CN112710903A - 一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法 - Google Patents

一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法 Download PDF

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袁国强
陈宇钦
张佳莺
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Abstract

本发明公开了一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，包括如下步骤：1)数据采集模块采集从多探头球面场天线测试系统测试得到的近场幅度和相位数据；2)近场到远场变换计算模块将数据采集模块采集的近场数据转换为远场数据，进而得到远场3D相位方向图，将该远场3D相位方向图数据作为输入测试数据；3)对3D相位数据进行权重取样；4)利用所述输入测试数据建立基于多探头球面场天线测试系统的平均相位中心PCO、天线相位中心离散度PCV的数学模型；5)得到平均相位中心PCO和天线相位中心离散度PCV的数值，以及相位中心离散度以及相位中心稳定度；6)测试完成；可快速一次扫描近场数据，近场转远场得到天线的远场相位方向图，比远场简单准确，获得的相位数据信息更全。

Description

一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法
技术领域
本发明涉及天线测试系统，尤其涉及一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法。
背景技术
天线的相位中心有多种用途，它可以用来确定馈源天线或者近场探头的中心位置，这对于确定紧缩场系统馈源位置有着非常重要的作用，因为对于紧缩场系统，馈源的定位是否精确直接关系到整个紧缩场系统的静区指标。相位中心还可以用来确定宽带馈源天线或者近场探的相位中心偏移随频率的变化量；目前具备导航定位功能的卫星导航系统，主要包括了GPS(Global positioning system，全球定位系统)，GNSS(Global NavigationSatellite systems全球导航卫星系统，及中国的北斗导航卫星)，GALLEO(欧洲的伽利略系统)，定位与测量是卫星导航系统的主要功能，应用于这些高精度的卫星导航系统终端接收机的高精度天线，均需要非常稳定的相位中心。标校准相位中心对这种高精度GNSS接收机天线至关重要。
传统现有技术中，对PCO和PCV的测试传统使用直接远场方法，微波暗室内的远场条件和静区质量与测试距离，吸波材料指标和布局等诸多因素相关。受测试方法和条件限制不可能像微波近场测量方法这样获得任意多的测试信息数据；有限的测试距离，重复冗长的测试过程，带来诸多测试误差项，使得精度很难进一步提高。另外传统方法中，由于使用整个3D球面的相位数据计算天线相位中心，在低信号区域和天线的副瓣区域，相位的测试精度的下降会影响天线相位中心的测试精度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种快速有效的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，本发明提供了一种带权重选择功能的测试相位中心偏移量(Phase CenterOffset,下文简称PCO)和天线相位中心离散度(Phase Center Variation,下文简称PCV)的测试原理，方法，数据后处理，可用于对相位中心的精确测量。
和传统方法相比较，本发明创新的引入了权重新选择的方法，既可以使用整个球面做数据拟合，也可以使用权重去取样3D球的不同角域，实现对所关注角度域的拟合。这给用户提供了更多的对拟合角域的控制选择，可以避免掉可能会影响拟合精度的区域，例如天线的副瓣区域以及低信号区域。本算法尤其适合对象为中心有较高精度要求的应用场合。
本发明实现的技术方案如下所述：一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，包括如下步骤：
1)数据采集模块采集从多探头球面场天线测试系统测试得到的近场数据；
2)近场到远场变换计算模块将数据采集模块采集的近场数据转换为远场数据，进而得到远场3D相位方向图，将该远场3D相位方向图数据作为输入测试数据；
3)对3D相位数据进行权重取样；
4)利用所述输入测试数据建立基于多探头球面场天线测试系统的相位中心偏移量PCO、天线相位中心离散度PCV的数学模型；
5)得到相位中心偏移量PCO和天线相位中心离散度PCV的数值；
6)测试完成。
进一步地，数据采集模块采集从多探头球面场天线测试系统测试得到的近场数据，包括幅度和相位数据。
进一步地，步骤2)还包括步骤21)校正相位角处理相位奇异点以产生更平滑的相位方向图。
进一步地，步骤21)中的校正相位角处理相位奇异点包括处理个别奇异点和阶跃点，在规定角域内成连续相位分布，当相位矩阵中的连续元素之间的绝对跃变大于或等于π弧度的默认跃变容差时，算法自动更正相位角以生成更平滑的相位图,通过在相位矩阵中增加±2π的倍数来更正弧度相位角得以实现。
进一步地，步骤3)可以选择不同的方式对3D相位数据进行权重取样，其中包括：
a)：使用整个3D球面的相位数据，做数据拟合进行权重取样；
b)：辐度阈值权重法，可以选择相对与功率最大值下降x dB的区域，取样3D球的相位数据；
c)：角度阈值权重法，可以选择取样3D球的不同角域，按x度固角取样3D球的相位数据。
权重选择法：由于不同的测试数据的可靠性不同，我们需要对初步的测试数据进行选择，以分配不同的权重，选择更精准的测试数据来进行相位数据拟合，我们有3种不同的权重选择方法：一、平均加权法，对整个3D球面的相位数据分配同样的权重，该方法使用所有的测试数据，不论数据精准度如何，都可以将单个数据的对结果的影响削弱，以达到提高精准度的目的。二、幅度阈值权重法，我们在测量3D球面相位分布数据的时候会同样得到同一个球面上的对应点的3D球面幅度分布图。一个点上的幅度越高意味着增益越高，同时也代表该点上的相位数据越精准，相反，幅度值越低，增益越低，测试误差也就越大，因此，根据幅度阈值权重法，对不同类型的天线设置相应阈值，在数据拟合的时候,对于对应幅度值低于阈值的相位数据权重分配为0，取样时计算对应幅度值高于阈值的相位数据，将所有可用点平均分配权重。三、角度阈值权重法，根据天线的类型设置相应角度阈值，数据拟合的时候,对于角域外的相位数据权重分配为0，取样时计算角域内的相位数据，将所有可用点平均分配权重，得到最终的拟合结果。
进一步地，幅度阈值权重法和角度阈值权重法的阈值可以根据测量要求的不同进行调整。
进一步地，步骤4)建立相位中心偏移量PCO、天线相位中心离散度PCV的数学模型后还包括步骤41)进一步地优化进行求解天线相位中心离散度PCV的最小值。
进一步地，步骤5)得到相位中心偏移量PCO、天线相位中心离散度PCV的数值的同时也得到各截面的相位稳定度图。
进一步地，步骤5)还包括步骤51)将得到的数据和图形进行输出并导出需求的报告。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，使用的权重近场测试方法可以避免这些限制；基于近场多探头法，可快速一次扫描近场数据，近场转远场得到天线的远场相位方向图，比远场简单准确，获得的相位数据信息更全；并且本算法创新的引入了权重新选择的方法，既可以使用整个球面做数据拟合，也可以使用权重去取样3D球的不同立体角域，实现对所关注立体角度域的拟合；也可以是不同区域，选择相对于功率最大值下降x dB的区域，取样3D球的相位数据；这给用户提供了更多的对拟合角域的控制以及选择，可以避免掉可能会影响拟合精度的区域，例如天线的副瓣区域以及低信号区域；本算法尤其适合对象为中心有较高精度要求的应用场合。
附图说明
图1本发明基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法的流程图。
图2本发明基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法的测试系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实现的技术方案如下所述：一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，包括如下步骤：
1)数据采集模块采集从多探头球面场天线测试系统测试得到的近场数据，包括幅度和相位数据。
2)近场到远场变换计算模块将数据采集模块采集的近场数据转换为远场数据，进而得到远场3D相位方向图，将该远场3D相位方向图数据作为输入测试数据；
21)校正相位角处理相位奇异点以产生更平滑的相位方向图，
另外步骤21)中的校正相位角处理相位奇异点包括处理个别奇异点和阶跃点，在在规定角域内成连续相位分布，当相位矩阵中的连续元素之间的绝对跃变大于或等于π弧度的默认跃变容差时，算法自动更正相位角以生成更平滑的相位图,通过在相位矩阵中增加±2π的倍数来更正弧度相位角得以实现。
3)可以选择不同的方式对3D相位数据进行权重取样，其中包括：
a)：使用整个3D球面的相位数据，做数据拟合进行权重取样；
b)：辐度阈值权重法，可以选择相对与功率最大值下降x dB的区域，取样3D球的相位数据；
c)：角度阈值权重法，可以选择取样3D球的不同角域，按x度固角取样3D球的相位数据。
权重选择法：由于不同的测试数据的可靠性不同，我们需要对初步的测试数据进行选择，以分配不同的权重，选择更精准的测试数据来进行相位数据拟合，我们有3种不同的权重选择方法：一、平均加权法，对整个3D球面的相位数据分配同样的权重，该方法使用所有的测试数据，不论数据精准度如何，都可以将单个数据的对结果的影响削弱，以达到提高精准度的目的。二、幅度阈值权重法，我们在测量3D球面相位分布数据的时候会同样得到同一个球面上的对应点的3D球面幅度分布图。一个点上的幅度越高意味着增益越高，同时也代表该点上的相位数据越精准，相反，幅度值越低，增益越低，测试误差也就越大，因此，根据幅度阈值权重法，对不同类型的天线设置相应阈值，在数据拟合的时候,对于对应幅度值低于阈值的相位数据权重分配为0，取样时计算对应幅度值高于阈值的相位数据，将所有可用点平均分配权重。三、角度阈值权重法，根据天线的类型设置相应角度阈值，数据拟合的时候,对于角域外的相位数据权重分配为0，取样时计算角域内的相位数据，将所有可用点平均分配权重，得到最终的拟合结果。
4)利用所述输入测试数据建立基于多探头球面场天线测试系统的相位中心偏移量PCO、天线相位中心离散度PCV的数学模型；
41)进一步地优化进行求解天线相位中心离散度PCV的最小值。
5)得到相位中心偏移量PCO和天线相位中心离散度PCV的数值；
51)将得到的数据和图形进行输出并导出需求的报告。
6)测试完成。
其中，PCO为相位中心偏移量，PCV为天线相位中心离散度；所谓奇异点是指相位数据远离分布整体的相位方向图；阶跃点是指一个相位数据连续远离分布整体的相位方向图。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，使用的权重近场测试方法可以避免这些限制；基于近场多探头法，可快速一次扫描近场数据，近场转远场得到天线的远场相位方向图，比远场简单准确，获得的相位数据信息更全；并且本算法创新的引入了权重新选择的方法，既可以使用整个球面做数据拟合，也可以使用权重去取样3D球的不同角域，实现对所关注角度域的拟合；也可以是不同区域，选择相对与功率最大值下降x dB的区域，取样3D球的相位数据；这给用户提供了更多的对拟合角域的控制以及选择，可以避免掉可能会影响拟合精度的区域，例如天线的副瓣区域以及低信号区域；本算法尤其适合对象为中心有较高精度要求的应用场合。
需要说明的是，在标准的IEEE的(r,θ,φ)的球面坐标系中，天线的参考点由坐标原点O变换到O'，
Figure BDA0002247666370000071
是变换距离矢量，则辐射源新的远场方向图
Figure BDA0002247666370000072
将变为：
Figure BDA0002247666370000073
这里
Figure BDA0002247666370000074
是原来的远场方向图，
Figure BDA0002247666370000075
是变化后的远场方向图；在(r,θ,φ)的球面坐标系里，O点的坐标为[0,0,0]，O'点的坐标为[Δx,Δy,Δz]。
变换距离矢量
Figure BDA0002247666370000076
的表达式是：
Figure BDA0002247666370000077
变换距离矢量
Figure BDA0002247666370000078
的表达式是：
Figure BDA0002247666370000079
这里，
Figure BDA00022476663700000710
主极化远场相位方向图由于天线的参考点由坐标原点O变换到O'([Δx,Δy,Δz])，
产生的相位变化量为：Δψ＝-K0(sinθcosφΔx+sinθsinφΔy+cosθΔz)
Figure BDA00022476663700000711
的相位方向为：Δψ＝ψ(θ,φ)-K0(sinθcosφΔx+sinθsinφΔy+cosθΔz)
进一步的，Δψ＝ψc-K0(sinθcosφΔx+sinθsinφΔy+cosθΔz)
这里假设如果相位中心在坐标系原点那么该天线主瓣区域内的远场相位为常数，即ψc为常数。
关联实测的远场相位与公式中的远场相位，可以得到远场相位方向图的数学模型为：
Figure BDA00022476663700000712
其中，
Figure BDA00022476663700000713
是波数；(Δx，Δy，Δz)即是天线的平均相位中心，它与天线参考点ARP的偏移是相位中心偏移量PCO；
Figure BDA00022476663700000714
是被测天线的远场相位中心相对于平均相位中心的变化量，即相位中心变化量PCV；Φ(θ,φ)是被测天线在观测方向上的远场相位测试值；ψ0是相位常数。
进一步的，可以建立权重选择功能的远场相位方向图的数学模型为：
(KTWK)P＝(KTW)Φ(θ,φ)
Figure BDA0002247666370000084
其中，Φ(θ,φ)是被测天线实测的远场相位测试值，W是取样权重，通常为对角阵，该系数决定可取样的角域范围；P是相位中心的解；K是MX4维状态矩阵，K＝[K0sinθcosφΔx,K0sinθsinφ,K0cosθ,1]；
Figure BDA0002247666370000081
为最小时的解P，即PCO数值；
Figure BDA0002247666370000082
计算出的
Figure BDA0002247666370000083
即为瞬时PCV数值。
具体实施案例：
在进行天线相位中心的测量时，将定制的相位中心测试夹具安装在多探头天线测试系统的方位转台的抱杆上，保证夹具底座5与抱杆法兰同心,方位轴零度方向一致。天线参考点位于暗室内多探头球面近场天线测试系统的圆心,标定或记录测试夹具的三轴移动机构的平移量为初始值。
对被测天线进行相位中心测试，并得到初始测试值,根据该测试值去调节夹具上xyz轴的平移量,使天线相位中心尽可能接近多探头球面近场天线测试系统的中心，再次重新测试天线相位中心,经多次位移调整,将测得的相位中心与多探头球面近场天线测试系统的中心的距离调整到尽可能小。
记录测试夹具的三轴移动机构平移量为调整终值,三个轴的调整终值与初始值的差值,是天线相位中心相对于天线参考点的偏离值，使用上述方法计算出准确的天线相位中心偏移量PCO和天线相位中心离散度PCV。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)数据采集模块采集从多探头球面场天线测试系统测试得到的近场数据；
2)近场到远场变换计算模块将数据采集模块采集的近场数据转换为远场数据，进而得到远场3D相位方向图，将该远场3D相位方向图数据作为输入测试数据；
3)对3D相位数据进行权重取样；
4)利用所述输入测试数据建立基于多探头球面场天线测试系统的相位中心偏移量PCO、天线相位中心离散度PCV的数学模型；
5)得到相位中心偏移量PCO和天线相位中心离散度PCV的数值，以及相位中心稳定度。
2.根据权利要求1所述的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，数据采集模块采集从多探头球面场天线测试系统测试得到的近场数据，包括幅度和相位数据。
3.根据权利要求1所述的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，步骤2)还包括步骤21)：校正相位角处理相位奇异点以产生相位方向图。
4.根据权利要求3所述的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，步骤21)中的校正相位角处理相位奇异点包括处理个别奇异点和阶跃点，在规定角域内成连续相位分布，当相位矩阵中的连续元素之间的绝对跃变大于或等于π弧度的默认跃变容差时，算法自动更正相位角以生成更平滑的相位图,通过在相位矩阵中增加±2π的倍数来更正弧度相位角得以实现。
5.根据权利要求1所述的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，步骤3)可以选择不同的方式对3D相位数据进行权重取样，其中包括：
a)：使用整个3D球面的相位数据，做数据拟合进行权重取样；
b)：辐度阈值权重法，可以选择相对于功率最大值下降x dB的区域，取样3D球的相位数据；
c)：角度阈值权重法，可以选择取样3D球的不同角域，按x度立体角取样3D球的相位数据。
6.根根据权利要求1所述的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，步骤4)建立相位中心偏移量PCO、天线相位中心离散度PCV的数学模型后还包括步骤41)：进一步地优化进行求解天线相位中心离散度PCV的最小值。
7.根据权利要求1所述的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，步骤5)得到相位中心偏移量PCO、天线相位中心离散度PCV的数值的同时也得到各截面的相位稳定度图。
8.根据权利要求7所述的基于多探头球面场天线测试系统的相位中心测试方法，其特征在于，步骤5)还包括步骤51)将得到的数据和图形进行输出并导出需求的报告。
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