装置2、第二收发装置3、第一天线4、待测天线5、第二天线6，第一环形器21、第二环形器22、第一低噪声放大器23、第一功率放大器24、第一预选滤波器25、第一带通滤波器26，第三环形器31、第四环形器32、第二低噪声放大器33、第三低噪声放大器34、第二预选滤波器35、第二带通滤波器36、倍频器37、分频器38。

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作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。

如图1所示，本发明公开了一种用于天线测量的无线馈电系统，包括第一转台1、第二转台(图中未示出)、第一收发装置2、第二收发装置3；所述用于天线测量的无线馈电系统位于微波暗室中；

其中，所述第一转台1位于所述微波暗室的水平面(xoy平面，o为坐标系原点)上，并且所述第一转台1绕着垂直轴(z轴)作水平方向旋转；所述第二转台设置在所述微波暗室的垂直面(yoz平面)上，并且所述第二转台绕着水平轴(y轴)作垂直方向旋转；

所述第一收发装置2设置在垂直轴(z轴)上，且所述第一收发装置2位于所述第一转台1的正上方；所述第二收发装置3位于所述第二转台上，所述第二收发装置3与所述第二转台作同心旋转运动，即所述第二收发装置3绕着水平轴(y轴)作垂直方向旋转；

所述第一收发装置2的下方设置有与第二收发装置3无线馈电的第一天线4；

在所述第二收发装置3的左侧水平方向设置与其相连接的待测天线5，所述待测天线5的中心位于所述第一转台1的中心轴及所述第二转台的中心轴相交处，所述待测天线5的辐射方向为水平方向；

所述第二收发装置3的右侧水平方向设置有与其相连接的第二天线6，且所述第二天线6的轴心与所述第二转台的中心重合，第二天线6与第一天线4之间进行无线馈电。

如图2所示，所述第一收发装置2包括第一环形器21、第二环形器22、第一低噪声放大器23、第一功率放大器24、第一预选滤波器25和第一带通滤波器26；所述第一收发装置2的工作频率为f1，其既可以工作于发射状态也可以工作于接收状态，即所述第一收发装置2为双向收发端；

所述第一天线4连接至所述第一预选滤波器25，所述第一预选滤波器25连接至所述第一环形器21的第一端口，所述第一环形器21的第二端口连接至所述第一低噪声放大器23，所述第一低噪声放大器23连接至所述第二环形器22的第一端口，所述第二环形器22的第二端口连接至所述第一带通滤波器26；所述第二环形器22的第三端口连接至所述第一功率放大器24，所述第一功率放大器24连接至所述第一环形器21的第三端口；

所述第一带通滤波器26的输出可以连接至矢量网络分析仪。

如图3所示，所述第二收发装置3的左侧设置所述待测天线5，所述第二收发装置3的右侧设置所述第二天线6；所述第二收发装置3包括第三环形器31、第四环形器32、第二低噪声放大器33、第三低噪声放大器34、第二预选滤波器35、第二带通滤波器36、倍频器37、分频器38；

所述待测天线5连接至所述第二预选滤波器35，所述第二预选滤波器35连接至所述第三环形器31的第一端口，所述第三环形器31的第二端口连接至所述第二低噪声放大器33，所述第二低噪声放大器33连接至所述分频器38，所述分频器连接至所述第四环形器32的第一端口，所述第四环形器32的第二端口连接至所述第二带通滤波器36，所述第四环形器32的第三端口连接至所述第三低噪声放大器34，所述第三低噪声放大器34连接至所述倍频器37，所述倍频器37连接至第三环形器31的第三端口，所述第二带通滤波器36连接至所述第二天线6；

由此可见，所述第二收发装置3在实现双向收发功能的同时还能进行倍频、分频处理。

其中，所述第一收发装置2下方设置的所述第一天线4为圆极化天线，且所述圆极化天线的辐射方向为垂直向下；在所述第二收发装置3的右侧水平方向设置的所述第二天线6为单极子天线，且所述单极子天线的辐射方向为垂直全向。

其中，所述待测天线5的工作频率为f2，所述第一天线4和所述第二天线6的工作频率为f1；所述分频器38的分频比及所述倍频器37的倍频比为N，所述待测天线5的工作频率f2及所述第一天线4和所述第二天线6的工作频率f1之间满足f2＝N*f1，其中N为不小于2的正整数。

所述第一收发装置2既可以实现信号发射也可以实现信号接收功能；所述第二收发装置3不仅可以实现双向收发功能，还可以通过所述倍频器37和所述分频器38分别实现倍频及分频处理；其中，所述倍频器37可使得待测天线5发射的信号带宽更宽、频率更高；而所述分频器38使得待测天线5接收的信号降频、降带宽，从而易于后端进行处理。

在一种实施例中，所述用于天线测量的无线馈电系统的中心工作频率为77GHz，带宽为10GHz；所述第一转台1水平安装在微波暗室内，其在水平面(xoy平面)内绕着垂直轴(z轴)旋转；所述第二转台安装在所述第一转台1上，其在垂直面(yoz平面)内绕着水平轴(y轴)旋转，共同构成二维旋转转台；

所述第一收发装置2安装在所述第一转台1的中心轴(z轴)正上方；所述第一收发装置2下方设置的与其相连接的第一天线4为圆极化天线，其辐射方向为垂直朝下，与所述第二转台之间的距离为3米，其工作状态为发射状态；

所述待测天线5位于水平面和垂直面的两转台的中心轴相交处，并连接至所述第二收发装置3，所述待测天线5的辐射方向为水平。所述第二收发装置3的右侧连接至第二天线6，第二天线6为单极子天线，所述单极子天线的天线长度为5.8mm，其辐射方向为垂直全向，当所述单极子天线处于接收状态，其接收第一天线4发射的信号，其接收12GHz-14GHz频率范围内的信号f1，所述单极子天线接收到的信号经过所述第二带通滤波器36、所述第三低噪声放大器34、所述倍频器37及所述第二预选滤波器35后变换为频率为f2的信号，其中倍频器37的倍频比为N＝6，变换输出的信号频率范围为72GHz-84GHz；所述待测天线5通过波导器件连接至所述第二预选滤波器35并将频率为f2的信号发射出去，且所述待测天线5处于发射状态，对所述待测天线5进行测量；其中，根据毫米波不同的工作频率范围选择不同型号的波导器件，例如可以选择型号为WR10或者WR12的波导器件。在对所待测天线5进行测量前，利用矢量网络分析仪对第一收发装置2和第二收发装置3的幅相特性进行校准。

其中，所述圆极化天线的中心工作频率为13GHz，其极化方式是右旋圆极化，增益为10dBi，也可以选择采用左旋圆极化的极化方式；所述单极子天线的中心工作频率为13GHz，增益为3dBi；

所述第一收发装置2的发射功率设置为10dBm的单载波；为确保待测天线5的发射频率为78GHz，所述第二收发装置3的倍频比N＝6，接收噪声系数为8dB，通道总增益为40dB；

根据弗里斯传输公式可以得到无线馈电系统的链路预算：

空间路径损耗为64.27dB，所述第二收发装置3接收到的信号功率为-41.27dBm，信噪比为54.58dB。第二收发装置3的上变频通道的总增益为40dB，因此输出至待测天线5的功率为-1.27dBm，其功率大小可以满足暗室内天线的测试需求。

在用于天线测量的无线馈电系统中，信噪比是关键指标，信噪比过低会导致天线测量的指标失真，尤其是相位信息。因此，为了维持高信噪比，本发明技术方案在实施时，充分量化计算了信号源本身的信噪比、距离远近、功率大小、噪声系数和天线增益这些综合指标对待测天线5处信号信噪比的影响，确保无线馈电系统的链路所带来的信噪比下降在一定范围之内。当作为信号源的所述圆极化天线及所述单极子天线的工作频率为13GHz时，其信噪比维持在44dB及以上，所述圆极化天线的全向辐射功率不小于20dBm，所述圆极化天线和所述单极子天线之间的距离不大于3米，所述第二收发装置3的总增益不小于40dB，并且所述第二收发装置3工作在线性工作区。

在另一种实施例中，所述待测天线5作为待测元件处于接收状态，所述待测天线5同样位于两转台的中心轴相交处；所述待测天线5接收频率为f2的毫米波信号后经过第二预选滤波器35、第三环形器31、第二低噪声放大器33、分频器38、第四环形器32和第二带通滤波器36后变换成频率为f1的信号到达所述单极子天线，其中信号频率f2的频率范围为72GHz-84GHz。该频率为f1的信号被所述单极子天线辐射出去后被上方的所述圆极化天线接收，并依次经过第一收发装置2中的第一预选滤波器25、第一环形器21、第一低噪声放大器23、第二环形器22和第一带通滤波器26后，由微波暗室内的下变频接收机接收并进行解调处理。由于收发可以互易，且该无线馈电系统内不同装置的相对距离固定，空间损耗链路预算是不变的。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

首先，圆极化天线和单极子天线之间无线信号收发的馈电处理方式取代了旋转关节或同轴线结构，在空间中进行无线馈电，不会产生机械磨损，使用寿命远高于现有技术中的其他馈电方式；第二，第一天线即圆极化天线处于垂直轴的正上方，第二天线即单极子天线的辐射方向为垂直全向，第二天线的旋转中心为垂直旋转的第二转台的中心，因此无论第一转台和第二转台如何旋转，二者始终处于等距离、等相位面上，有效消除和避免了其相位和幅度的波动；第三，待测天线的工作频率为f2，而第一天线和第二天线工作频率为f1，f1和f2这两个工作频率的频差为N倍，测量时互不干扰，可以避免电磁干扰问题；第四，加入倍频器可使得待测天线发射的信号带宽更宽、频率更高，而加入分频器使得待测天线接收的信号降频、降带宽，从而易于后端进行处理。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种用于天线测量的无线馈电系统，其特征在于，包括第一转台、第二转台、第一收发装置、第二收发装置；所述用于天线测量的无线馈电系统位于微波暗室中；

其中，所述第一转台位于所述微波暗室的水平面上，且所述第一转台绕着其中心的垂直轴旋转；所述第二转台位于所述微波暗室的垂直面上，且所述第二转台绕着其中心的水平轴旋转；

所述第一收发装置设置在垂直轴上，且所述第一收发装置位于所述第一转台的正上方；所述第二收发装置位于所述第二转台上，所述第二收发装置与所述第二转台作同心旋转；

所述第一收发装置的下方设置有与第二收发装置3无线馈电的第一天线；

在所述第二收发装置的左侧水平方向设置与其相连接的待测天线，所述待测天线的中心位于所述第一转台的中心轴及所述第二转台的中心轴相交处，所述待测天线的辐射方向为水平方向；

所述第二收发装置的右侧水平方向设置有与其相连接的第二天线，且所述第二天线的轴心与所述第二转台的中心重合。

2.根据权利要求1所述的用于天线测量的无线馈电系统，其特征在于，

所述第一收发装置包括第一环形器、第二环形器、第一低噪声放大器、第一功率放大器、第一预选滤波器、第一带通滤波器；

所述第一天线连接至所述第一预选滤波器，所述第一预选滤波器连接至所述第一环形器的第一端口，所述第一环形器的第二端口连接至所述第一低噪声放大器，所述第一低噪声放大器连接至所述第二环形器的第一端口，所述第二环形器的第二端口连接至所述第一带通滤波器；所述第二环形器的第三端口连接至所述第一功率放大器，所述第一功率放大器连接至所述第一环形器的第三端口。

3.根据权利要求1所述的用于天线测量的无线馈电系统，其特征在于，

所述第二收发装置包括第三环形器、第四环形器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第二预选滤波器、第二带通滤波器、倍频器、分频器；

所述待测天线连接至所述第二预选滤波器，所述第二预选滤波器连接至所述第三环形器的第一端口，所述第三环形器的第二端口连接至所述第二低噪声放大器，所述第二低噪声放大器连接至所述分频器，所述分频器连接至所述第四环形器的第一端口，所述第四环形器的第二端口连接至所述第二带通滤波器，所述第四环形器的第三端口连接至所述第三低噪声放大器，所述第三低噪声放大器连接至所述倍频器，所述倍频器连接至第三环形器的第三端口，所述第二带通滤波器连接至所述第二天线。

4.根据权利要求3所述的用于天线测量的无线馈电系统，其特征在于，

所述第一天线为圆极化天线，且所述圆极化天线的辐射方向为垂直向下；所述第二天线为单极子天线，且所述单极子天线的辐射方向为垂直全向。

5.根据权利要求4所述的用于天线测量的无线馈电系统，其特征在于，

所述待测天线的工作频率为f2，所述第一天线和所述第二天线的工作频率为f1；所述分频器的分频比及所述倍频器的倍频比皆为N；所述待测天线的工作频率f2及所述第一天线和所述第二天线的工作频率f1之间满足f2＝N*f1，其中，N为不小于2的正整数。

Images