CN114509757A - 一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法，属于无源互调检测与定位技术领域。本发明所述方法主要包括以下步骤：将待测相控阵模块置入金属腔体中，启动待测相控阵模块，利用金属腔体内部底面的天线阵列接收信号；对天线阵列接收的信号进行电磁成像并读取PIM源的位置；将可调散射体组成平面阵列放至金属腔体内部侧面和/或顶面；再次启动待测相控阵模块，读取PIM源的位置；对比两次读取的PIM源的位置，重复存在的PIM源作为待测相控阵模块自身固有产生的PIM源。本发明所述方法采用无源的散射体阵列可以有效地筛选出腔体内二次诱发PIM源，无需在基于时间反演的电磁成像方法中加入其他优化方法，普适性强、成本低且操作简单。

Description

一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法
技术领域
本发明属于无源互调检测与定位技术领域，具体涉及一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法。
背景技术
随着无线移动通信的升级，基站天线得到了快速的发展。从1G、2G时代的全向基站天线到3G、4G时代的定向基站天线，基站天线的性能在快速提升。面对5G时代快速率高容量的通信需求，相控阵天线凭借其多频多波束的特性在基站天线中得到了广泛的应用。然而相控阵天线内部存在多路、多频、大功率发射支路，当两个或两个以上频率的大功率信号通过其中的无源器件(如天线、连接器、电缆等)时，极易产生PIM(Passive Intermodulation，无源互调)信号。PIM信号极易出现在接收机工作频段内，当产生的PIM信号与接收机工作频段相同时，这类干扰使用传统的滤波没有办法消除，严重的情况下会对整个系统性能造成很大影响，因此相控阵天线中的无源互调是一个亟待解决的问题。
由于无源器件的性能会随着使用时间、使用条件等情况改变，所以无法完全避免PIM的存在，而且为了消除PIM则需已知PIM发生的位置，因此，PIM源的定位是消除PIM源的必要条件。
现有检测PIM源的方法主要是依次检查所有可能出现PIM源的位置或者依次替换可能发生PIM源的无源器件，这两种方法操作简单但是时间成本巨大，因此，快速准确的空口检测PIM源位置是替换现有检测方法的最佳方案。基于时间反演(Time Reversal，TR)的电磁成像定位技术有着定位更加快速准确、能够实现超分辨率定位等优势。基于时间反演的电磁成像定位技术在腔体环境中有着更好的聚焦特性，但在腔体的多径环境中会二次诱发PIM源，因此，如何有效将二次诱发的PIM源进行筛选将是基于时间反演的电磁成像定位PIM源方法走向实用的关键步骤之一。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法，包括以下步骤：
S1.将待测相控阵模块置入金属腔体中，启动待测相控阵模块，相控阵模块中的所有PIM源发射信号，利用金属腔体内部底面的天线阵列接收待测相控阵模块和所有PIM源的信号并记录下来；
S2.利用电磁成像方法对天线阵列接收的信号进行电磁成像，从电磁成像结果中读取PIM源的位置，PIM源的数量为M，M为正整数，M≥P，P为由待测相控阵模块自身原因导致的PIM源个数，M-P为二次诱发PIM源的个数；
S3.将N个可调散射体组成平面阵列放至金属腔体内部侧面和/或顶面，N为正整数；
S4.再次启动待测相控阵模块，利用天线阵列接收当前场景下的待测相控阵模块和所有PIM源的信号并记录下来；利用电磁成像方法对当前场景下天线阵列接收的信号进行电磁成像，从电磁成像结果中读取PIM源的位置；
S5.对比S2和S4读取的PIM源的位置，重复存在的PIM源作为待测相控阵模块自身固有产生的PIM源。
进一步的，在S5后还包括以下步骤：
S6.调整可调散射体的相位，从而改变金属腔体的散射系数，形成新的多径信息，执行S4，进一步进行筛选；
当可调散射体有效的相位均被利用完，且筛选不出新的二次诱发PIM源后，旋转金属腔体进一步进行筛选。
进一步的，时间反演电磁成像算法为DORT(时间反演算子分解法)算法、TR-MUSIC(时间反演多信号分类法)算法、TRIS(基于时域同步性的时间反演成像法)算法或SF-DORT(空频时间反演算子分解法)算法。
进一步的，可调散射体的排布等间隔或非等间隔。
一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选装置，包括金属腔体、天线阵列和可调无源散射体阵列；金属腔体为封闭腔体或非封闭腔体，金属腔体的材质为铝或铜；天线阵列和可调无源散射体阵列位于金属腔体的内部表面的不同位置。
进一步的，可调无源散射体阵列采用平面散射体阵列，由3*3的单个散射体排布而成；单个散射体为由上至下依次紧密贴合的五层方形片状结构堆叠而成，五层方形片状结构的材料分别为铜、有损FR4、磁各向异性材料、有损FR4和铜，边长分别为30mm、31mm、32mm、33mm和34mm；材料为磁各向异性材料的方形片状结构中间开有方形孔，方形孔和方形片状结构的边平行且中心重合，在方形孔的对侧两边长中心处，还分别开有一个方形小孔；方形孔的边长为20mm，方形小孔的边长为5mm；相邻的散射体单元之间的间距相等，为散射体单元工作中心频率2GHz对应的波长。
进一步的，可调无源散射体阵列单元为圆柱状散射体、介质散射体或平面微带散射体。
本发明的有益效果是：
本发明所述方法采用无源的散射体阵列可以有效地筛选出腔体内二次诱发PIM源，无需在基于时间反演的电磁成像方法中加入其他优化方法；通过利用非特定的散射体阵列加装在腔体中便可完成二次诱发PIM源的筛选，普适性强、成本低且操作简单；适用于当前各类多目标定位的时间反演电磁成像算法，适用范围广。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为实施例中单个散射体结构图；
图3为实施例中平面散射体阵列结构图；
图4为实施例所述装置的结构图；
图5为实施例所述方法中S2的PIM源位置示意图；
图6为实施例所述方法中S4的PIM源位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法，其流程示意图如图1所示，包括以下步骤：
S1.将待测相控阵模块置入金属腔体中，启动待测相控阵模块，由于相控阵模块中的元器件的功率过大，相控阵模块中的无源器件可能作为PIM源，所有PIM源发射信号，利用金属腔体内部底面的天线阵列接收待测相控阵模块和所有PIM源的信号并记录下来；
S2.利用电磁成像方法对天线阵列接收的信号进行电磁成像，从电磁成像结果中读取PIM源的位置，PIM源的数量为M，M为正整数，M≥P，P为由待测相控阵模块自身原因导致的PIM源个数，M-P为二次诱发PIM源的个数；PIM源位置示意图如图5所示，×代表由于待测相控阵模块自身而激发出的PIM源，○代表二次诱发PIM源。
具体地，当p个PIM源(p≤P)信号与待测相控阵模块工作时发出的信号由于多径效应在某一位置激发出感应电流，若信号功率比较大，在此处可二次诱发PIM源，而该PIM源不是待测相控阵模块自身固有产生的PIM源，故称为二次诱发PIM源。
比如在金属-绝缘体-金属(MIM)结构中，有两种重要的PIM效应，分别为量子隧穿效应和热电子发射效应。
在该结构中绝缘体不导电，但是根据量子力学，此时会有隧道效应出现，高能量的电子穿过介质后使得金属之间能够电导，在计算中隧穿电流Jtu一般为：
Figure BDA0003464031990000041
其中，J0＝e/2πh(Δs)2，A＝(4πΔs/h)(2m)2，
Figure BDA0003464031990000042
为绝缘层平均势垒高度，Δs为有效绝缘层厚度，e为电子的电荷量，V为两层金属之间的电压，h为普朗克常量，m为电子的质量。
同时，在热电子发射效应中，利用理查森-杜曼公式，可知电子的发射电流密度：
Figure BDA0003464031990000043
从(2)式可以看出，电子的发射电流密度以及隧穿电流均与势垒高度
Figure BDA0003464031990000044
相对介电常数K、外加电压V和绝缘层厚度Δs有关。其中
Figure BDA0003464031990000045
T为温度量，K为相对介电常数，k为玻尔兹曼常数。
当多径信息在二次诱发PIM源处叠加时，使得该点处的外加电压V增强，当电子的发射电流密度Jth在两层金属之间积分得到的电流与隧穿电流Jtu的总和大于能够激发出PIM源的阈值J时，产生二次诱发PIM源。
假定金属腔体的散射系数为C0(ω)，传输过程的传输函数为G1(ω)，散射过程的传输函数为G2(ω)，某个二次诱发PIM源位置由腔体多径带来的信号P'(ω)为：
P'(ω)＝P(ω)×G1(ω)×C0(ω)×G2(ω) (3)
其中，ω为角频率，P(ω)为待测相控阵模块和所有PIM源的信号，P'(ω)对应的时域信号的单位为电压。
S3.将N个可调散射体组成平面阵列放至金属腔体内部侧面和/或顶面，N为正整数，改变腔体内部多径信息。
具体地，可调散射体的排布可以是等间隔，也可以是非等间隔，要根据腔体结构，优化设计可调散射体阵列部署。阵列结构以及可调散射体相位调控的作用是：将不同状态下的信道关系进行较大程度地区分，避免多径在同一位置处诱发新的PIM源产生。
对于二次诱发PIM源，此时腔体内的多径信息变化，散射系数的变化会导致该处的信号强度变化，也就是外加电压的变化，使得电流密度小于能够激发出PIM源的阈值，使某个或某些二次诱发PIM源无法被激发。
S4.再次启动待测相控阵模块，利用天线阵列接收当前场景下的待测相控阵模块和所有PIM源的信号并记录下来；利用电磁成像方法对当前场景下天线阵列接收的信号进行电磁成像，从电磁成像结果中读取PIM源的位置。PIM源位置示意图如图6所示，其中×代表由于待测相控阵模块自身而激发出的PIM源，○代表二次诱发PIM源。
S5.对比S2和S4读取的PIM源的位置，重复存在的PIM源作为待测相控阵模块自身固有产生的PIM源。×的位置将不会变化，○的位置发生了变化，便可以筛选掉二次诱发PIM源。但需注意的是，此时定位出的全部PIM源中有一些是新出现的PIM源，这是由于加入散射体阵列改变多径信息后新激发出的二次诱发PIM源。
S6.若进一步提高甄别与筛选准确度，可调整散射体的相位，从而改变金属腔体的散射系数，等效于形成新的多径信息，执行S4，进一步进行筛选。
当可调散射体有效的相位均被利用完，且筛选不出新的二次诱发PIM源后，可以旋转金属腔体进一步进行筛选。为了能够低成本的完成二次诱发PIM源筛选，在金属腔体内放置一组散射体阵列，但仅有一组散射体阵列会对结果造成一定的不确定性，故可以旋转金属腔体，从不同方向进行甄别与筛选。
所述时间反演电磁成像算法应为可以实现多目标点同时定位的算法，包括并不限于DORT(时间反演算子分解法)算法、TR-MUSIC(时间反演多信号分类法)算法、TRIS(基于时域同步性的时间反演成像法)算法或SF-DORT(空频时间反演算子分解法)算法等，若要得到最好的分辨效果，算法应选用超分辨率算法，且计算复杂度不能过高，计算时间以及成像速度要快。
一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选装置，其结构示意图如图4所示，包括金属腔体、天线阵列和可调无源散射体阵列；
金属腔体为封闭腔体或非封闭腔体，腔体的具体形状可以根据待测件的不同来进行设计，金属腔体的材质为铝或铜等；
天线阵列和可调无源散射体阵列位于金属腔体的内部表面的不同位置；
本实施例所述单个散射体结构图和平面散射体阵列结构图如图2和图3所示。
可调无源散射体阵列采用平面散射体阵列，由3*3的单个散射体排布而成。单个散射体为由上至下依次紧密贴合的五层方形片状结构堆叠而成，五层方形片状结构的材料分别为铜、有损FR4、磁各向异性材料、有损FR4和铜，边长分别为30mm、31mm、32mm、33mm和34mm。材料为磁各向异性材料的方形片状结构中间开有方形孔，方形孔和方形片状结构的边平行且中心重合，在方形孔的对侧两边长中心处，还分别开有一个方形小孔。方形孔的边长为20mm，方形小孔的边长为5mm。
上述散射体单元有两种相位可以调节，当信号沿y方向经过散射体散射时，相位变化不明显，经仿真计算，在散射体与天线之间选取一点，在2GHz时，电场相位变化0°；当信号沿x方向经过散射体散射时，相位变化较大，经仿真计算，在散射体与天线之间选取一点，在2GHz时，电场相位变化70°。调整散射体相位后，可以改变1GHz-3GHz的电磁环境。
相邻的散射体单元之间的间距相等，为散射体单元工作中心频率2GHz对应的波长。
所述可调无源散射体阵列单元不限于金字塔结构，可以是多种散射体结构，例如圆柱状散射体、介质散射体、平面微带散射体等，散射体需要满足相位(连续或离散)可调、散射幅度强或处于谐振散射状态下、固有损耗小等特征。

Claims (7)

1.一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待测相控阵模块置入金属腔体中，启动待测相控阵模块，相控阵模块中的所有PIM源发射信号，利用金属腔体内部底面的天线阵列接收待测相控阵模块和所有PIM源的信号并记录下来；
S2.利用电磁成像方法对天线阵列接收的信号进行电磁成像，从电磁成像结果中读取PIM源的位置，PIM源的数量为M，M为正整数，M≥P，P为由待测相控阵模块自身原因导致的PIM源个数，M-P为二次诱发PIM源的个数；
S3.将N个可调散射体组成平面阵列放至金属腔体内部侧面和/或顶面，N为正整数；
S4.再次启动待测相控阵模块，利用天线阵列接收当前场景下的待测相控阵模块和所有PIM源的信号并记录下来；利用电磁成像方法对当前场景下天线阵列接收的信号进行电磁成像，从电磁成像结果中读取PIM源的位置；
S5.对比S2和S4读取的PIM源的位置，重复存在的PIM源作为待测相控阵模块自身固有产生的PIM源。
2.根据权利要求1所述的腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法，其特征在于，在S5后还包括以下步骤：
S6.调整可调散射体的相位，从而改变金属腔体的散射系数，形成新的多径信息，执行S4，进一步进行筛选；
当可调散射体有效的相位均被利用完，且筛选不出新的二次诱发PIM源后，旋转金属腔体进一步进行筛选。
3.根据权利要求1所述的腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法，其特征在于，时间反演电磁成像算法为时间反演算子分解法、时间反演多信号分类法、基于时域同步性的时间反演成像法或空频时间反演算子分解法。
4.根据权利要求1所述的腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选方法，其特征在于，可调散射体的排布等间隔或非等间隔。
5.一种腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选装置，其特征在于，包括金属腔体、天线阵列和可调无源散射体阵列；金属腔体为封闭腔体或非封闭腔体，金属腔体的材质为铝或铜；天线阵列和可调无源散射体阵列位于金属腔体的内部表面的不同位置。
6.根据权利要求5所述的腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选装置，其特征在于，可调无源散射体阵列采用平面散射体阵列，由3*3的单个散射体排布而成；单个散射体为由上至下依次紧密贴合的五层方形片状结构堆叠而成，五层方形片状结构的材料分别为铜、有损FR4、磁各向异性材料、有损FR4和铜，边长分别为30mm、31mm、32mm、33mm和34mm；材料为磁各向异性材料的方形片状结构中间开有方形孔，方形孔和方形片状结构的边平行且中心重合，在方形孔的对侧两边长中心处，还分别开有一个方形小孔；方形孔的边长为20mm，方形小孔的边长为5mm；相邻的散射体单元之间的间距相等，为散射体单元工作中心频率2GHz对应的波长。
7.根据权利要求5所述的腔体内二次诱发无源互调源的甄别与筛选装置，其特征在于，可调无源散射体阵列单元为圆柱状散射体、介质散射体或平面微带散射体。
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