CN115542024A - 一种天线方向图近场测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种天线方向图近场测量方法，解决了现有技术中测量时间有限的情况下天线方向图的清晰度和准确度不足的问题。所述方法包含步骤：采集近场幅度相位数据；采样面大小覆盖被测天线的主波束，采样间隔≤λ/2。在每两个实测采样点中间线性插值。在扫描面外围补零。本申请测试采用精确机械臂定位和线性插值、外围补零的数值方法，在不增加测量时间的前提下有效的提高天线方向图的清晰度和准确度。

Description

一种天线方向图近场测量方法

技术领域

本申请涉及天线测试技术领域，尤其涉及一种天线方向图近场测量方法。

背景技术

现有的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满足远场条件。现有的检测方法存在着以下不足：对于110GHz-170GHz高频天线测量误差大。110GHz-170GHz频段天线采用平面近场校准，根据采样定理，采样步进应小于λ/2，大约0.8mm，要想测量准确，定位精度至少控制在λ/50，大约为54μm～36μm。110GHz-170GHz频段天线由于采样步进小，采样时间比低频天线要长，然扩频模块工作时间长后，存在一定的温度漂移，温漂修正需要精确位置定位。采用机械臂控制探头移动的精度不足以达到λ/50，因此需要额外的定位辅助机械臂将探头移动到更精确的位置。远场测量天线方向图需要在天线的远场测量,对于电大尺寸天线的远场特别远,远距离测量一方面对准困难,另一方面远距离对测量信号衰减比较大,造成测量结果的不准确。

发明内容

本申请实施例提供一种天线方向图近场测量方法，解决了现有技术中测量时间有限的情况下天线方向图的清晰度和准确度不足的问题。

第一方面，本申请提供一种天线方向图近场测量方法，包含步骤：

采集近场幅度相位数据。采样面大小覆盖被测天线的主波束，采样间隔≤λ/2；采样面中心处探头测量信号值比实际采样面的边缘任意一点的探头测试信号值大30dB以上。

在每两个实测采样点中间线性插值。

在扫描面外围补零，采样面中心处探头测量信号值比补零后采样面的边缘任意一点的探头测试信号值大50dB以上。

进一步地，还包含步骤：

根据被测天线的工作频率范围以及天线的尺寸，确定被测天线的近场测试距离。

进一步地，还包含步骤：

求解天线远场方向图。

根据探头幅相特性进行探头补偿。

计算出考虑探头补偿的天线远场增益和方向图结果。

优选地，求解天线远场方向图的过程为求解被测天线的平面波普函数的函数关系。

第二方面，本申请还提供一种天线方向图近场测量方法，包含步骤：

构建机械臂运动的位姿坐标系。所述位姿坐标系为六参数坐标系。

设定好的位置固定不变的被测天线与机械臂带动的探头的位姿关系。确定探头在机械臂运动坐标系中的目标位姿。

两台测量相机对探头进行双目测量，构建测量区坐标系并确定探头在测量区坐标系中的实际位姿。

将探头在测量区坐标系中的实际位姿换算成机械臂运动坐标系中的实际位姿。

将探头在机械臂运动坐标系中的实际位姿带入机械臂控制系统，机械臂将带动探头移动到目标位姿。

进一步地，还包含步骤：

将位姿定标工装与探头固定连接，并建立两者的相对坐标系。

两台测量相机对位姿定标工装做双目测量，得出位姿定标工装在测量区坐标系中的实际位姿。

通过位姿定标工装与探头的相对坐标系和位姿定标工装在测量去坐标系的实际位姿，测出探头在测量区坐标系中的实际位姿。

进一步优选地，所述探头的端部为矩形，使用经纬仪对探头的端部矩形四角点和位姿定标工装进行测量并建立相对坐标系。

进一步地，探头固定连接在机械臂前端。位姿定标工装固定安装在探头上。机械臂带动天线在固定区域内运动。被测天线固定座将被测天线固定在探头指向的方向。两台所述测量相机呈夹角观测天线的运动区域。

进一步地，所述探头与被测天线正对。两台所述测量相机笼罩的观测区域朝向探头和被测天线的侧面。

进一步优选地，所述位姿定标工装包含测量靶和支撑杆。所述支撑杆一端连接在天线上，支撑杆方向与天线法向垂直，另一端垂直连接测量靶底部。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请可以提高近场测量的工作效率，机械臂实现天线测量的自动化。天线位姿校准使天线测量系统扫描定位精度可达0.02mm，将近场数据通过算法转换成远场的辐射特性，可以实现110GHz-170GHz太赫兹天线测量，解决了目前110GHz-170GHz太赫兹天线无法近场测量的问题。采样点线性插值和外围补零的数值方法，在不增加测量时间的前提下有效的提高天线方向图的清晰度和准确度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请一种天线方向图近场测量方法一种实施例流程图；

图2为实际采样面和补零后的采样面范围示意图；

图3为本申请一种天线方向图近场测量方法另一种实施例流程图；

图4为本申请一种天线方向图近场测量方法第三种实施例流程图；

图5为本申请天线方向图近场测量方法测量靶和支撑杆实施例结构图；

图6为本申请另一种天线方向图近场测量方法一种实施例流程图；

图7为本申请另一种天线方向图近场测量方法另一种实施例流程图；

图8为本申请另一种天线方向图近场测量方法实施例结构图；

图9为本申请另一种天线方向图近场测量方法测量靶和支撑杆实施例结构图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请一种天线方向图近场测量方法一种实施例流程图。

一种天线方向图近场测量方法，包含步骤：

步骤101、采集近场幅度相位数据。采样面大小覆盖被测天线的主波束，采样间隔≤λ/2。

例如，对被测天线进行近场扫描，探头随着扫描，在扫描轨迹上的每个采样点记录该位姿点的幅度和相位并记录在数据库中。

步骤102、在每两个实测采样点中间线性插值。

步骤103、在扫描面外围补零。

由于110GHz-170GHz的天线工作频率高，波长太短，采样间隔按照λ/2，数据点已经很多了，为了提高计算后还原的方向图清晰度，采用线性插值和外围补零的方法，即在每两个实测采样点中间进行线性插值，在扫描面范围外通过补零，使得参加近远场变换算法的数据更丰富，这样既可以在不增加测试时长的条件下，提高了远场方向图的清晰度，方向图测量更准确。

图2为实际采样面和补零后的采样面范围示意图。

步骤101～103中，实际采样面的大小确定方法是：待测天线口面与探头口面正对，极化相同，探头位于扫描面的中心正对待测天线口面中心的位置点，如图2所示，在此点上测量的S21幅度为A，当探头移动到扫描面边缘采样点时，此时探头测量的S21幅度比A低30dB以上即可，图中中央白色区域为实际采样面。补零的采样面是在实际采样面尺寸的基础上，根据采样间隔，将采样点的覆盖范围扩大，直到补零采样面边缘采样点比A低50dB以上，图2灰色区域为补零区域，也可以根据计算机的计算性能，补零面扩展得更大，此时计算速度会相应降低。

优选地，待测天线与探头间距如步骤104。优选地，探头位于扫描面的中心位置点时，待测天线与探头间距为5λ。

图3为本申请一种天线方向图近场测量方法另一种实施例流程图。

步骤104、根据被测天线的工作频率范围以及天线的尺寸，确定被测天线的近场测试距离。

根据被测天线的工作频率范围以及天线的尺寸，确定被测天线的近场测试距离d；距离应满足3λ<d<2D²/λ。此时，探头位于扫描面的中心正对位置点。

其中：λ为波长；D为被测天线的特征尺寸。

根据选定测量天线的近场距离和待测尺寸，预估天线平面近场扫描面的尺寸，扫描面应覆盖被测天线的主波束，通常扫描面边上点的幅度至少比正对中心位姿的幅度低30dB以上。扫描面的步进略小于λ/2，从而确定扫描采样点数。

对于110GHz-170GHz频段天线采用平面近场校准，根据采样定理，采样步进应小于λ/2，大约0.8mm，但要想测量准确，定位精度至少控制在λ/50，因此本申请实施例采用近景摄影测绘系统测量探头与天线之间的相对位姿，进行姿态修正。优选地，110GHz-170GHz频段天线定位精度至少为λ/50，约为54μm～36μm。

步骤101、采集近场幅度相位数据。采样面大小覆盖被测天线的主波束，采样间隔≤λ/2。

步骤102、在每两个实测采样点中间线性插值。

步骤103、在扫描面外围补零。

图4为本申请一种天线方向图近场测量方法第三种实施例流程图。

步骤101、采集近场幅度相位数据。采样面大小覆盖被测天线的主波束，采样间隔≤λ/2。

步骤102、在每两个实测采样点中间线性插值。

步骤103、在扫描面外围补零。

步骤105、求解天线远场方向图。

平面近场变换算法是基于平面波展开理论：

为平面波普，公式1和公式2为天线的平面波展开式，这两式就是天线近场测量的基础，即可以将无源空间内的电磁场展开成沿不同方向传播的电磁波的和的形式。如果需要确定场的特性，只需要求得不同方向传播的平面波的复振幅与它所对应的传播方向之间的关系即可。

近远场变换基本算法的核心为FFT算法(付氏变换算法)：

天线的远场方向图公式为：

由公式4可以看出，波普函数所对应的平面波延Z轴正向呈指数衰减，对天线远场的贡献范围很小，甚至可以忽略不计，因此可以将求解天线远场方向图的过程简化为求解天线的平面波普函数的函数关系。因此优选地，求解天线远场方向图的过程为求解被测天线的平面波普函数的函数关系。

步骤106、根据探头幅相特性进行探头补偿。

公式5为考虑探头补偿的天线远场计算公式。

步骤107、计算出考虑探头补偿的天线远场增益和方向图结果。

图5为本申请一种天线方向图近场测量方法实施例结构图。

包含控制单元1、探头2、射频信号源3。

所述控制单元包含主控计算机11和矢量网络分析仪12。所述主控计算机控制射频信号源工作，接收矢量网络分析仪发送的测试数据并进行处理。所述矢量网络分析仪用于连接探头和主控计算机的通讯。

所述的探头是矩形开口探头，是由标准矩形波导和波导转换器组成的，是进行天线数据采集的设备。

所述探头测试被测天线4。所述射频信号源通过分别连接被测天线和探头。所述控制单元给射频信号源发送工作指令，接收并处理探头的测试数据。

例如，将被测天线垂直地面架设，且距地面1.5米，如果被测天线后瓣较强，需在地面铺设50公分的吸波材料，被测天线口面朝上，电磁波以垂直地面的方向向上传输，扫描架上的探头与被测天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设，扫描探头与被测天线之间的距离为50mm。进一步地，还包含接收扩频模块5和发射扩频模块6，射频信号源分别通过接收扩频模块和发射扩频模块连接扫描探头和被测天线。

所述控制单元包含主控计算机11和矢量网络分析仪12。所述主控计算机控制射频信号源工作，接收矢量网络分析仪发送的测试数据并进行处理。所述矢量网络分析仪用于连接探头和主控计算机的通讯。

例如，矢量网络分析仪频率范围调节至试验频率范围，连接被测天线的线缆为第一端口，连接扫描探头的线缆为第二端口，在第一端口和第二端口、进行校准，将矢量网络分析仪设置到S21参数测量。

所述控制单元还包含激光准直仪，所述激光准直仪调节发射天线支架，将被测天线调整到合适的高度，天线口面平行地面，打开控制计算机的天线方向图测量控制程序，调节机械臂位姿，使得探头在被测天线正上面且相距50mm，口面平行于被测天线口面。

进一步地，还包含机械臂7和移动装置8；

所述探头安装在机械臂上，通过机械臂带动探头移动；

例如，探头夹持在机械臂末梢，控制单元设置机械臂的步进长度，步进速度，天线极化方向。同时设置频点数和扫描频率，建立一个平面坐标系，设置X轴测量点数，Y轴测量点数，组成一个Xm×Yn的阵列点阵，启动五轴机械臂控制，五轴机械臂带动探头，逐行逐列的经过Xm×Yn的阵列点，并同时向矢量网络分析仪收发数据，记录被测机载喇叭天线测量数据。

所述移动装置上端放置被测天线，通过移动装置带动被测天线移动。

所述移动装置为六自由度平台驱动控制器，可以在水平方向带动被测天线自由移动。

图6为本申请另一种天线方向图近场测量方法一种实施例流程图。

一种机械臂上探头与被测天线位姿定位方法，包含步骤：

步骤201、构建机械臂运动的位姿坐标系；所述位姿坐标系为六参数坐标系。

构建以机械臂运动的位姿为标准的坐标系，该坐标系可以确认机械臂的位姿六参数x，y，z，rx，ry，rz。。

具体构建过程：

例如，首先选用及布设测量标靶。

使用6mm规格的测量靶标，包括圆形单点测量靶标和编码测量靶标。布设时，首先确定机械臂的实际工作半径，确定其工作半径后，以机械臂安装位置为中心，均匀的、错落式的在地面布设测量靶标。

测量控制场的布设半径需大于机械臂工作半径的5％，编码测量靶标间距在100mm～300mm间，单点测量靶标均匀错落布置在编码测量靶标间。同时需在空间的垂直方向上寻找可附着单点测量靶标的空白位置，尽可能的布置一些圆形的单点测量靶标来增大测量的网的包络半径。测量控制场的布设需按现场的实际情况确定。

在完成测量控制场的布设后，进行机械臂运动坐标系的标定。完成该项后，将得到在机械臂运动坐标系下的测量控制场点云数据。具体标定步骤如下。

在机械臂水平旋转轴附近与俯仰旋转轴附近各布置一个单点测量靶标。

机械臂置于零位，放置基准尺，测量人员使用一台测量相机拍摄测量控制场和布置在机械臂旋转轴附近的单点测量标志。

首先保持水平旋转轴静止，控制机械臂俯仰旋转轴转动。这样，布置在机械臂俯仰轴附近的测量靶标将随之转动。此时，每转动5°后使用单测量相机对其进行拍摄测量。这样就得到了机械臂俯仰旋转轴的旋转轨迹。

同样的，将机械臂置于零位，保持俯仰旋转轴静止，控制机械臂水平旋转轴转动，同时，每转动5°后使用单测量相机对其进行拍摄测量。这样就得到了机械臂水平旋转轴的旋转轨迹。

完成上述步骤后，我们将得到数字图像导入测试软件进行自动平差结算。结算完成后我们将得到在某一坐标系下控制场靶标点、机械臂水平旋转轨迹点和机械臂俯仰旋转轨迹点的XYZ坐标。

此时，我们使用测试软件的相关功能构造机械臂的零位坐标系并设置其为工作坐标系。如此，控制场测量靶标点的XYZ点云数据统一到了机械臂运动坐标系下。

步骤202、设定好的位置固定不变的被测天线与机械臂带动的探头的位姿关系；确定探头在机械臂运动坐标系中的目标位姿。

由于被测天线是固定不动的，因此在设定好被测天线与探头的位姿关系之后，只需要确定探头在机械臂运动坐标系中的目标位姿，就可以知道该将机械臂运动到哪里。在被测天线位置固定不变的前提下，在机械臂运动坐标系下计算出探头的目标位姿六参数。

步骤203、两台测量相机对探头进行双目测量，构建测量区坐标系并确定探头在测量区坐标系中的实际位姿。

通过两台测量相机模拟双目对探头进行双目测量，将双目测量的结果构建测量区坐标系，并确定探头在测量区坐标系中的实际位姿。

例如，两台高精度测量相机呈合适夹角观测实际的天线对准区域，同时为了防止设备间的干涉问题，测量相机拟定架设在机械臂的前方区域。在完成设备的固定架设后，我们可以将机械臂运动坐标系下的测量区信息导入数据处理软件，控制双目系统对测量区进行拍摄和图像扫描计算。软件会依据得到的测量区信息自动解算出双目系统在测量区坐标系下的绝对位姿6参数，即x，y，z，rx，ry，rz。并将结果保存为测量相机外参信息用于接下来的测量。

通过双目测量探头，获得探头在测量区坐标系下的位姿。

步骤204、将探头在测量区坐标系中的实际位姿换算成机械臂运动坐标系中的实际位姿；

通过软件计算，将探头在测量区坐标系中的实际位姿换算成机械臂运动坐标系中的实际位姿。

步骤205、将探头在机械臂运动坐标系中的实际位姿带入机械臂控制系统，机械臂将带动探头移动到目标位姿。

启动操作系统中的引导对准模块，将探头在机械臂运动坐标系中的实际位姿作为精准引导数据传输到机械臂控制系统，机械臂控制系统根据精准引导数据完成自动精准对准，机械臂将探头移动到目标位姿。

图7为本申请另一种天线方向图近场测量方法另一种实施例流程图。

步骤201、构建机械臂运动的位姿坐标系；所述位姿坐标系为六参数坐标系；

步骤202、设定好的位置固定不变的被测天线与机械臂带动的探头的位姿关系；确定探头在机械臂运动坐标系中的目标位姿；

所述步骤203通过下述206、207、208实现。

步骤206、将位姿定标工装与探头固定连接，并建立两者的相对坐标系。

由于探头本身没有定位的标志点，无法被双目测量相机定位，因此优选的，将一个带有圆形反光标志点或测量标靶的位姿定标工装与探头固定连接。并用经纬仪对探头的端部矩形四角点和位姿定标工装进行测量并建立相对坐标系。

例如，所述探头的端部为矩形，使用经纬仪对探头的端部矩形四角点和位姿定标工装进行测量并建立相对坐标系。

步骤207、两台测量相机对位姿定标工装做双目测量，得出位姿定标工装在测量区坐标系中的实际位姿。

用两台测量相机对位姿定标工装做双目测量，测出位姿定标工装在测试区坐标系的实际位姿。

步骤208、通过位姿定标工装与探头的相对坐标系和位姿定标工装在测量去坐标系的实际位姿，测出探头在测量区坐标系中的实际位姿。

通过位姿定标工装与探头的相对坐标系，求算出探头在测试区坐标系的实际位姿。

步骤204、将探头在测量区坐标系中的实际位姿换算成机械臂运动坐标系中的实际位姿；

步骤205、将探头在机械臂运动坐标系中的实际位姿带入机械臂控制系统，机械臂将带动探头移动到目标位姿。

图8为本申请另一种天线方向图近场测量方法实施例结构图。

所述探头2固定连接在机械臂7前端。位姿定标工装9固定安装在探头上。机械臂带动天线在固定区域内运动。被测天线固定座将被测天线4固定在探头指向的方向。两台所述测量相机10呈夹角观测天线的运动区域。

所述探头与被测天线正对。两台所述测量相机笼罩的观测区域朝向探头和被测天线的侧面。

例如，所述探头与被测天线正对，所述机械臂的前端朝下，机械臂前端的探头也朝下，被测天线朝上。测量相机水平放置，镜头朝向探头和被测天线正对的区域。

图9为本申请另一种天线方向图近场测量方法测量靶和支撑杆实施例结构图。

所述位姿定标工装包含测量靶91和支撑杆92。所述支撑杆一端连接在天线上，支撑杆方向与天线法向垂直，另一端垂直连接测量靶底部。

例如，所述探头为直杆，所述支撑杆垂直固直于探头的轴向固定连接在探头杆体中部，所述测量靶为上表面带有若干标志点的圆盘，支撑杆垂直固定连接在测量靶的下端，测量靶的盘面朝向垂直于探头的轴向。

所述探头还包含吸波材料21，所述探头穿过吸波材料平面，吸波材料将探头前部和后部分隔开，所述位姿定标工装位于后部。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种天线方向图近场测量方法，其特征在于，包含步骤：

采集近场幅度相位数据；采样面大小覆盖被测天线的主波束，采样间隔≤λ/2；采样面中心处探头测量信号值比实际采样面的边缘任意一点的探头测试信号值大30dB以上；

在每两个实测采样点中间线性插值；

在扫描面外围补零，采样面中心处探头测量信号值比补零后采样面的边缘任意一点的探头测试信号值大50dB以上。

2.根据权利要求1所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，还包含步骤：

根据被测天线的工作频率范围以及天线的尺寸，确定被测天线的近场测试距离。

3.根据权利要求1所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，还包含步骤：

求解天线远场方向图；

根据探头幅相特性进行探头补偿；

计算出考虑探头补偿的天线远场增益和方向图结果。

4.根据权利要求1所述天线近场推断远场的方法，其特征在于，求解天线远场方向图的过程为求解被测天线的平面波普函数的函数关系。

5.根据权利要求1所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，包含步骤：

构建机械臂运动的位姿坐标系；所述位姿坐标系为六参数坐标系；

设定好的位置固定不变的被测天线与机械臂带动的探头的位姿关系；确定探头在机械臂运动坐标系中的目标位姿；

两台测量相机对探头进行双目测量，构建测量区坐标系并确定探头在测量区坐标系中的实际位姿；

将探头在测量区坐标系中的实际位姿换算成机械臂运动坐标系中的实际位姿；

将探头在机械臂运动坐标系中的实际位姿带入机械臂控制系统，机械臂将带动探头移动到目标位姿。

6.根据权利要求5所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，还包含步骤：

将位姿定标工装与探头固定连接，并建立两者的相对坐标系；

两台测量相机对位姿定标工装做双目测量，得出位姿定标工装在测量区坐标系中的实际位姿；

通过位姿定标工装与探头的相对坐标系和位姿定标工装在测量去坐标系的实际位姿，测出探头在测量区坐标系中的实际位姿。

7.根据权利要求6所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，所述探头的端部为矩形，使用经纬仪对探头的端部矩形四角点和位姿定标工装进行测量并建立相对坐标系。

8.根据权利要求5～7任意一项所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，

探头固定连接在机械臂前端；

位姿定标工装固定安装在探头上；

机械臂带动天线在固定区域内运动；

被测天线固定座将被测天线固定在探头指向的方向；

两台所述测量相机呈夹角观测天线的运动区域。

9.根据权利要求8所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，

所述探头与被测天线正对；

两台所述测量相机笼罩的观测区域朝向探头和被测天线的侧面。

10.根据权利要求8所述天线方向图近场测量方法，其特征在于，所述位姿定标工装包含测量靶和支撑杆；

所述支撑杆一端连接在天线上，支撑杆方向与天线法向垂直，另一端垂直连接测量靶底部。

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