CN116840576A - 一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，包括步骤S100：评测射频系统自身的不确定度以及步骤S200：评估由射频系统的非线性在球面近场方向性图测量中引入的不确定度。在步骤S200中，根据正确球面近场数据，内插得到对应的误差数据作为干扰项，添加到正常球面近场测量数据中；进行球面近场‑远场变换，比较干扰前后的差别，作为由射频系统综合非线性引入的不确定度。本发明通过一次评估得到球面近场‑远场变换以后的远场方向性图的不确定度，且能够适应各微波器件之间相关性对不确定度的影响。本发明能够借助于球面近场‑远场变换程序，可以把射频系统引入的不确定度方便地转化为远场方向性图的不确定度。
Description
技术领域
本发明属于球面近场测试的技术领域，具体涉及一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法。
背景技术
天线是无线电领域中的一种关键部件，它能够把仪器中的信号(导行波)辐射到空间中(自由空间波)，也能够接收空间中的电磁波，把看不见摸不着的电磁波转化成导行波信号并用测量接收机完成测量。人们正是借助于天线这一关键转换器，才能操控电磁波进行无线通信、远距离探测、遥感成像等众多应用。
人们为了地利用天线来更精确地操控电磁波，需要通过实际测量的方式来获得天线在导行波信号与空间电磁波之间的转换特性——天线辐射特性。综合描述天线辐射特性的参数是三维天线辐射方向性图(以下简称方向性图)。方向性图测量得越精准，越利于人们精准的控制电磁波实现预期目的，例如用于构成相控阵雷达探测敌机等。天线发展到了今天，其结构和外形都日益复杂化，成为了一个复杂的系统，故此称之为天线系统。天线系统的方向性图通常需要通过实测才能够得到准确的结果。
天线测量技术有漫长的演变过程。测量天线系统的方向性图时，基本要求是用一个天线照射到待测天线系统上，然后记录其不同姿态下的响应；这种随姿态变换的响应关系正是方向性图。为了得到准确的方向性图，发射天线需要距离待测天线(下文称之为AUT)足够远的距离，故此得名远场法。所需远场距离与待测天线口径的平方成正比，与波长成反比；因此当天线系统尺寸变大、波长变短(即频率变高)以后，这种距离要求将非常苛刻，达几百乃至几千千米。为了克服这种苛刻要求，出现了近场扫描法。目前，有三种基本的近场扫描法：平面近场法、柱面近场和球面近场(下文简称为SNF)。后者的截断误差最小，因此可以构建出最精密的近场测量方法，尤其适用测量宽波束天线系统。
就一套实际的球面近场天线测量系统而言，有多种因素会影响到测量结果的准确程度，业界常用测量不确定度来描述。在航天、遥感等领域，人们迫切地想获得测量结果的准确程度，因此渴求逐一精细地研究各种影响因素带来的影响。其中，有一类重要因素是射频系统，包括：矢量网络分析仪(Vector Network Analyzers，VNA)、射频线缆、旋转关节和衰减器等。如图1所示，典型的球面近场射频系统采用VNA直连，未通过外混频系统。
美国国家技术与标准研究院(National Institute of Standards andTechnology，NIST)的专家Allen Newell在1988年提出了平面近场法测量天线方向性图的不确定度分析方法，其中包含了射频系统非线性引入的不确定度评估的内容。国际标准“Recommended Practice for Near-Field Antenna Measurements”(IEEE Std 1720TM-2012)也介绍了相应的不确定度评定方法。
但是，具体到球面近方向性图测量的不确定度评估，由射频系统引入的不确定度分量是其中重要的组成部分，目前已有技术存在以下两方面问题：
(1)因为球面近场-远场变换算法的复杂度远超平面近场-远场变换算法，现有基于平面近场法推导的不确定度评定方法不适用于球面近场。
(2)需要对射频系统的各组成部分进行一体化评估：射频系统不仅包含了测量仪器，而且包含了诸多微波器件，如射频线缆、旋转关节等。Allen Newell等并未提出一种一体化评估方法，仅逐一单独评估出各个器件之的不确定度再进行合成，需要假定各个器件之间不确定度分量是相互独立的，但实际上这种假定只能近似成立。例如，当电缆与矢量网络分析仪相连时，射频连接器之间的阻抗匹配状态与单独计量射频电缆时是不同的。如图1所示，至少有9个射频线缆连接位置，因此会出现至少9个阻抗匹配状态，通常其匹配状态是不同的，假定其相同时会降低评估结果的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，旨在通过一次评估得到球面近场-远场变换以后的远场方向性图的不确定度，且能够适应各微波器件之间相关性对不确定度的影响。
本发明主要通过以下技术方案实现：
一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，包括以下步骤：
步骤S100：评测射频系统自身的不确定度；
步骤S200：评估由射频系统的非线性在球面近场方向性图测量中引入的不确定度：
步骤S210：利用近场探头在两个极化下采集到的球面近场数据和/>都为三维数组，按照公式(4)进行球面近场-远场变换，得到远场数据
其中，为方位角，
θ为极角，
r为球面近场扫描的半径，
γ为探头的极化角，
f为电磁波的频率，
t为系统链路损耗和其他常数，
为探头的复传输函数，
H0为与距离r和频率f有关的常数，
为待测天线的复传输函数矢量；
步骤S220：根据球面近场数据计算干扰项和/>
步骤S230：根据公式(9)和公式(10)把近场数据和分别加入干扰项/>和/>得到/>和/>
步骤S240：把和/>带入公式(4)进行球面近场-远场变换，得到远场数据
步骤S250：按照公式(5)计算得到由射频系统综合非线性引入的不确定度：
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S250中，把受到干扰以后的射频系统的不确定度，转化为球面近场法天线方向性图的不确定度：
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S100包括以下步骤：
步骤S110：按照正常流程完成一次完整的球面近场法天线方向性图测试；完成球面近场远场变换；根据所得近场数据，估算所需射频系统的实际线性期间，确定所需动态范围；
步骤S120：将射频系统中的待测天线和探头拆除，并替换为带旋转关节的步进衰减器，确定好射频电缆连接情况和所需衰减量值；
步骤S130：将带旋转关节的步进衰减器拆除，采用衰减基准进行衰减量值的标定；采用相移基准完成相移量的标定；
步骤S140：把步进衰减器重新连接到系统上，根据步骤S110中确定的动态范围，把步进衰减器的衰减值调整到所需最小衰减量；
步骤S150：按照球面近场数据采集方法测量数据，但在每一个角度位置需要遍历所需衰减数量值；
把不同衰减值下采集的数据与在步进衰减值为0时的数据相比，进行归一化；
把测量所得数据与步进衰减器的参考衰减值和参考相移值作比较，得到误差数据；得到所需射频系统自身的不确定度。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S150包括以下步骤：
步骤A1：在探头极化角μ＝0时，在测量程序中，按照球面近场扫描法设置好转台定位器的参数设置和数据采集参数的设置，其中包含了步进衰减器的软件控制模块；
步骤A2：在方位角θ＝0、滚动轴时，把步进衰减器的衰减值调整为A0；完成全频段数据采集，该数据称之为参考数据；
步骤A3：改变步进衰减器的衰减值At，直到完成所需衰减量值下的数据采集工作，把步进衰减器在每一个衰减状态下测量所得数据减去步骤A2所得的参考数据，结果设为
其中，γ为探头的极化角，r为球面近场扫描的半径，f为电磁波的频率；
步骤A4：10)在方位轴θ＝0～180°、滚动轴范围内，重复步骤A3，得到四维数组/>
步骤A5：11)探头极化角改为μ＝90°时，重复步骤A3～步骤A4，得到四维数组
步骤A6：将步骤A3～步骤A4测量所得复数数据，与步进衰减器的标准衰减量和相移值做比较，得到一个四维数组
步骤A7：将步骤A5测量所得复数数据与步进衰减器的标准衰减量和相移值做比较，得到一个四维数组
为了更好地实现本发明，进一步地，在步骤A4中，方位轴和滚动轴的步进范围设为球面近场扫描步进角度范围的整数倍，以便节省时间，或者与球面近场实测角度间隔相同。
为了更好地实现本发明，进一步地，在步骤S150中，扫描角度步进值选为评审角度间隔的整数倍。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S100中，重复步骤S150，判断是否存在系统误差，若存在，则进行修正，把修正后的残余不确定度作为射频系统引入的不确定度。
本发明的原理如下：
如图2所示，待测天线(AUT)位于坐标系(x,y,z)中，其口面中心位于坐标系原点。当其机械视轴指向z轴时θ＝0；为对应的球坐标系，其中/>为方位角，θ为极角，r为球面近场扫描的半径；设AUT的极化角度为μ，对于线性极化天线，可假定当μ＝0时为水平极化，μ＝90°时为垂直极化；f是电磁波的频率。
采用矢量网络分析仪测量所得传输系数的系统链路，如图3所示。可用式(1)近似表示。
其中，
t为系统链路损耗和其他常数，用线性表示。
γ表示探头的极化角，可假定γ＝0时为水平极化，γ＝90°时为垂直极化；
为待测天线的复传输函数矢量，如式(2)所示。
为探头的复传输函数；
H0为与距离r和频率f有关的常数。
式(1)仅在距离r满足式(3)时，近似符号≈才能变成等号＝。
在远场区，天线辐射方向性图的主极化和交叉极化，可分别用和/>来表示。
如果探头在AUT的辐射近场区按照奈奎斯特采样率进行采样，得到AUT辐射近场区完整球面上的信息，然后进行复杂的球面近场-远场变换此时有
在变换过程中，需要事先获得探头的复传输函数/>常数H0以及整个球面上当探头在γ＝0和γ＝90°探头两个状态下采样的数据/>和/>
黑箱模型映射关系如图4所示，由于数据量庞大(如128×64个复数)，而且球面近场-远场变换过程异常复杂，很难获得一个建立/>(即/>的不确定度)与/>(即的不确定度)之间的关系，即根据式(4)无法写出一个关于/>与/>的不确定度的显式。
此时，当输入数据集由变为：
相应地，输出数据集由变化为/>如图5所示。
则输入数据集受到干扰以后，输出数据的变化量由式(5)所示。
把式(5)进一步写出，即可得到式(6)。
式(6)清晰地描述了如何把受到干扰以后的射频系统的不确定度和/>转化为球面近场法天线方向性图的不确定度；即结合实测数据和球面近场-远场变换程序，能够方便地计算出最终远场方向图的不确定度。
此时，
本发明的有益效果如下：
本发明能够在原位开展一体化计量工作。球面近场法测量系统中的射频系统包含了矢量网络分析仪、射频电缆、旋转关节等众多精密仪器和微波器件。通常射频系统的各组成部分会事先安装在复杂的硬件设施中，不易拆卸。即使勉强拆卸，其拆卸后的状态也可能会与实测状态出现不可控的偏差。本发明能够在原位开展计量，不仅避免了不方便拆卸射频器件的麻烦，而且能够最接近实测状态下评估出其引入的不确定度分量。本发明建立起了一个清晰的计算过程，能够借助于球面近场-远场变换程序，能够把射频系统引入的不确定度方便地转化为远场方向性图的不确定度。
附图说明
图1为典型的球面近场射频系统的原理示意图；
图2为由AUT和探头构成的射频系统的原理示意图；
图3为由矢量网络分析仪、待测天线探头构成的射频系统的原理示意图；
图4为球面近场-远场变换黑箱模型示意图；
图5为输入数据集加入干扰项以后的输出数据集的映射关系示意图；
图6为把AUT与探头取走，并替换为精密步进衰减器的射频系统的原理示意图；
图7为本发明原位评估方法的流程图。
具体实施方式
实施例1：
一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤S100：评测射频系统自身的不确定度；
步骤S200：评估由射频系统的非线性在球面近场方向性图测量中引入的不确定度：
根据正确球面近场数据，内插得到对应的误差数据作为干扰项，添加到正常球面近场测量数据中；进行球面近场-远场变换，比较干扰前后的差别，作为由射频系统综合非线性引入的不确定度。
优选地，所述步骤S100包括以下步骤：
步骤S110：按照正常流程完成一次完整的球面近场法天线方向性图测试；完成球面近场远场变换；根据所得近场数据，估算所需射频系统的实际线性期间，确定所需动态范围；
步骤S120：将射频系统中的待测天线和探头拆除，并替换为带旋转关节的步进衰减器，确定好射频电缆连接情况和所需衰减量值；
步骤S130：将带旋转关节的步进衰减器拆除，采用衰减基准进行衰减量值的标定；采用相移基准完成相移量的标定；
步骤S140：把步进衰减器重新连接到系统上，根据步骤S110中确定的动态范围，把步进衰减器的衰减值调整到所需最小衰减量；
步骤S150：按照球面近场数据采集方法测量数据，但在每一个角度位置需要遍历所需衰减数量值；
把不同衰减值下采集的数据与在步进衰减值为0时的数据相比，进行归一化；
把测量所得数据与步进衰减器的参考衰减值和参考相移值作比较，得到误差数据；得到所需射频系统自身的不确定度。
本发明能够在原位开展一体化计量工作。球面近场法测量系统中的射频系统包含了矢量网络分析仪、射频电缆、旋转关节等众多精密仪器和微波器件。通常射频系统的各组成部分会事先安装在复杂的硬件设施中，不易拆卸。即使勉强拆卸，其拆卸后的状态也可能会与实测状态出现不可控的偏差。本发明能够在原位开展计量，不仅避免了不方便拆卸射频器件的麻烦，而且能够最接近实测状态下评估出其引入的不确定度分量。本发明建立起了一个清晰的计算过程，能够借助于球面近场-远场变换程序，能够把射频系统引入的不确定度方便地转化为远场方向性图的不确定度。
实施例2：
一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，包括以下步骤：
整体分为如下2个阶段。
A)评测射频系统自身的不确定度
1)梳理整个射频系统，包含全部射频电缆及其连接和走线方式、与天线定位器一起运动的射频电缆移动方式、旋转关节所在位置及其数量、分别与AUT和近场探头连接的射频线缆及其端口类型。
2)按照正常流程完成一次完整的球面近场法天线方向性图测试；完成球面近场远场变换；根据所得近场数据，估算所需射频系统的实际线性期间，确定所需动态范围。
3)如图6所示，确保可以把连接到AUT和近场探头的两个射频端口比较靠近，从而在两个端口之间连接一个精密步进衰减器(内置一个精密旋转关节)，确定好对应的射频接头种类；在连接过程中，需要确保射频线缆的走线和摆动方式与AUT的安装和拆卸、探头极化方式切换、球面近场扫描在线缆的移动方式尽可能接近。
4)调整精密步进衰减器，确保其能够承受相应的功率等级；当信号源的输出功率非常大时，需要配置好相应的大功率衰减器，并将其作为步进衰减器的一部分。
5)拆下精密步进衰减器，采用衰减基准进行衰减量值的标定；采用相移基准完成相移量的标定。
6)把精密步进衰减器重新链接到系统上，根据第2)步中确定的动态范围，把步进衰减器的衰减值调整到所需最小衰减量。
需要注意的是，测量中的精密步进衰减器的连线及射频接头比较保持与第5)步中的完全相同，且温湿度也尽可能相同。
7)在探头极化角μ＝0时，在测量程序中，按照球面近场扫描法设置好转台定位器的参数设置和数据采集参数的设置，其中包含了步进衰减器的软件控制模块。
8)在方位角θ＝0、滚动轴时，把步进衰减器的衰减值调整为A0；完成全频段数据采集，该数据称之为参考数据。
9)改变步进衰减器的衰减值At，如增加10dB(此时At＝A0+10)，直到完成所需衰减量值下的数据采集工作，把步进衰减器在每一个衰减状态下测量所得数据减去步骤8)所得数据，结果设为
10)在方位轴θ＝0～180°、滚动轴范围内，重复步骤9)，得到四维数组其中方位轴和滚动轴的步进范围可设为球面近场扫描步进角度范围的整数倍，以便节省时间。也可以与球面近场实测角度间隔相同。
11)探头极化角改为μ＝90°时，重复步骤9)～10),得到四维数组
12)将步骤9)～10)测量所得复数数据(包含幅度和相位)，与步进衰减器的标准衰减量和相移值做比较，得到一个四维数组，设为
13)将步骤11)测量所得复数数据(包含幅度和相位)与步进衰减器的标准衰减量和相移值做比较，得到一个四维数组，设为
通常情况下，经过以上步骤即可得到所需射频系统自身的不确定度。通过上述2个四维数组表征了整个射频系统的综合性能，包含了以下不确定度分量：①矢量网络分析仪VNA的非线性；②旋转关节#1～#3的非线性；③射频线缆弯折摆动以后的稳定性；④自球面近场测量开始至结束的时间段内整个射频系统的稳定性。
必要时，可以重复步骤7)～13)，查看是否存在系统偏差。如果存在则进行修正，可把修正后的残余不确定度作为射频系统引入的不确定度。
B)评估由射频系统的非线性在球面近场方向性图测量中引入的不确定度
1)利用近场探头在两个极化下采集到的球面近场数据和都为三维数组，按照式(4)进行球面近场-远场变换，得到远场数据/>
2)根据球面近场数据计算干扰项和/>
3)把近场数据和/>分别加入干扰/>和
4)把和/>带入式(4)进行球面近场-远场变换，得到远场数据/>
5)按照式(5)计算得到由射频系统综合非线性引入的不确定度。
本发明能够在原位开展一体化计量工作。球面近场法测量系统中的射频系统包含了矢量网络分析仪、射频电缆、旋转关节等众多精密仪器和微波器件。通常射频系统的各组成部分会事先安装在复杂的硬件设施中，不易拆卸。即使勉强拆卸，其拆卸后的状态也可能会与实测状态出现不可控的偏差。本发明能够在原位开展计量，不仅避免了不方便拆卸射频器件的麻烦，而且能够最接近实测状态下评估出其引入的不确定度分量。本发明建立起了一个清晰的计算过程，能够借助于球面近场-远场变换程序，能够把射频系统引入的不确定度方便地转化为远场方向性图的不确定度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：评测射频系统自身的不确定度；
步骤S200：评估由射频系统的非线性在球面近场方向性图测量中引入的不确定度：
步骤S210：利用近场探头在两个极化下采集到的球面近场数据和都为三维数组，按照公式(4)进行球面近场-远场变换，得到远场数据
其中，为方位角，
θ为极角，
r为球面近场扫描的半径，
γ为探头的极化角，
f为电磁波的频率，
t为系统链路损耗和其他常数，
为探头的复传输函数，
H0为与距离r和频率f有关的常数，
为待测天线的复传输函数矢量；
步骤S220：根据球面近场数据计算干扰项和/>
步骤S230：根据公式(9)和公式(10)把近场数据和/>分别加入干扰项/>和/>得到/>和/>
步骤S240：把和/>带入公式(4)进行球面近场-远场变换，得到远场数据/>
步骤S250：按照公式(5)计算得到由射频系统综合非线性引入的不确定度：
2.根据权利要求1所述的一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，其特征在于，所述步骤S250中，把受到干扰以后的射频系统的不确定度，转化为球面近场法天线方向性图的不确定度：
3.根据权利要求1或2所述的一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，其特征在于，所述步骤S100包括以下步骤：
步骤S110：按照正常流程完成一次完整的球面近场法天线方向性图测试；完成球面近场远场变换；根据所得近场数据，估算所需射频系统的实际线性期间，确定所需动态范围；
步骤S120：将射频系统中的待测天线和探头拆除，并替换为带旋转关节的步进衰减器，确定好射频电缆连接情况和所需衰减量值；
步骤S130：将带旋转关节的步进衰减器拆除，采用衰减基准进行衰减量值的标定；采用相移基准完成相移量的标定；
步骤S140：把步进衰减器重新连接到系统上，根据步骤S110中确定的动态范围，把步进衰减器的衰减值调整到所需最小衰减量；
步骤S150：按照球面近场数据采集方法测量数据，但在每一个角度位置需要遍历所需衰减数量值；
把不同衰减值下采集的数据与在步进衰减值为0时的数据相比，进行归一化；
把测量所得数据与步进衰减器的参考衰减值和参考相移值作比较，得到误差数据；得到所需射频系统自身的不确定度。
4.根据权利要求3所述的一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，其特征在于，所述步骤S150包括以下步骤：
步骤A1：在探头极化角μ＝0时，在测量程序中，按照球面近场扫描法设置好转台定位器的参数设置和数据采集参数的设置，其中包含了步进衰减器的软件控制模块；
步骤A2：在方位角θ＝0、滚动轴时，把步进衰减器的衰减值调整为A0；完成全频段数据采集，该数据称之为参考数据；
步骤A3：改变步进衰减器的衰减值At，直到完成所需衰减量值下的数据采集工作，把步进衰减器在每一个衰减状态下测量所得数据减去步骤A2所得的参考数据，结果设为
其中，γ为探头的极化角，r为球面近场扫描的半径，f为电磁波的频率；
步骤A4：10)在方位轴θ＝0～180°、滚动轴范围内，重复步骤A3，得到四维数组
步骤A5：11)探头极化角改为μ＝90°时，重复步骤A3～步骤A4，得到四维数组
步骤A6：将步骤A3～步骤A4测量所得复数数据，与步进衰减器的标准衰减量和相移值做比较，得到一个四维数组
步骤A7：将步骤A5测量所得复数数据与步进衰减器的标准衰减量和相移值做比较，得到一个四维数组
5.根据权利要求4所述的一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，其特征在于，在步骤A4中，方位轴和滚动轴的步进范围设为球面近场扫描步进角度范围的整数倍，以便节省时间，或者与球面近场实测角度间隔相同。
6.根据权利要求3所述的一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，其特征在于，在步骤S150中，扫描角度步进值选为评审角度间隔的整数倍。
7.根据权利要求3所述的一种球面近场测量中射频系统不确定度原位评估方法，其特征在于，所述步骤S100中，重复步骤S150，判断是否存在系统误差，若存在，则进行修正，把修正后的残余不确定度作为射频系统引入的不确定度。
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