CN113125862A - 一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法 - Google Patents

一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法，包括如下步骤：（1）基于单站雷达截面RCS测试系统：（2）基于双站RCS测试系统：最后利用公式获取天线的辐射方向图。本发明所公开的测试方法，基于单站和双站两种RCS测试系统，待测天线无需与测试平台的馈线连接，不需要解决探头和被测天线间的远距离连接和信号同步，消除了在测试过程中因连接有源器件和天线平台的改变所带来的影响，并且在该测试系统中设置的环境更接近实际场所中的工作环境。在双站测试方式下，天线与平台系统不需旋转移动，大大降低了对测试系统的要求。

Description

一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法
技术领域
本发明属于天线测量领域，特别涉及该领域中的一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法。
背景技术
目前，天线作为辐射和接收电磁波的装置，被广泛应用于雷达和无线通信系统中。定量获取天线的参数可以通过理论分析和实际测试两种方式，而实际测试是工程产品特性检测的最终依据。
在不同的应用场合中，环境和平台可能会对天线自身的参数产生不同的影响，所以更需要对天线在实际安装平台环境下进行实际测试。传统的天线辐射特性直接测试方法需要将天线从平台上分离出来，对天线连接电缆和测试设备进行测试。这种方法改变天线的集成环境和平台，适合受环境和平台影响较小的天线。但对于受环境和平台影响程度较高的各种天线来说，传统的测试方法无法直接应用。一方面天线尺寸小且是一个不可拆分的整体，处于设备的内部，单独将天线放置转台上进行测试会与实际场景不同，测试得出的结果会与天线在实际作业中的性能存在差异。另一方面集成天线缺乏独立的接头可供测试设备直接连接，例如毫米波集成天线的性能会受到连接电缆、测试设备和测试环境的高度影响，特别是对于现场安装的天线。同时与电缆、连接器和探头相关的高损耗降低了毫米波和太赫兹天线的信号质量和测量重复性。
毫米波和太赫兹天线的频段处于微波和光波段之间，是尚未被人们开发利用的频谱资源，被称为太赫兹鸿沟(THz Gap)。由于频率高且可用频带宽，这个频段具备了超高速率通信的潜力，是下一代无线通信的基础。这就对天线的测试提出了很大的需求。然而远场法耗资大、花费时间长，紧缩法需要采用足够大的高精度反射面，不易实现。近场法便捷、实效、准确的特点使得近场法是太赫兹天线最为理想的测试方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法，其改进之处在于：
(1)基于单站雷达截面RCS测试系统：
将发射探头放在待测天线的远场区；
首先对待测天线的输入端口端接短路负载，将待测天线架设到测试系统中，通过转台操控天线旋转，得到天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000021
并记录；
接着将待测天线的输入端口端接匹配负载，将待测天线架设到测试系统中，通过转台操控天线旋转，得到天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000022
并记录；
用天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000023
减去天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000024
得到天线模式项散射场
Figure BDA0003006725440000025
结合照射波的强度可以由
Figure BDA0003006725440000026
获得对应的单站RCS，
后利用公式
Figure BDA0003006725440000027
获取天线的辐射增益方向函数，其中Γl为天线向馈电端口的电压反射系数，短路时为—1，Γa为馈电端口向天线的反射系数，匹配时为0，λ为测试频点波长，G为辐射增益方向函数；
(2)基于双站RCS测试系统：
将发射探头放在待测天线的远场区；
首先对待测天线的输入端口端接短路负载，将待测天线架设到测试系统中，通过接收探头旋转，得到天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000028
并记录；
接着将待测天线的输入端口端接匹配负载，将待测天线架设到测试系统中，通过接收探头旋转，得到天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000029
并记录；
用天线的散射总场
Figure BDA00030067254400000210
减去天线的结构模式项散射场
Figure BDA00030067254400000211
得到天线模式项散射场
Figure BDA00030067254400000212
结合照射波的强度可以由
Figure BDA00030067254400000213
获得对应的双站RCS，
最后利用公式
Figure BDA00030067254400000214
获取天线的辐射方向图。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的测试方法，基于单站和双站两种RCS测试系统，待测天线无需与测试平台的馈线连接，不需要解决探头和被测天线间的远距离连接和信号同步，消除了在测试过程中因连接有源器件和天线平台的改变所带来的影响，并且在该测试系统中设置的环境更接近实际场所中的工作环境。在双站测试方式下，天线与平台系统不需旋转移动，大大降低了对测试系统的要求。
附图说明
图1是天线散射的示意图；
图2是本发明实施例1所公开单站RCS测试系统的结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开双站RCS测试系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试系统，设置有高集成待测天线、散射测试系统、匹配与短路装置。旨在消除现有测试方法在连接电缆、测试设备时对天线集成环境和平台的改变，避免对测试结果造成影响。所述高集成待测天线的辐射方向图借助散射测量来获得。图1是天线散射的示意图。测试过程中待测天线为被动无源模式。测试过程中待测天线需端接两种负载，进行两次散射测量。测试系统可基于近场或远场散射测量技术。
测试系统基于天线散射场和辐射方向图之间的关系，通过对待测天线端接两种无源负载的方式，得到散射场数据并借此获取待测天线辐射方向图。解决了高集成天线的性能受到连接电缆、测试环境影响的问题。
雷达散射截面按照发射天线和接收天线的位置分为单站散射和双站散射。
在双站情形下，
Figure BDA0003006725440000031
在单站情形下，
Figure BDA0003006725440000032
根据上述辐射和散射场之间的相互关系，针对高集成天线的情况，将天线的辐射方向图测试转化为对散射场的测试。其中的关键是对结构模式项散射场和天线模式项散射场分离，下面分析借助待测天线端接不同负载时散射场的相互关系来分析对应的分离方法。
通过对
Figure BDA0003006725440000033
的分析，得到结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000034
和天线模式项散射场
Figure BDA0003006725440000035
是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场，它是天线接匹配负载时的散射场，其散射机理与普通散射体的散射机理相同；
Figure BDA0003006725440000036
则是随天线的负载情况而变化的天线模式项散射场，它是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线的再辐射而产生的散射场，这是天线作为一个加载散射体而特有的散射场。下面将二者进行分离。一般的分离方式需要进行开路和短路设置，对于复杂的天线来说，不方便设置。因为天线的结构模式项散射场保持不变，故而采取用散射总场减去结构模式项散射场的方式得到天线模式项散射场。
首先，在待测天线端接匹配负载，得到天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000041
其次，将待测天线的终端短路，得到天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000042
用天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000043
减去天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000044
就能够得到天线模式项散射场
Figure BDA0003006725440000045
在完成对结构模式项散射场和天线模式项散射场的分离后，就可在天线模式项散射场的测试数据中获取对应的辐射方向图因子G。
实施例1，本实施例公开了一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法：
(1)基于单站RCS(Radar Cross Section雷达截面)测试系统：
将发射探头放在待测天线的远场区；
首先对待测天线的输入端口端接短路负载，将待测天线架设到如图2所示的测试系统中，通过转台操控天线旋转，得到天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000046
并记录；在高集成度天线研发过程中，这一步骤很容易通过烙铁或者短接插针来实现。
接着将待测天线的输入端口端接匹配负载(通常为50欧姆电阻)，将待测天线架设到如图2所示的测试系统中，通过转台操控天线旋转，得到天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000047
并记录；在高集成度天线研发过程中，这一步骤很容易通过烙铁焊接表贴器件或者直插元器件插接来实现。
用天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000048
减去天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000049
得到天线模式项散射场
Figure BDA00030067254400000410
结合照射波的强度可以由
Figure BDA00030067254400000411
获得对应的单站RCS，
后利用公式
Figure BDA00030067254400000412
获取天线的辐射增益方向函数，其中Γl为天线向馈电端口的电压反射系数，短路时为—1，Γa为馈电端口向天线的反射系数，匹配时为0，λ为测试频点波长，G为辐射增益方向函数；
(2)基于双站RCS测试系统：
将发射探头放在待测天线的远场区；
首先对待测天线的输入端口端接短路负载，将待测天线架设到如图3所示的测试系统中，通过接收探头旋转，得到天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000051
并记录；
接着将待测天线的输入端口端接匹配负载(通常为50欧姆电阻)，将待测天线架设到测试系统中，通过接收探头旋转，得到天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000052
并记录；
用天线的散射总场
Figure BDA0003006725440000053
减去天线的结构模式项散射场
Figure BDA0003006725440000054
得到天线模式项散射场
Figure BDA0003006725440000055
结合照射波的强度可以由
Figure BDA0003006725440000056
获得对应的双站RCS，
最后利用公式
Figure BDA0003006725440000057
获取天线的辐射方向图，其中at为一个系数，在方向图归一化测试和定标测试中可以通过比对法确定。
本发明所公开的测试方法在基本不改变待测天线集成及载体环境的情形下，借助散射测试系统对待测天线在端接匹配、短路装置两种情形下获取的单站散射测试数据来获取天线的辐射方向图。避免了传统测试方法因连接馈线和电缆对天线集成环境和平台的大幅度改变，测试结果更接近天线的最终工作状态。天线及载体在测试过程中处于无源状态，简化了测试系统的复杂程度。

Claims (1)

1.一种基于散射测量的高集成天线辐射方向图测试方法，其特征在于：
(1)基于单站雷达截面RCS测试系统：
将发射探头放在待测天线的远场区；
首先对待测天线的输入端口端接短路负载，将待测天线架设到测试系统中，通过转台操控天线旋转，得到天线的散射总场
Figure FDA0003006725430000011
并记录；
接着将待测天线的输入端口端接匹配负载，将待测天线架设到测试系统中，通过转台操控天线旋转，得到天线的结构模式项散射场
Figure FDA0003006725430000012
并记录；
用天线的散射总场
Figure FDA0003006725430000013
减去天线的结构模式项散射场
Figure FDA0003006725430000014
得到天线模式项散射场
Figure FDA0003006725430000015
结合照射波的强度可以由
Figure FDA0003006725430000016
获得对应的单站RCS，
后利用公式
Figure FDA0003006725430000017
获取天线的辐射增益方向函数，其中Γl为天线向馈电端口的电压反射系数，短路时为—1，Γa为馈电端口向天线的反射系数，匹配时为0，λ为测试频点波长，G为辐射增益方向函数；
(2)基于双站RCS测试系统：
将发射探头放在待测天线的远场区；
首先对待测天线的输入端口端接短路负载，将待测天线架设到测试系统中，通过接收探头旋转，得到天线的散射总场
Figure FDA0003006725430000018
并记录；
接着将待测天线的输入端口端接匹配负载，将待测天线架设到测试系统中，通过接收探头旋转，得到天线的结构模式项散射场
Figure FDA0003006725430000019
并记录；
用天线的散射总场
Figure FDA00030067254300000110
减去天线的结构模式项散射场
Figure FDA00030067254300000111
得到天线模式项散射场
Figure FDA00030067254300000112
结合照射波的强度可以由
Figure FDA00030067254300000113
获得对应的双站RCS，
最后利用公式
Figure FDA00030067254300000114
获取天线的辐射方向图。
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