CN111610381A - 一种天线增益测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线增益测量方法，通过三个待测天线两两配对布置于微波暗室内，然后使用矢量网络分析仪测量对应的S21值，最后通过得到的S21值以及空间损耗值，计算得到各个天线的增益。

Description

一种天线增益测量方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种天线增益测量方法。

背景技术

喇叭天线在微波测试领域应用非常广泛，甚至经常被当作标准增益天线，用来测量天线指标。被测天线的增益指标的准确度是由标准增益喇叭天线的标准增益值的准确度决定的，目前国内大多使用标准增益喇叭天线的理论计算的增益值作为其标准增益值。但是，使用喇叭天线进行相关射频信号测试时，有很多时候需要用到喇叭天线在使用的特定频率下的准确增益值，而不能使用理论增益值，这时就需要对所使用的喇叭天线的增益值进行标定测量。然而，目前国内各测量机构均难以保证标准增益天线的准确定标，而如果从国外进口带有计量机构定标数据的标准增益天线，其单个频率点定标数据的价格甚至高于被测天线本身的价格，代价高昂。

针对这一问题，有研究给出了一些不使用标准增益喇叭天线的天线增益测量方法，如周严东等人发表的《基于矢量网络分析仪的喇叭天线增益测量》中，公开了一种喇叭天线增益测量方法，其没有用到标准增益喇叭天线，但是它在测量喇叭天线增益时有一种理想假设——两个喇叭天线增益完全相同，但是在实际应用中，是不可能有增益指标完全相同的两个天线的。

因此，需要一种新的天线增益测量方法，在没有带有计量机构定标数据的标准增益天线的情况下，仍可进行未知增益天线的增益指标的测量。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种天线增益测量方法，其通过三个待测天线两两配对，实现天线增益测量，包括：

依次选取两个天线进行如下操作：

将天线按照预设的水平距离布置于微波暗室内；

将天线连接至矢量网络分析仪；以及

使用矢量网络分析仪测量对应的S21曲线；以及

根据前述步骤得到的三个S21曲线以及空间损耗结果，计算得到各个天线的增益。

进一步地，所述矢量网络分析仪通过高频电缆与天线连接。

进一步地，所述天线通过三脚架布置于微波暗室内。

进一步地，位于微波暗室内的两个天线布置在同一高度上，并保持预设的水平距离。

进一步地，所述方法还包括，在与天线连接前，对矢量网络分析仪及高频电缆校零。

本发明提供的一种天线增益测量方法，通过在微波暗室内，利用矢量网络分析仪和三个增益未知的天线进行组合测试，并通过计算机作为辅助工具，实现了天线增益测量，其无需使用标准增益喇叭天线，解决了在缺少带有计量机构定标数据的标准增益天线时，天线增益的测量问题。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出不同频率微波信号随距离变化的空间损耗曲面；

图2示出本发明一个实施例的一种天线增益测量方法的连接示意图；

图3示出本发明一个实施例的一种天线增益测量方法的流程示意图；

图4示出本发明一个实施例的矢量网络分析仪校零连接示意图；

图5示出距离6～8米时微波信号自由空间损耗随频率变化示意图；以及

图6示出采用本发明实施例中的方法测量得到的喇叭天线增益与天线手册上的增益对比示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为了在缺少带有计量机构定标数据的标准增益天线时，也可进行天线增益的测量，本发明提供一种天线增益测量方法，其通过三个待测天线两两配对，实现天线增益测量，下面结合实施例附图对本发明的方案做进一步描述。

图3示出本发明一个实施例的一种天线增益测量方法的流程示意图。如图3所示，一种天线增益测量方法，包括：

依次选取三个未知增益天线中的两个天线进行数据测量，每次测量包括：

步骤311，测量场景布置，如图2所示，将天线211、212按照预设的水平距离布置于微波暗室204内，然后将天线连接至矢量网络分析仪202；在本发明的一个实施例中，所述矢量网络分析仪202通过高频电缆203与所述天线211及天线212连接；在本发明的又一个实施例中，所述天线通过三脚架205布置于微波暗室内，同时，两个天线布置在同一高度上。对于大多数天线用户来说，通常所需要的是天线的远场辐射特性，如无特殊说明，天线增益一般是指天线远场辐射增益。对于天线的远场增益测试理论上需要无限远的测试距离，这在现实生活中是不现实的。为了天线增益的准确测量和可操作性，工程实现过程通常会选择适当的测试距离，被普遍认可并且得到实际应用的远场最小测试距离为：

R_min＝2D²/λ,

其中，R代表两天线口面距离，单位为米；D为待测天线的最大尺寸，等于待测天线最大尺寸和辅助天线最大尺寸之和，单位为米；λ为天线的工作波长，通常选取天线工作波长最短频率最大的波长作为该值，单位为米。同时，如图1所示，由于微波信号的空间损耗值会随着空间距离的增加而变大，随信号频率的增大而变大，因此，在本发明的一个实施例中，所述预设的水平距离时，是综合考量最小测试距离以及空间损耗值而确定的。所述空间损耗值L_f的计算过程如下，首先根据如下微波信号功率传输公式：

P_r＝(λ/(4πD))²P_TG_tG_r,

其中：P_r为接收天线的最大接收功率；

P_t为发射天线的输入功率；

G_t为发射天线的增益；

G_r为接收天线的增益；

D为收发天线口面间的距离；以及

λ为信号波长。

对上式两边均取10倍的以10为底的对数，可以得到：

10logP_r＝20log(λ/(4πD))+10logP_t+G_t′+G_r′

进而得到：

10logP_r-10logP_t＝20log(λ/(4πD))+G_t′+G_r′

＝20log(c/(4πfD))+G_t′+G_r′

＝20log(c/(4π))-20logf-20logD+G_t′+G_r′

＝147.558-20logf-20logD+G_t′+G_r′,

其中，f为测试信号频率，单位为Hz；D为收发天线口面间的距离，单位为米；G_t′为发射天线增益，单位为dB；G_r′为接收天线增益，单位为dB，则可将147.558-20logf-20logD记做空间损耗值L_f；

步骤312，数据测量，使用矢量网络分析仪测量微波暗室内的两个天线对应的S21曲线；在本发明的一个实施例中，在与天线连接前，首先对矢量网络分析仪及高频电缆校零，具体方法如图4所示，首先设置矢量网络分析仪202测试频率范围，然后将两个待测天线接口处的高频电缆203直接用微波转接头401连接在一起，通过矢量网络分析仪标校Cal功能将矢量网络分析仪自身和所用高频电缆带来的损耗校零；以及

步骤302，计算增益。根据前述步骤得到的三个S21曲线以及空间损耗结果，计算得到各个天线的增益。根据微波信号功率传输公式，可以得到：

S21₁＝L_f+G₁+G₂,

S21₂＝L_f+G₁+G₃,

S21₃＝L_f+G₂+G₃,

其中，S21₁、S21₂、S21₃分别是三次测量得到的S21值，G₁、G₂、G₃分别是三个天线的增益，联立上述三个方程，即可得到三个天线的增益值：

G₁＝(S21₁+S21₂-S21₃-L_f)/2,

G₂＝(S21₁+S21₃-S21₂-L_f)/2,

G₃＝(S21₃+S21₂-S21₁-L_f)/2。

为了更好地描述本发明实施例中方案，以喇叭天线为例，采用所述方案进行了天线增益的测量：

测量中使用的喇叭天线为双脊椎喇叭天线，所选取的三个喇叭天线尺寸均相同，最大尺寸为d＝0.2712米，其中，有一个喇叭天线具有天线使用手册上给出的天线增益曲线，可用于与最终测量结果进行比对，已验证所述测量方案的有效性，该天线记为天线A，另两个天线的增益未知，记为天线B及天线C。所述天线的工作频率为1～12GHz，由于在使用过程中，S波段使用较为频繁，因此，选取测量天线在1～3GHz范围的增益特性，选取频率为3GHz时的波长作为工作波长，则可以计算得到最小测试距离如下：

R_min＝2D²/λ＝2×(d+d)²/(c/f)＝2×0.5423²×3×10⁹/3×10⁸＝5.889m；

综合考虑实验的准确性、减小系统误差以及微波暗室的物理尺寸等因素，本次测量分别测量两喇叭天线口面水平距离D＝6米和7米两种情况，得到的测量结果分别与待测喇叭天线出厂手册上的增益值进行对比，从而验证本方法的有效性；喇叭天线用三脚架固定，高度为H＝1.5米；根据微波信号功率传输公式，可以计算得到天线口面间距离6/7/8米时随频率变化的空间损耗值，其曲线如图5所示；此外，矢量网络分析仪采用型号为keysight N9918A手持式矢网。

测量开始前，首先将测试过程中用到的高频电缆和矢量网络分析仪校零，根据此前选定的待测量增益特性的频率范围1～3GHz，设置矢量网络分析仪测试频率范围为1～3GHz，并对高频电缆和矢量网络分析仪校零；

接下来，按照图2的连接方式，将天线A和天线C与矢量网络分析仪通过高频电缆连接，所述天线用三脚架固定，高度为H＝1.5，天线A与天线C之间的水平距离为6米，用矢量网络分析仪测量对应的S21曲线S21_AC，然后，天线C的位置固定不动，将天线A替换为天线B，用矢量网络分析仪测量对应的S21曲线S21_BC，两组测量结果S21_AC、S21_BC分别保存到CSV文件，方便后期处理得到天线增益，部分结果见表1：

表1

则有，

S21_AC＝L_f-6+G_C+G_A,

S21_BC＝L_f-6+G_C+G_B,

其中，S21_AC、S21_BC分别是暗室内天线A和天线C、天线B和天线C两个场景距离6米时测试的S21值，L_f-6为两天线间的口面距离为6米时的对应频率下的空间损耗值，G_A为待测喇叭天线A的增益，G_B为待测喇叭天线B的增益，G_C为待测喇叭天线C的增益，有：

S21_AC-S21_BC＝G_A-G_B；

然后，将天线C位置用天线A代替，天线B位置固定不变，用矢量网络分析仪测量对应的S21曲线，测试结果S21_AB保存到CSV文件，得到天线A和天线B的相对天线增益：

S21_AB＝L_f-6+G_B+G_A；

则，由此可以计算得到口面距离为6米时，天线A和天线B的绝对增益G_A和G_B如下：

G_A＝(S21_AB+S21_AC-S21_BC-L_f-6)/2,

G_B＝(S21_AB-S21_AC+S21_BC-L_f-6)/2,

将两个天线的水平距离调整为7米，再次重复上述步骤，可到口面距离为7米时的天线A和天线B的绝对增益G_A和G_B，根据天线A的手册上的增益曲线，结合本次实际测试两种不同距离下的测试结果，最终得出待测喇叭天线A实测增益与该天线手册上的增益数据值进行对比，如图6所示，可以看出增益偏差在合理范围内，表明在没有标准增益天线时运用该方法测量未知增益喇叭天线增益的方法合理可行。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (7)

1.一种天线增益测量方法，其特征在于，包括步骤：

将三个待测天线两两配对以获得第一、第二和第三组待测天线，所述第一、第二和第三组待测天线分别包括三个待测天线的不同的两两组合；

对第一、第二和第三组待测天线分别进行如下操作：

将天线按照预设的水平距离布置于微波暗室内；

将天线连接至矢量网络分析仪；以及

使用矢量网络分析仪测量对应的S21值；以及

根据前述步骤得到的三个S21值以及空间损耗值，计算得到各个天线的增益。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪通过高频电缆与天线连接。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线通过三脚架布置于微波暗室内。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的水平距离根据最小测试距离以及空间损耗值确定。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述最小测试距离为：

R_min＝2D²/λ,

其中，R代表两天线口面距离，单位为米；D为待测天线的最大尺寸，等于两个天线的最大尺寸之和，单位为米；λ为天线的工作波长，单位为米。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述空间损耗值为：

L_f＝147.558-20logf–20logD，

其中，f为测试信号频率，单位为Hz；D为两个天线间的距离，单位为米。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在与天线连接前，对矢量网络分析仪及高频电缆校零。

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