CN113253000A

CN113253000A - 一种天线现场校准系统和方法

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Publication number: CN113253000A
Application number: CN202110494367.3A
Authority: CN
Inventors: 刘星汛; 黄承祖; 成永杰; 齐万泉; 颉逍; 白伟
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2021-08-13

Abstract

本发明实施例公开一种天线现场校准系统和方法，所述系统包括：待测天线垂直地面架设，用于发射垂直地面向上传输的电磁波；扫描探头架设于机械臂上，与待测天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设，用于扫描待测天线发射的电磁波；控制计算机，用于调节机械臂，使扫描探头在待测天线正上面一定距离的位置上探头口面平行于待测天线口面；控制机械臂使扫描探头在预先设定的扫描平面中，按机械臂横轴以预定步进值依次采集空间各待测频率点的幅度和相位；矢量网络分析仪，用于接收扫描探头的采集数据，测量扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录；控制计算机将测量的值和对应的位置坐标转换为待测天线远场方向图。

Description

一种天线现场校准系统和方法

技术领域

本发明涉及通信领域。更具体地，涉及一种天线现场校准系统和方法。

背景技术

IEEE Std 149标准规定了天线方向图校准方法，天线校准在微波暗室中进行，将发射天线与接收天线正对且共轴架设在天线支架上，发射天线与接收天线之间的距离为d，d满足远场条件。调节待测天线相位中心与转台中心重合。

对于26.5GHz～40GHz天线采用IEEE Std 149标准测量幅度方向图，存在着以下不足：

1、每次待测天线方向图时，都需要找到天线在该频点下的相位中心，并将相位中心与转台的转轴中心重合，一般情况下需要反复移动多次才能找到相位中心的位置，因此耗时非常长。

2、待测天线在每个测试频率点下的相位中心并不相同，因此每一个测试频率点下测量幅度方向图时，均需要在每个测试频率点下，重复查找相位中心的操作，过程非常繁琐复杂且耗时长，如果对于测试频率点特别多的方向图测试，效率则比较低。

3、26.5GHz～40GHz远场测量方向图，发射天线与接收天线之间距离远，26.5GHz～40GHz频段单位距离下信号衰减大，导致测量信号偏小，另外对于高增益天线主波束比较窄，这就要求收发天线严格对准，由于尺寸较小，远距离对准困难，这些因素都将造成天线方向图测量不确定度增大。

4、26.5GHz～40GHz远场测量方向图，需要在暗室环境下进行，周边物体对电磁波反射会导致测量的不准确，因此天线均需要运送到暗室环境中进行测量，对于基地或型号使用的天线，不得不拆下运输到暗室才能计量，途中增加了运输的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种天线现场校准系统，包括：待测天线、扫描探头、机械臂、矢量网络分析仪、控制计算机；其中，

所述待测天线垂直地面架设，用于发射垂直地面的方向向上传输的电磁波；所述扫描探头架设于所述机械臂上，与所述待测天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设，用于扫描所述待测天线发射的电磁波；

所述控制计算机，用于调节所述机械臂，使所述扫描探头在待测天线正上面一定距离的位置上探头口面平行于待测天线口面；控制所述机械臂使扫描探头在预先设定的扫描平面中，按机械臂横轴以预定步进值依次采集空间各待测频率点的幅度和相位；

矢量网络分析仪，用于接收所述扫描探头的采集数据，测量扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录；

所述控制计算机将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测天线远场方向图。

在一个具体实施方式中，所述系统还包括激光准直仪，用于调节所述待测天线的支架和所述待测天线的高度，使所述待测天线的口面平行于地面。

在一个具体实施方式中，地面铺设有吸波材料。

在一个具体实施方式中，所述待测天线架设在旋转测试平台上。

在一个具体实施方式中，所述机械臂的底座能移动。

在一个具体实施方式中，所述控制计算机采用FFT变换以及探头补偿算法实现将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测天线远场方向图。

本发明第二个实施例提供一种天线现场校准方法，包括：

S10、将架设于机械臂上的扫描探头与垂直地面架设的待测天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设；调节所述机械臂，使所述扫描探头在待测天线正上面一定距离的位置上探头口面平行于待测天线口面；

S30、控制计算机控制所述机械臂使扫描探头在预先设定的扫描平面中，按机械臂横轴以预定步进值依次采集空间各待测频率点的幅度和相位；

S50、矢量网络分析仪接收所述扫描探头的采集数据，测量扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录；

S70、控制计算机将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测天线远场方向图。

本发明的第三个实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如第二个实施例所述的方法。

本发明的第四个实施例提供一种计算设备，包括处理器，其特征在于，所述处理器执行程序时实现如第二个实施例所述的方法。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的天线现场校准系统采用机械臂实现平面近场扫描轨迹运动，具有更好的环境适应性和可操作性；待测天线发射电磁波的方向采用垂直地面向上，可以有限减少周围环境反射的影响。不需要在暗室中进行，且只需要很小的校准区域即可以进行天线校准，更加适合于外场或现场条件，采用近场测量数据进行数值算法处理的方法计算出远场方向图。能够快速、准确的进行天线方向图校准。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例的一种天线现场校准系统结构图。

图2示出本发明实施例的一种天线现场校准方法流程图。

图3示出本发明实施例的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明原理是将波导探头(机扫描探头)架设在机械臂上，机械臂底座设计为可移动式，待测天线垂直于地面架设，机械臂装载波导探头，在距离待测天线大约60mm处且平行待测天线口面的平面近场矩形区域范围内，使用扫描探头以3mm扫描步进采集测试点的幅度相位信息，通过算法计算出远场方向图。

本发明校准系统用于26.5GHz-40GHz频段的天线现场校准，不需要微波暗室条件，只要求空间中没有26.5GHz-40GHz频段的强干扰信号，或者此频段的干扰信号至少比有用信号低10dB，根据电磁波空间衰减方程：

L＝32.5+20lgf+20lgd

其中：L为自由空间电磁波的传输损耗，单位为dB；f为传输的电磁波工作频率，单位为MHz；d为电磁波传输距离，单位为km。

根据以上公式，对于26.5GHz-40GHz频段的信号，1米距离信号衰减60dB以上，2米距离信号衰减66dB以上，在进行天线校准时，天线主瓣方向为垂直地面向上发射，只有副瓣或旁瓣电磁波遇到周边的障碍物产生多径效应，大部分天线的副瓣和旁瓣能量少得多，假设副瓣为0dBm信号，如果两米距离内无障碍物，这时副瓣的信号衰减大约在66dB以上，即使2米外有障碍物其中产生的多径效应也不会影响近场测试，因此天线现场校准装置需要2m×2m的校准空间即可，其中校准空间不能有除校准装置以外的物体。

如图1所示，一种天线现场校准系统，包括：待测天线、扫描探头、机械臂、矢量网络分析仪、控制计算机；其中，

待测天线垂直地面架设，距地面1.5米，待测天线口面朝上，用于发射垂直地面的方向向上传输的电磁波。

所述扫描探头架设于所述机械臂上，与所述待测天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设，扫描探头与待测天线之间的距离为60mm，用于扫描所述待测天线发射的电磁波；

所述控制计算机，用于调节所述机械臂，使所述扫描探头在待测天线正上面一定距离的位置上探头口面平行于待测天线口面；控制所述机械臂使扫描探头在预先设定的扫描平面中，按机械臂横轴以预定步进值依次采集空间各待测频率点的幅度和相位；一个示例中预定步进值为3mm。控制计算机系统中预先设定好测量频率、步进以及扫描点。

矢量网络分析仪，用于接收所述扫描探头的采集数据，测量扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录；将矢量网络分析仪频率范围调节至试验频率范围，连接待测天线的线缆为端口1，连接扫描探头的线缆为端口2，在端口1、2进行校准，将矢量网络分析仪设置到S21参数测量；

在一个具体实施方式中，如果待测天线后瓣较强，需在地面铺设50公分的吸波材料。

在一个具体实施方式中，所述机械臂的底座能移动。

控制计算机通过执行天线方向图测量控制程序控制机械臂驱动控制器进而控制机械臂。

如图2所示，一种天线现场校准方法，包括：

S10、将架设于机械臂上的扫描探头与垂直地面架设的待测天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设；调节所述机械臂，使所述扫描探头在待测天线正上面一定距离的位置上探头口面平行于待测天线口面；按图1中所示架设，一个示例中，采用激光准直仪，调节发射天线支架，将待测天线调整到合适的高度，天线口面平行地面，待测天线距地面1.5米，待测天线口面朝上，扫描探头与待测天线之间的距离为60mm。

将矢量网络分析仪频率范围调节至试验频率范围，连接待测天线的线缆为端口1，连接扫描探头的线缆为端口2，在端口1、2进行校准，将矢量网络分析仪设置到S21参数测量。

S30、控制计算机控制所述机械臂使扫描探头在预先设定的扫描平面中，按机械臂横轴以预定步进值依次采集空间各待测频率点的幅度和相位；一个示例中预定步进值为3mm。控制计算机通过执行天线方向图测量控制程序控制机械臂驱动控制器进而控制机械臂。预先设定好测量频率、步进以及扫描点。

FFT变换以及探头补偿算法如下：

1)探头扫描面采样

距离待测喇叭天线5λ的一个扫描面，Δx和Δy表示取样间隔，Δx和Δy的选择将直接和平面波谱函数空间相联系，假设在平面波谱函数k空间中，k_x∈[-k_xm，k_xm]，k_y∈[-k_ym，k_ym]，取样空间和波谱空间的关系如下：

在k空间中我们选择波谱取样间隔为Δk_x，Δk_y，(x，y)采样面的取样位置空间x∈[-x_m，x_m]，y∈[-y_m，y_m]与波谱空间关系如下：

令x方向和y方向的取样点数分别为M和N，则有如下的几何关系：

2x_m＝MΔx，2y_m＝NΔy，2k_xm＝MΔk_x，2k_ym＝NΔk_y (3)

通过选取(x，y)和(k_x，k_y)建立取样空间，要求取样面尽可能大，包含所有的波谱和空间能量，但通常方向性天线的平面波谱函数和口径场分布都是有限的，由奈奎斯特采样定理，不必测量扫描平面上所有采样点的场分布，而只需测量该平面上以Δx和Δy为间隔的离散点的场，就可以确定波谱。Δx和Δy与最高波数谱k_m有如下关系：

2)有限带宽谱函数傅氏FFT变换

假设f(x)是谱宽为2ω_B(即

在|ω|＞ω_B时为0)，则由采样定理可以得到：

即在|ω|≤ω_m范围内

3)二维傅氏变换

要完成近远场变换，一个很重要的问题就是关于上述积分的计算，由于f的空间谱宽有限，所以积分F可以用二重求和代替，再考虑到扫描面尺寸截断有限，所以有

上式成立的条件为当

或者

时V≈0。

当|k_x|＞k_xm或|k_y|＞k_ym时，积分等于0，所以(8)只能计算带限范围内的I(k_x，k_y)，

令

则

其中，(i，l)与

的对应关系为

代入(8)，可得

4)矩形波导探头补偿算法：

矩形波导探头补偿算法采用E面电场法，就是在已知探头E面方向图函数，对其积分即可得到探头H面方向图函数，E面电场法具体公式为：

上式中，

表示从原点到积分平面内区域元素dx′dy′的积分向量。TE₁₀模的电场和磁场分别表示为：

此处E₀是TE₁₀的模幅度值。式(11)中的电场积分可以由式(12)中的E₁₀表示。化简(11)即可得到探头的H面方向图函数：

此外，在E面电场法中，探头的E面方向图函数为：

在上式中，λ是波长，θ是(θ，

)坐标系中z轴与空间中一点与原点连线的夹角，a、b分别为测量探头口面的长边和宽边的长度。

根据平面波展开法以及洛伦兹互易原理(推导过程省略)，可以得出：

和

是球坐标系

(其中在远场方向图计算中r取无限远处)下方向图在θ和

方向上的分量。最后需要进行坐标转换以得到直角坐标系下的方向图，即待测喇叭天线的方向图主极化和交叉极化分别可以表示为：

F1和F2即1中I(k_x，k_y)，可以修改为相同的表达形式

将公式(10)(14)、(15)代入(16)中，再将(16)代入(17)，可计算出待测喇叭天线方向图。

本发明采用机械臂实现平面近场扫描轨迹运动，具有更好的环境适应性和可操作性；待测天线发射电磁波的方向采用垂直地面向上，可以有限减少周围环境反射的影响。不需要在暗室中进行，且只需要很小的校准区域即可以进行天线校准，更加适合于外场或现场条件，采用近场测量数据进行数值算法处理的方法计算出远场方向图。能够快速、准确的进行天线方向图校准。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例的一种喇叭天线方向图校准系方法。

在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

如图3所示，本发明的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图3显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图3所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。

总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。

计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图3未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图3中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。

计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图3所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图3中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理器单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例一种喇叭天线方向图校准系方法。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种天线现场校准系统，其特征在于，包括：待测天线、扫描探头、机械臂、矢量网络分析仪、控制计算机；其中，

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括激光准直仪，用于调节所述待测天线的支架和所述待测天线的高度，使所述待测天线的口面平行于地面。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，地面铺设有吸波材料。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待测天线架设在旋转测试平台上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂的底座能移动。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制计算机采用FFT变换以及探头补偿算法实现将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测天线远场方向图。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述系统的校准方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制计算机采用FFT变换以及探头补偿算法实现将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测天线远场方向图。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求7-8中任一项所述的方法。

10.一种计算设备，包括处理器，其特征在于，所述处理器执行程序时实现如权利要求7-8中任一项所述的方法。