CN116930627A - 一种多探头平面近场测量方法、系统、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
一种多探头平面近场测量方法、系统、设备及介质，方法包括：将待测天线AUT与探头分别进行摆放，使探头的中心处于待测天线AUT扫描面的中心；使用探头对待测天线AUT进行扫描得到实测数据，对实测数据进行校准，得到平面近场数据；将平面近场数据通过平面多探头补偿算法，得到待测天线AUT的平面波谱，将待测天线AUT的平面波谱带入平面波谱与远场的关系式，得到待测天线AUT的远场数据；将待测天线AUT的远场数据在平面波谱与远场的关系式中的球坐标系下的坐标θ和的均匀网格下进行输出，得到多探头平面近场测量结果；系统、设备及介质，用于实现多探头平面近场测量方法；本发明具有测量时间短、测量结果准确的特点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种多探头平面近场测量方法、系统、设备及介质。
背景技术
在天线的平面近场测量中，一般采用单探头扫描系统如开口波导探头，来扫描待测天线AUT的近场分布，扫描面为平面，探头在平面上均匀分布的网格点上进行采样。为了获得足够的近场信息并减小截断误差，通常要求扫描平面足够大且采样点的间隔足够小即小于半个波长，使得每次测量需要很长的时间。
为了提高扫描效率，将单探头扫描系统改进为多探头扫描系统，但是多探头扫描系统与单探头扫描系统存在本质的区别。单探头采样时对于测量数据的干扰较小，而且这种干扰可以通过单探头补偿算法基本消除。但是多个探头之间的相互耦合十分复杂，使得它们对于测量数据的干扰比较严重。如果将测量数据采用现有的单探头补偿算法进行处理，那么得到待测天线AUT的方向图的误差将会很大，根本不能用于实际工程中。
文献Analysis of Probe Compensation Techniques for Fast Multi-ProbePlanar Near Field Measurements(F.Saccardi et al.,"Analysis of ProbeCompensation Techniques for Fast Multi-Probe Planar Near Field Measurements"2021Antenna Measurement Techniques Association Symposium(AMTA),Daytona Beach,FL,USA,2021,pp.1-6,do:10.23919/AMTA52830.2021.9620698.)提供了两种测量方法，其中，第一种方法是计算各个探头方向图的平均值(The first method is based on thepattern characterization of asufficient number of different probes which isexploited to compute the average probe pattern(APP).)，第二种方法是让多探头阵列中某一个探头的方向图作为等效的多探头方向图(The second method is based onthe on-site calibration of the multi-probe array to retrieve an EMPP able torepresent the behavior ofthe entire probe array.)。两种方法的核心思想都是忽略多个探头之间平面波谱的差异，将多探头的平面波谱等效为单探头的平面波谱。这样多探头问题被化简为传统的单探头补偿问题。由于两种方法都做了近似等效，因此都无法准确的计算出待测天线的远场数据。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多探头平面近场测量方法、系统、设备及介质，采用平面多探头补偿算法，从待测天线AUT与探头间的耦合方程出发，将耦合方程化简并整理得到一个极化分量相互分离的积分方程，将积分方程离散化为矩阵方程形式，该矩阵方程可通过矩阵求逆的方式求出待测天线AUT的平面波谱，最终得到多探头平面近场测量结果，因此具有测量时间短、测量结果准确的特点。
一种多探头平面近场测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测天线AUT与探头分别进行摆放，使得探头的中心处于待测天线AUT扫描面的中心；
步骤2：使用探头对待测天线AUT进行扫描得到实测数据，对实测数据进行校准，得到平面近场数据；
步骤3：将步骤2得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，得到待测天线AUT的平面波谱，将待测天线AUT的平面波谱带入平面波谱与远场的关系式，得到待测天线AUT的远场数据；
步骤4：将步骤3得到的待测天线AUT的远场数据在步骤3中所述的平面波谱与远场的关系式中的球坐标系下的坐标θ和的均匀网格下进行输出，得到多探头平面近场测量结果。
所述步骤1的具体过程为：
调整待测天线AUT与探头的摆放位置，确保待测天线AUT口面与探头口面平行，同时保证待测天线AUT口面与探头的几何中心位于同一水平线上，且探头位于待测天线AUT的近场区，此时探头处于待测天线AUT的扫描面的中心。
所述步骤2的具体过程为：
使用步骤1处于待测天线AUT扫描面中心的探头对待测天线AUT进行扫描，得到待测天线AUT的实测数据，使用探头对标准天线进行扫描得到校准数据，实测数据减去校准数据得到平面近场数据。
所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1：将步骤2得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，求出待测天线AUT的平面波谱；具体如下：
由互易定理得待测天线AUT与探头间的耦合方程：
其中，ω为角频率，μ为磁导率，P(r)为探头的接收信号，T(kx,ky)和G(k'x,k'y)为待测天线AUT和探头的平面波谱，为待测天线AUT扫描面上的点，d为扫描平面与待测天线AUT口面的距离，k'＝-k，/> 为矢量波数，kx，ky为独立变量，/>
将式(1)中待测天线AUT平面波谱与探头平面波谱的矢量点乘在直角坐标系下展开化简：
其中，Tx(k)和Ty(k)分别为待测天线AUT平面波谱T(k)的x方向和y方向分量；gx(k,r)和gy(k,r)是以k和r为自变量的两个函数；
其中，Gx(k',r)和Gy(k',r)分别为探头平面波谱G(k',r)的x方向和y方向分量；
将式(3)直接离散化展开得：
其中，P1,P2,P3,……,Pm表示P(r)的不同值，k1,k2,k3,.....,kn表示k的不同值，r1,r2,r3,……,rm表示r的不同值；
将式(6)写为矩阵形式：
Pm×1＝gm×nTn×1 (7)
其中，gm×n为矩阵，行向量r为自变量，列向量k为自变量，其中r包含x,y两个独立变量，k包含kx,ky两个独立变量；
待测天线AUT的平面波谱表示为：
T＝g+P (8)
其中，g+表示矩阵gm×n的广义逆矩阵，矩阵T包含Tx和Ty两个分量,根据gm×n矩阵可得T的前n/2个点为Tx，后n/2个点为Ty；
步骤3.2：将步骤3.1得到的待测天线AUT的平面波谱带入到式(2)，得到待测天线AUT的远场数据，式(2)为：
平面波谱与远场的关系表示为：
其中，r,θ,为球坐标系下的坐标，/>kz＝kcosθ，k为波数。
一种多探头平面近场测量系统，包括：
测量模块：包括处于待测天线AUT的扫描面中心的探头，探头对待测天线AUT进行扫描，校准，得到平面近场数据；
近远场变化模块：将得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，得到待测天线AUT的平面波谱，将待测天线AUT的平面波谱带入平面波谱与远场的关系式，得到待测天线AUT的远场数据；
输出模块：将得到的待测天线AUT的远场数据，在步骤3中所述的平面波谱与远场的关系式中的球坐标系下的坐标θ和的均匀网格下进行输出，得到多探头平面近场测量结果。
一种多探头平面近场测量设备，包括：
存储器：用于存储实现所述的一种多探头平面近场测量方法的计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的一种多探头平面近场测量方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现一种多探头平面近场测量方法。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明由于提出的平面多探头补偿算法，与现有的算法相比，由于平面多探头补偿算法是从待测天线AUT与探头间的耦合方程出发，将耦合方程化简并整理得到一个极化分量相互分离的积分方程，再将积分方程离散化并写为矩阵方程形式，该矩阵方程可通过矩阵求逆的方式求出待测天线AUT的平面波谱，最终得到多探头平面近场测量结果，没有忽略多个探头之间平面波谱的差异，同时克服了单探头测量时间长的缺点，因此具有测量时间短、测量结果准确度高的特点。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明中的多探头测量系统原理图。
图3是本发明中的机械扫描示意图，其中，图3(a)为移动整个探头系统的距离对比图，图3(b)为移动扫描间隔的距离对比图。
图4是本发明中的gm×m矩阵示意图。
图5是本发明中的仿真测试几何模型，其中，图5(a)为y极化方向测量模型图，图5(b)为x极化方向测量模型图。
图6是单个探头以及10个探头扫描时近场的主极化分量幅值示意图，其中，图6(a)为单个探头扫描时近场的主极化分量幅值示意图，图6(b)为10个探头扫描时近场的主极化分量幅值示意图。
图7是本发明中x＝0以及y＝0时近场的主极化分量幅值图，其中，图7(a)为x＝0时近场的主极化分量幅值图，图7(b)为y＝0时近场的主极化分量幅值图。
图8是本发明中的YOZ面远场方向图。
图9是本发明中的XOZ面远场方向图。
图10是本发明中远场相位图，其中，图10(a)为参考结果示意图，图10(b)为本发明方法输出结果示意图，图10(c)为中心探头补偿示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细叙述。
参见图1，一种多探头平面近场测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测天线AUT与探头分别进行摆放，使得探头的中心处于待测天线AUT扫描面的中心；所述步骤1的具体过程为：调整待测天线AUT与探头的摆放位置，确保待测天线AUT口面与探头口面平行，同时保证待测天线AUT口面与探头的几何中心位于同一水平线上，且探头位于待测天线AUT的近场区，此时探头处于待测天线AUT的扫描面的中心；
参见图2，为多探头测量的原理图，在测量之前要调整待测天线AUT与探头的摆放位置，确保待测天线AUT与探头的几何中心位于同一水平线上，同时要保证探头口面垂直于z轴且距待测天线AUT口面的距离为d，由于各个探头到信号源的路径长短不同，因此衰减和相移都有差别，这个差别必须在使用前通过校准过程测出，并保存为一个文件，后续扫描过程中，每个探头测量的数据都必须减去这个数值，以保证所有探头测量数据的一致性。
步骤2：使用探头对待测天线AUT进行扫描得到实测数据，对实测数据进行校准，得到平面近场数据；所述步骤2的具体过程为：使用步骤1处于待测天线AUT扫描面中心的探头对待测天线AUT进行扫描，得到待测天线AUT的实测数据，使用探头对标准天线进行扫描得到校准数据，实测数据减去校准数据得到平面近场数据。
多探头测量系统中，探头扫描过程由电子扫描代替传统的机械扫描，此时仍要求扫描面尺寸大于待测天线AUT的口面尺寸，而且采样点之间的间隔满足采样定理，本发明采用的是多探头扫面次数少于单探头系统，因此具有测量时间短、测量结果准确的特点。
参见图3，为多探头系统在水平方向上进行机械扫描示意图，可以看出：探头系统不仅需要移动图3(a)所示的整个水平距离，还要每次移动一个特定的距离，如图3(b)所示，这样才可以保证对整个测量平面的完整扫描。
步骤3：将步骤2得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，得到待测天线AUT的平面波谱，将待测天线AUT的平面波谱带入平面波谱与远场的关系式，得到待测天线AUT的远场数据；具体为：
步骤3.1：将步骤2得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，求出待测天线AUT的平面波谱；
步骤3.1：将步骤2得到平面近场数据通过平面多探头补偿算法，求出待测天线AUT的平面波谱；
所述的平面多探头补偿算法是从待测天线AUT与探头间的耦合方程出发，将耦合方程化简并整理得到一个极化分量相互分离的积分方程，再将积分方程离散化并写为矩阵方程形式，通过矩阵求逆的方式求出待测天线AUT的平面波谱，具体如下：
由互易定理得待测天线AUT与探头间的耦合方程：
其中，ω为角频率，μ为磁导率，P(r)为探头的接收信号，T(kx,ky)和G(k'x,k'y)为待测天线AUT和探头的平面波谱，为待测天线AUT扫描面上的点，d为扫描平面与待测天线AUT口面的距离，k'＝-k，/> 为矢量波数，kx，ky为独立变量，/>
将式(1)中待测天线AUT平面波谱与探头平面波谱的矢量点乘在直角坐标系下展开化简：
其中，Tx(k)和Ty(k)分别为待测天线AUT平面波谱T(k)的x方向和y方向分量；gx(k,r)和gy(k,r)是以k和r为自变量的两个函数；
其中，Gx(k',r)和Gy(k',r)分别为探头平面波谱G(k',r)的x方向和y方向分量；
将式(3)直接离散化展开得：
其中，P1,P2,P3,……,Pm表示P(r)的不同值，k1,k2,k3,.....,kn表示k的不同值，r1,r2,r3,……,rm表示r的不同值；
将式(6)写为矩阵形式：
Pm×1＝gm×nTn×1 (7)
其中，gm×n为矩阵，行向量r为自变量，列向量k为自变量，其中r包含x,y两个独立变量，k包含kx,ky两个独立变量；
参见图4，为gm×n矩阵示意图，行向量r为自变量，列向量k为自变量，其中，r包含x,y两个独立变量，k包含kx,ky两个独立变量，为了计算方便，矩阵左侧为gx，右侧为gy；
待测天线AUT的平面波谱表示为：
T＝g+P (8)
其中，g+表示矩阵gm×n的广义逆矩阵，矩阵T包含Tx和Ty两个分量,根据gm×n矩阵可得T的前n/2个点为Tx，后n/2个点为Ty；
步骤3.2：将步骤3.1得到的待测天线AUT的平面波谱带入到式(2)，得到待测天线AUT的远场数据，式(2)为：
平面波谱与远场的关系表示为：
其中，r,θ,为球坐标系下的坐标，/>kz＝kcosθ，k为波数。
步骤4：将步骤3得到的待测天线AUT的远场数据在步骤3中所述的平面波谱与远场的关系式中的球坐标系下的坐标θ和的均匀网格下进行输出，得到多探头平面近场测量结果。
参见图5，利用电磁仿真软件对步骤3所述的多探头补偿算法进行仿真测试的几何模型示意图，多探头结构由10个八木天线构成，待测天线AUT为10×10平面泰勒阵，图5(a)为多探头平面近场测量系统几何模型，对应y极化方向探头的测量情况，图5(b)多探头平面近场测量系统几何模型，对应x极化方向探头的测量情况，工作频率为3GHz，待测天线AUT阵位于XOY面，最大辐射方向为Z轴的正方向，探头在距待测天线AUT 4λ的平面上进行均匀扫描，扫描面大小为40λ×50λ，扫描间隔为λ/2。
参见图6，图6(a)和图6(b)分别为单个探头和10个探头在近场平面上扫描所得近场的主极化分量幅值，可以看出，单个探头和10个探头在近场平面上扫描所得近场的主极化分量幅值之间存在一定的差异，也进一步说明了不同扫描位置探头波谱的不同直接影响了近场测量的数据。
参见图7，图7(a)为单个探头和10个探头扫描时近场在x＝0主极化分量的幅值图，图7(b)为单个探头和10个探头扫描时近场在y＝0在主极化分量的幅值图，单个探头和10个探头扫描时近场的主极化分量幅值之间有着明显的差距，因此单探头结构与多探头结构之间存在本质的区别，因此本发明考虑到上述区别，测量结果更加准确。
参见图8，为YOZ面远场方向图，图中横坐标为俯仰角，纵坐标为归一化方向图，三条线分别为参考结果、现有的算法结果以及本发明中的算法结果，可以看出本发明算法结果与现有的算法结果在主瓣和前两个副瓣上都是比较准确的，在第三副瓣上本发明算法结果更加准确，在第四副瓣上本发明算法结果与现有的算法结果都出现了较大的误差；主瓣为图中最强的辐射区，副瓣为与主瓣分离的辐射较弱的区域，从离主瓣最近的左右两个副瓣到离主瓣最远的左右两个副瓣依次为第一至第四副瓣。
参见图9，为XOZ面远场方向图，图中横坐标为方位角，纵坐标为归一化方向图，三条线分别为参考结果、现有的算法结果以及本发明算法结果，可以看出，本发明算法结果与参考结果在主瓣和前三个副瓣上都非常吻合，在第四副瓣上存在较大的误差，而现有的算法结果只有在主瓣上比较准确，其他副瓣的误差都较大；在远场方向图的两个切面上第四副瓣的误差都较大的主要原因是近场扫描的截断误差；主瓣为图中最强的辐射区，副瓣为与主瓣分离的辐射较弱的区域，从离主瓣最近的左右两个副瓣到离主瓣最远的左右两个副瓣依次为第一至第四副瓣。
参见图10，为远场相位图，图10(a)为远场相位参考结果图，横坐标为方位角，纵坐标为俯仰角，图10(b)为本发明中算法的远场相位图，横坐标为方位角，纵坐标为俯仰角，图10(c)为中心探头补偿算法的远场相位图，横坐标为方位角，纵坐标为俯仰角，从图中可以看出相较于图10(c)中心探头补偿算法的远场相位图,图10(b)本发明中算法的远场相位图与图10(a)远场相位参考结果图更加一致，因此说明本发明算法的远场相位分布与参考结果基本一致，且优于现有的算法的远场相位分布，说明本发明测量结果精确。
一种多探头平面近场测量系统，包括：
测量模块：包括处于待测天线AUT的扫描面中心的探头，探头对待测天线AUT进行扫描，校准，得到平面近场数据；
近远场变化模块：将得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，得到待测天线AUT的平面波谱，将待测天线AUT的平面波谱带入平面波谱与远场的关系式，得到待测天线AUT的远场数据；
输出模块：将得到的待测天线AUT的远场数据，在步骤3中所述的平面波谱与远场的关系式中的球坐标系下的坐标θ和的均匀网格下进行输出，得到多探头平面近场测量结果。
一种多探头平面近场测量设备，包括：
存储器：用于存储实现所述的一种多探头平面近场测量方法的计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的一种多探头平面近场测量方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现一种多探头平面近场测量方法。
Claims (7)
1.一种多探头平面近场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待测天线AUT与探头分别进行摆放，使得探头的中心处于待测天线AUT扫描面的中心；
步骤2：使用探头对待测天线AUT进行扫描得到实测数据，对实测数据进行校准，得到平面近场数据；
步骤3：将步骤2得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，得到待测天线AUT的平面波谱，将待测天线AUT的平面波谱带入平面波谱与远场的关系式，得到待测天线AUT的远场数据；
步骤4：将步骤3得到的待测天线AUT的远场数据在步骤3中所述的平面波谱与远场的关系式中的球坐标系下的坐标θ和的均匀网格下进行输出，得到多探头平面近场测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种多探头平面近场测量方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：
调整待测天线AUT与探头的摆放位置，确保待测天线AUT口面与探头口面平行，同时保证待测天线AUT口面与探头的几何中心位于同一水平线上，且探头位于待测天线AUT的近场区，此时探头处于待测天线AUT的扫描面的中心。
3.根据权利要求1所述的一种多探头平面近场测量方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
使用步骤1处于待测天线AUT扫描面中心的探头对待测天线AUT进行扫描，得到待测天线AUT的实测数据，使用探头对标准天线进行扫描得到校准数据，实测数据减去校准数据得到平面近场数据。
4.根据权利要求1所述的一种多探头平面近场测量方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1：将步骤2得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，求出待测天线AUT的平面波谱；具体如下：
由互易定理得待测天线AUT与探头间的耦合方程：
其中，ω为角频率，μ为磁导率，P(r)为探头的接收信号，T(kx,ky)和G(k'x,k'y)为待测天线AUT和探头的平面波谱，为待测天线AUT扫描面上的点，d为扫描平面与待测天线AUT口面的距离，k'＝-k，/> 为矢量波数，kx，ky为独立变量，/>
将式(1)中待测天线AUT平面波谱与探头平面波谱的矢量点乘在直角坐标系下展开化简：
其中，Tx(k)和Ty(k)分别为待测天线AUT平面波谱T(k)的x方向和y方向分量；gx(k,r)和gy(k,r)是以k和r为自变量的两个函数；
其中，Gx(k',r)和Gy(k',r)分别为探头平面波谱G(k',r)的x方向和y方向分量；
将式(3)直接离散化展开得：
其中，P1,P2,P3,……,Pm表示P(r)的不同值，k1,k2,k3,.....,kn表示k的不同值，r1,r2,r3,……,rm表示r的不同值；
将式(6)写为矩阵形式：
Pm×1＝gm×nTn×1 (7)
其中，gm×n为矩阵，行向量r为自变量，列向量k为自变量，其中r包含x，y两个独立变量，k包含kx，ky两个独立变量；
待测天线AUT的平面波谱表示为：
T＝g+P (8)
其中，g+表示矩阵gm×n的广义逆矩阵，矩阵T包含Tx和Ty两个分量，根据gm×n矩阵可得T的前n/2个点为Tx，后n/2个点为Ty；
步骤3.2：将步骤3.1得到的待测天线AUT的平面波谱带入到式(2)，得到待测天线AUT的远场数据，式(2)为：
平面波谱与远场的关系表示为：
其中，r，θ，为球坐标系下的坐标，/>kz＝kcosθ，k为波数。
5.一种多探头平面近场测量系统，其特征在于，包括：
测量模块：包括处于待测天线AUT的扫描面中心的探头，探头对待测天线AUT进行扫描，校准，得到平面近场数据；
近远场变化模块：将得到的平面近场数据通过平面多探头补偿算法，得到待测天线AUT的平面波谱，将待测天线AUT的平面波谱带入平面波谱与远场的关系式，得到待测天线AUT的远场数据；
输出模块：将得到的待测天线AUT的远场数据，在步骤3中所述的平面波谱与远场的关系式中的球坐标系下的坐标θ和的均匀网格下进行输出，得到多探头平面近场测量结果。
6.一种多探头平面近场测量设备，其特征在于，包括：
存储器：用于存储实现权利要求1-4所述的一种多探头平面近场测量方法的计算机程序；
处理器：用于执行所述计算机程序时实现权利要求1-4所述的一种多探头平面近场测量方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现权利要求1-4所述的一种多探头平面近场测量方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310918512.5A CN116930627A (zh) | 2023-07-25 | 2023-07-25 | 一种多探头平面近场测量方法、系统、设备及介质 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310918512.5A CN116930627A (zh) | 2023-07-25 | 2023-07-25 | 一种多探头平面近场测量方法、系统、设备及介质 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116930627A true CN116930627A (zh) | 2023-10-24 |
Family
ID=88393877
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310918512.5A Pending CN116930627A (zh) | 2023-07-25 | 2023-07-25 | 一种多探头平面近场测量方法、系统、设备及介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116930627A (zh) |
-
2023
- 2023-07-25 CN CN202310918512.5A patent/CN116930627A/zh active Pending
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