一種任意曲面掃描的近場天線測量方法與流程

2023-05-18 16:11:46 1

本發明屬於微波測量
技術領域：
，涉及一種任意曲面掃描的近場天線測量方法。
背景技術：
：天線測量技術主要包括遠場測量，緊縮場測量和近場測量三種。遠場測量是一種非常成熟的技術，但其缺點是不能測量天線的三維方向圖，往往需要很大的外場，容易受到外界幹擾，且保密性不高。緊縮場測量是在近距離內將饋源發出的球面波通過準直元件轉換為平面波，從而模擬遠場測試的方法。緊縮場測量的設備運行及維護費用較高，誤差分析非常複雜且難以修正，空間利用率不高。近場測量則不存在上述缺點。近場測量一般是在暗室中放置待測天線，然後在距離待測天線3到10個波長的一個包圍面上用一個已知特性的小探頭進行掃描獲取天線的近區電磁場數據，再經過近遠場變換算法得到天線的遠場特性。近場測量需要的場地較小，不受外界電磁環境影響，安全保密，而且可以全天候工作。如果能夠合理的設計機械控制軟體並妥善處理各種測量誤差，那麼近場測量的精度甚至會優於遠場測量。特別是對於窄波束的天線陣往往只能採用近場測量得到其方向圖中較低的副瓣。根據掃描的包圍面形狀不同，一般將近場測量分為平面近場測量，柱面近場測量，球面近場測量三種技術。這三種測量技術分別採用不同的測量設施，對於測量的近場數據採用三種不同的近遠場變換算法得到遠場數據。比如申請號為201410536441.3的中國專利根據平面波展開理論，針對平面近場掃描得到一個平面柵格上離散場的振幅和相位等信息，利用二維快速傅立葉變換進行波譜的快速計算。申請號為201410429761.9的中國專利是基於柱面近場掃描成像的反向散射截面測量方法。申請號為201310153288.1的中國專利根據球面波展開理論，針對球面近場掃描得到離散場的信息，利用快速傅立葉變換加速球面波展開係數的計算，然後由球面波函數算出遠場方向圖。其公式涉及球漢克爾函數、連帶的勒讓德多項式，以及大量三角函數，因此計算分析比較複雜。可見，現有近場測量方法中的近遠場變換算法只能分別針對三種典型掃描面，不能針對任意掃描面，而且這些算法往往比較複雜，編程時非常繁瑣。技術實現要素：本發明解決的問題在於提供一種任意曲面掃描的近場天線測量方法，能夠適用於任意曲面掃描的近場測試方法，其掃描面不局限於平面、柱面和球面。本發明是通過以下技術方案來實現：一種任意曲面掃描的近場天線測量方法，包括以下操作：1)將待測天線放置在轉臺上，在微波暗室中利用可移動的探頭，對該天線的一個包圍面上的近場電場進行測量；在測量初始時轉臺處於度，探頭沿著設定的運動軌跡方向開始掃描，每隔Δθ度測量一次電場，包括方向的分量和方向的分量，探頭運動至運動軌跡的末端後第一次的數據採樣完成；然後轉臺旋轉度，按照相同的測量方法探頭沿著運動軌跡完成下一次的數據採樣；反覆旋轉轉臺後利用探頭掃描，直到探頭完成度的掃描，數據採樣完畢；其中，探頭測量到的採樣點分布滿足其中λ為待測天線的工作波長，a為包圍待測天線的運動軌跡的最大半徑；2)採樣點視為在參數空間中均勻分布的若干個點，每個採樣點上有一個複數電場矢量，該採樣點的電場在球坐標系中分解為如下兩個復分量：然後通過雙線性插值計算任意點的電場，該點被周圍四個採樣點所包圍，其電場分別為E11、E12、E21、E22，那麼該點的電場表示為：3)在獲取天線包圍面上任意點的切向電場後，根據惠更斯等效原理計算天線的遠場電場表示為：其中，矢量是從源點指向觀察點的矢徑，表示觀察點坐標，表示源點坐標，而R＝|r-r'|表示這兩點之間的距離；S為遠場的面積。所述的探頭改變其運動軌跡能夠形成不同的掃描面，當所述的運動軌跡為圓形時則形成球面掃描，所述的運動軌跡為直線時則形成柱面掃描，所述的運動軌跡為不規則的曲線則形成任意的旋轉曲面掃描。所述的探頭的運動軌跡為圓形，其球面掃描的數據採集為：在測量初始時轉臺處於度，探頭沿著圓形軌跡的方向從0度開始掃描直到180度停止，每隔Δθ度測量一次球面上切向的電場，包括方向的分量和方向的分量，其中方向和方向相垂直，第一次的數據採樣完成；然後轉臺旋轉度，按照相同的測量方法探頭沿著方向完成下一次的數據採樣；反覆旋轉轉臺後利用探頭掃描，直到探頭完成度的掃描，球面掃描的數據採樣完畢。所述的每個採樣點處探頭測得的數據是四個實數，分別為Hreal、Himag、Vreal和Vimag。當探頭所述的運動軌跡為圓形時形成球面掃描，根據遠場的面積S的積分形式改變，則遠場電場表示為：當探頭所述的運動軌跡為任意的旋轉曲面，將其表示成兩個參數u,v的函數，其中0<u,v<1，根據遠場的面積S的積分形式改變，則遠場電場表示為：與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：本發明提供的任意曲面掃描的近場天線測量方法，通過旋轉的圓臺來帶動天線的旋轉，以及可移動的探頭來進行掃描，其可以具有圓形、直線和任意曲面的運動方式，從而能夠適用於任意曲面掃描的近場測試方法，其掃描面不局限於平面、柱面和球面，而是可取任意曲面；可以測量各種類型的天線。而現有技術只能針對平面掃描、柱面掃描和球面掃描三種典型的掃描方式，不能針對任意掃描面進行測量。而且現有的三種掃描方式分別採用不同的測量設施，用於不同類型的天線的測量。本發明提供的任意曲面掃描的近場天線測量方法，將採樣點視為在參數空間中均勻分布的若干個點，然後通過雙線性插值計算任意點的電場，從而根據惠更斯等效原理計算天線的遠場電場，其近遠場變換簡單方便、容易實現。而現有的三種掃描方式中測得的數據要通過三種不同的近遠場變換算法得到遠場數據，而且其中柱面近遠場變換和球面近遠場變換的算法非常複雜。附圖說明圖1為球面近場測量的結構示意圖；圖2為參數空間中均勻分布的採樣點；圖3為雙線性插值計算矩形區域內任意點的場；圖4為惠更斯等效原理中的內部區域和外部區域；圖5為十元泰勒陣與球形掃描面；圖6為天線陣的3D方向圖；圖7為天線陣xoz面的方向圖；圖8為天線陣xoy面的方向圖。具體實施方式下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。一種任意曲面掃描的近場天線測量方法，包括以下操作：1)將待測天線放置在轉臺上，在微波暗室中利用可移動的探頭，對該天線的一個包圍面上的近場電場進行測量；在測量初始時轉臺處於度，探頭沿著設定的運動軌跡方向開始掃描，每隔Δθ度測量一次電場，包括方向的分量和方向的分量，探頭運動至運動軌跡的末端後第一次的數據採樣完成；然後轉臺旋轉度，按照相同的測量方法探頭沿著運動軌跡完成下一次的數據採樣；反覆旋轉轉臺後利用探頭掃描，直到探頭完成度的掃描，數據採樣完畢；2)採樣點視為在參數空間中均勻分布的若干個點，每個採樣點上有一個複數電場矢量，該採樣點的電場在球坐標系中分解為如下兩個復分量：然後通過雙線性插值計算任意點的電場，該點被周圍四個採樣點所包圍，其電場分別為E11、E12、E21、E22，那麼該點的電場表示為：3)在獲取天線包圍面上任意點的切向電場後，根據惠更斯等效原理計算天線的遠場電場(遠區輻射場)表示為：其中，矢量是從源點指向觀察點的矢徑，表示觀察點坐標，表示源點坐標，而R＝|r-r'|表示這兩點之間的距離；S為遠場的面積。參見圖1，下面以球面近場測量為例介紹本發明：1、測量過程(1)將待測天線(AUT)放置在轉臺上，轉臺處於度處。(2)探頭沿著方向從0度開始掃描直到180度停止，每隔Δθ度測量一次球面上切向的電場，包括方向的分量和方向的分量。(3)轉臺旋轉度，此時重複步驟(2)中的測量過程。(4)反覆旋轉轉臺並掃描探頭，直到度時數據採樣完畢。上面給出的是球面掃描的情況，其實只要有一個轉臺和一個能夠運動的探頭，改變探頭的運動軌跡就能夠形成不同的掃描面。如果探頭沿著平行於z軸的一條直線運動得到的就是個柱面，如果探頭沿著一條不規則的曲線運動，那麼得到的就是個任意的旋轉曲面。2、測量數據的整理假定測出包圍待測天線的球面(半徑為a)的切向電場探頭測量到的採樣點分布滿足採樣定理：這些採樣點可以看成是在參數空間中均勻分布的若干個點，如圖2所示。每個採樣點上有一個複數電場矢量，該電場在球坐標系中可以分解為如下兩個復分量也就是說每個採樣點處探頭測得的數據是四個實數，如表1所示。表1球面掃面時測量數據的格式PhiThetaH_REALH_IMAGV_REALV_IMAG0-165-0.00000016-0.00000003-0.07830998-0.058797960-150-0.00000033-0.00000003-0.09816328-0.101382170-135-0.000000440.00000000-0.04615771-0.10400262………………除了這些離散的採樣點之外，球面上任意一點的電場可以通過雙線性插值得到。如圖3所示球面上某個點的坐標為該點被周圍四個採樣點所包圍(其電場分別表示為E11、E12、E21、E22)，那麼該點的電場可以表示為：3、近遠場變換公式已知包圍面上任意點的切向電場後，根據惠更斯等效原理(參見圖4)可以算出遠場為：其中表示觀察點坐標，表示源點坐標；矢量是從源點指向觀察點的矢徑，而R＝|r-r'|表示這兩點之間的距離；j為虛數符號；e＝2.71828是自然常數；k＝2π/λ表示波數，λ＝3*108/f表示波長，f是天線的工作頻率；π＝3.1415926表示圓周率。如果是球面近場掃描，那麼所述遠場的面積S的積分公式相應改變，則遠場電場表述為：如果掃描面為任意的旋轉曲面，只要將曲面表示成兩個參數u,v的函數，其中0<u,v<1，那麼遠場的面積S的積分公式相應改變，則遠場電場表述為：下面給出具體的測量實施例。對於工作頻率3Ghz，由10根半波振子構成泰勒分布的天線陣，其方向圖的第一副瓣-20dB。採用本發明的數據採集方法，可以得到圖5所示的球形掃描面，由近區電場通過惠更斯等效原理計算得到遠場方向圖，其中3D方向圖如圖6所示。作為對比採用用矩量法(MOM)中計算得到的近區電場模擬近場測量所得的數據。在矩量法中取半徑為0.8米的球面作為掃描面計算出近區電場。兩者的檢測結果對比分別如圖7所示天線陣xoz面的方向圖、圖8所示天線陣xoy面的方向圖，可見近遠場變換的結果與矩量法計算的結果完全一致，證明了本發明的方法的有效性。以上給出的實施例是實現本發明較優的例子，本發明不限於上述實施例。本領域的技術人員根據本發明技術方案的技術特徵所做出的任何非本質的添加、替換，均屬於本發明的保護範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp