CN116106643A - 一种测量天线方向性系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量天线方向性系数的方法。本发明首先利用室外远场法测量待测天线接收的载波功率大小；然后关闭信号源射频输出，转动待测天线至天顶方向，依次将待测天线置入常温负载噪声环境和天顶晴空噪声环境中，分别测量系统输出的归一化噪声功率；接着，由测量的载波功率和系统输出的归一化噪声功率计算归一化载噪比；最后，由测量的归一化载噪比计算天线方向性系数。本发明的方法简单易行，具有推广和应用价值。

Description

一种测量天线方向性系数的方法
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是指一种天线方向性系数的测量方法。
背景技术
天线方向性系数也叫方向性增益，它定义为在辐射功率相同情况下，天线在空间球坐标(θ,φ)方向上的辐射强度与理想点源的辐射强度之比。天线方向性系数可以理解为天线聚集电磁波能量程度大小的度量，是天线的核心性能指标之一，因此精确测量天线方向性系数是非常重要的。天线方向性系数传统测量方法是通过测量天线的空间立体方向图，利用数值积分法计算天线的方向性系数。天线方向图传统测量方法是远场法；随着天线测量技术的发展，近场法和紧缩场法在天线方向图测量中也获得了广泛地应用。通过天线方向图测量确定天线方向性系数具有如下局限性：
1、在传统的远场测量方法中，测量天线完整的立体方向图，需要建立复杂的测试系统，且测量效率低；地面和测试环境的多重反射对天线方向图的远旁瓣影响很大；
2、在近场测量中，平面近场和柱面近场无法测量完整空间立体方向图，球面近场可测量天线整个空间立体方向图，但是测试系统非常昂贵；
3、在紧缩场中，紧缩场测量天线方向图原理同传统的远场法，测量天线完整的空间立体方向图，测试系统复杂，且测量效率低，建立紧缩场天线测试系统亦非常昂贵。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提出一种测量天线方向性系数的方法。该方法简单方便，易于实施，适合不同类型的天线方向性系数测量。
本发明采用的技术方案为：
一种测量天线方向性系数的方法，包括以下步骤：
步骤1，利用室外远场法测量待测天线接收的载波功率大小；
步骤2，关闭信号源射频输出，转动待测天线至天顶方向，依次将待测天线置入常温负载噪声环境和天顶晴空噪声环境中，分别测量系统输出的归一化噪声功率，并分别计算归一化载噪比；
步骤3，由归一化载噪比计算天线方向性系数。
进一步地，步骤1的具体方式为：
在远场条件下，将标准增益喇叭与待测天线对准，并极化匹配，用频谱分析仪测量系统载波功率的大小，用C表示，单位为dBm。
进一步地，步骤2的具体方式为：
关闭信号源的射频输出，将待测天线转动至天顶方向，置入常温负载中，接收常温负载的环境噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率，用Nload表示，单位为dBm/Hz；
然后，将待测天线置入金属反射器中，指向天顶晴空方向，接收天空噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率，用Nsky表示，单位为dBm/Hz；
根据下式计算归一化载噪比：
Figure BDA0004109653430000021
Figure BDA0004109653430000022
式中：
Figure BDA0004109653430000023
―待测天线置入常温负载中，系统输出的归一化载噪比；
C―远场法测量的系统载波功率，单位为dBm；
Nload―待测天线置入常温负载中，系统输出的归一化噪声功率，单位为dBm/Hz；
Figure BDA0004109653430000024
―待测天线置入天顶晴空噪声中，系统输出的归一化载噪比；
Nsky―待测天线置入天顶晴空噪声中，系统输出的归一化噪声功率，单位为dBm/Hz。
进一步地，步骤3中天线方向性系数的计算方式为：
Figure BDA0004109653430000025
式中：
D―天线方向性系数，单位为dBi；
k―波尔兹曼常数，k＝1.38-23J/K；
Lp—标准增益喇叭和待测天线之间的自由空间传播损耗，单位为dB；
GSGH—标准增益喇叭的增益，单位为dBi；
PT—标准增益喇叭的输入功率，单位为dBW；
T0—常温负载的噪声温度，单位为K；
Tsky—天顶方向上晴空噪声温度，单位为K。
进一步地，待测天线与标准增益喇叭之间的距离满足远场测试距离条件，即待测天线和标准增益喇叭之间的距离R≥2d2/λ，其中d为待测天线口径，λ为工作波长。
进一步地，归一化噪声功率测量装置中的金属反射器，用于屏蔽地面噪声的影响，其尺寸应足够大，确保待测天线安装在金属反射器内，且要求待测天线对金属反射器边缘的张角大于或等于待测天线的十分之一半功率波束宽度。
进一步地，载波功率和归一化噪声功率的测量在晴天条件下进行。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、该方法测量天线方向性系数，不需要测量天线的立体方向图，只需要测量天线在常温负载和天顶晴空噪声中系统输出的归一化载噪比，就可确定天线的方向性系数，简单方便。
2、该方法适合不同类型的天线方向性系数测量，具有较好的推广和应用价值。
附图说明
图1是载波功率测量的原理方框图。
图2是归一化噪声功率测量的原理方框图。
具体实施方式
一种测量天线方向性系数的方法，测试系统由信号源、标准增益喇叭、待测天线、低噪声放大器、射频测试电缆、常温负载、金属反射器和频谱分析仪组成。该方法首先用室外远场法测量天线接收的载波功率大小；然后关闭信号源射频输出，转动待测天线至天顶方向，依次将待测天线置入常温负载噪声环境和天顶晴空噪声环境中，分别测量系统输出的归一化噪声功率，并计算归一化载噪比；最后，由归一化载噪比计算天线方向性系数。
在一个具体实施例中，待测天线为平面阵列天线，工作频率范围3.4GHz～4.2GHz，天线极化为线极化。标准增益喇叭为C波段，频率为4GHz的增益为19.5dBi；低噪声放大器为C波段；测试时，标准增益喇叭的输入功率为-40dBW，待测天线和标准增益喇叭之间的自由空间传播损耗为64.5dB；常温负载的噪声温度为300K，4GHz时天顶方向上晴空噪声温度为5K。测量过程如下：
在室外天线远场测试场，安装标准增益喇叭和待测天线，要求标准增益喇叭与待测天线之间的距离满足远场测试距离条件，轴线对准，极化匹配；
信号源发射单载波射频信号，经射频测试电缆传输，由标准增益喇叭发射，经自由空间传播，由待测天线接收，经低噪声放大器放大，用频谱分析仪的码刻功能测量载波信号功率的大小；
然后，关闭信号源的射频输出，将待测天线指向天顶方向，置于常温负载噪声中，接收微波吸波材料的黑体辐射噪声，将频谱分析仪射频输入衰减设置为0dB，用频谱分析仪的码刻噪声测量功能，测量待测天线接收的常温负载的噪声经低噪声放大器放大后，系统输出的归一化噪声功率；
接着，将待测天线置入金属反射器，指向天顶晴空方向，接收天空噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率；
最后，根据载波功率和系统输出的归一化噪声功率，计算归一化载噪比，由此计算天线方向性系数。
在另一个实施例中，该方法的具体步骤如下：
第1步：归一化载噪比测量。如图1所示，在远场条件下，标准增益喇叭与待测天线对准，极化匹配，用频谱分析仪测量系统载波功率的大小，用C表示，单位为dBm；然后，如图2所示，关闭信号源的射频输出，将待测天线转动至天顶方向，置入常温负载中，接收常温负载的环境噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率，用Nload表示，单位为dBm/Hz；最后将待测天线置入金属反射器，指向天顶晴空方向，接收天空噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率，用Nsky表示，单位为dBm/Hz。用下式计算系统输出的归一化载噪比。
Figure BDA0004109653430000041
Figure BDA0004109653430000042
实施例当中，待测天线与标准增益喇叭对准，极化匹配，用频谱分析仪测量的载波功率+20.5dBm；关闭信号源的射频输出，将待测天线转动至天顶方向，置入常温负载中，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率为-125.7dBm/Hz；去掉常温负载，将待测天线置入金属反射器中，指向天顶晴空方向，接收天空噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率为-133.6dBm/Hz。用下式计算系统输出的归一化载噪比：
Figure BDA0004109653430000051
Figure BDA0004109653430000052
第2步：天线方向性系数的计算。由测量的待测天线分别置于常温负载和天顶晴空噪声环境中系统输出的归一化载噪比，利用下式计算天线方向性系数。
Figure BDA0004109653430000053
实施例当中，由测量的待测天线分别置于常温负载和天顶晴空噪声环境中系统输出的归一化载噪比，计算天线方向性系数为：
Figure BDA0004109653430000054
本发明工作原理如下：
该方法首先利用室外远场法测量待测天线接收的载波功率大小；然后关闭信号源射频输出，转动待测天线至天顶方向，依次将待测天线置入常温负载噪声环境和天顶晴空噪声环境中，分别测量系统输出的归一化噪声功率；接着，由测量的载波功率和系统输出的归一化噪声功率计算归一化载噪比；最后，由测量的归一化载噪比计算天线方向性系数。
总之，该方法简单方便，易于实施，适合不同类型的天线方向性系数测量，具有良好的推广应用价值。

Claims (7)

1.一种测量天线方向性系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用室外远场法测量待测天线接收的载波功率大小；
步骤2，关闭信号源射频输出，转动待测天线至天顶方向，依次将待测天线置入常温负载噪声环境和天顶晴空噪声环境中，分别测量系统输出的归一化噪声功率，并分别计算归一化载噪比；
步骤3，由归一化载噪比计算天线方向性系数。
2.根据权利要求1所述的一种测量天线方向性系数的方法，其特征在于，步骤1的具体方式为：
在远场条件下，将标准增益喇叭与待测天线对准，并极化匹配，用频谱分析仪测量系统载波功率的大小，用C表示，单位为dBm。
3.根据权利要求2所述的一种测量天线方向性系数的方法，其特征在于，步骤2的具体方式为：
关闭信号源的射频输出，将待测天线转动至天顶方向，置入常温负载中，接收常温负载的环境噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率，用Nload表示，单位为dBm/Hz；
然后，将待测天线置入金属反射器中，指向天顶晴空方向，接收天空噪声，用频谱分析仪测量系统输出的归一化噪声功率，用Nsky表示，单位为dBm/Hz；
根据下式计算归一化载噪比：
Figure FDA0004109653410000011
Figure FDA0004109653410000012
式中：
Figure FDA0004109653410000013
―待测天线置入常温负载中，系统输出的归一化载噪比；
C―远场法测量的系统载波功率，单位为dBm；
Nload―待测天线置入常温负载中，系统输出的归一化噪声功率，单位为dBm/Hz；
Figure FDA0004109653410000014
―待测天线置入天顶晴空噪声中，系统输出的归一化载噪比；
Nsky―待测天线置入天顶晴空噪声中，系统输出的归一化噪声功率，单位为dBm/Hz。
4.根据权利要求3所述的一种测量天线方向性系数的方法，其特征在于，步骤3中天线方向性系数的计算方式为：
Figure FDA0004109653410000021
式中：
D―天线方向性系数，单位为dBi；
k―波尔兹曼常数，k＝1.38-23J/K；
Lp—标准增益喇叭和待测天线之间的自由空间传播损耗，单位为dB；
GSGH—标准增益喇叭的增益，单位为dBi；
PT—标准增益喇叭的输入功率，单位为dBW；
T0—常温负载的噪声温度，单位为K；
Tsky—天顶方向上晴空噪声温度，单位为K。
5.根据权利要求2所述的一种测量天线方向性系数的方法，其特征在于，待测天线与标准增益喇叭之间的距离满足远场测试距离条件，即待测天线和标准增益喇叭之间的距离R≥2d2/λ，其中d为待测天线口径，λ为工作波长。
6.根据权利要求3所述的一种测量天线方向性系数的方法，其特征在于，归一化噪声功率测量装置中的金属反射器，用于屏蔽地面噪声的影响，其尺寸应足够大，确保待测天线安装在金属反射器内，且要求待测天线对金属反射器边缘的张角大于或等于待测天线的十分之一半功率波束宽度。
7.根据权利要求1所述的一种测量天线方向性系数的方法，其特征在于，载波功率和归一化噪声功率的测量在晴天条件下进行。
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