基于波谱展开与幅度项补偿的线阵天线近场直线测量方法

1.本发明属于天线测量领域，涉及一种线阵天线近场测量方法，具体涉及一种基于波谱展开与幅度项补偿的通过直线采样实现的线阵天线近场测量方法，可用于线阵天线的设计、研发与维护。


背景技术：

2.一维线性天线阵列在基站天线设计、相控阵设计等技术设计领域有着广泛的应用，而一维线性阵列天线的研发、设计和维护都离不开近场测量技术。通常对阵列天线进行近场测量时需要使用三维采样扫描的近场测量方法，而由于一维线性天线阵列主要是关注组阵维度切面的方向图特性，因此一维线性天线阵列可采用二维简化的二维单切面的近场测量方法，相比于三维方法改善了测量效率，而二维单切面的近场测量方法在采样方式上通常可分为直线测量方法和圆周测量方法。对于直线测量方法，通常是通过直线采样方法采集待测天线阵列中心工作频率的离散近场电场信号，将获得的离散信号还原为连续的近场电场信号，再对该信号进行傅里叶逆变换获得波谱展开式，最终对中心工作频率点波谱展开式进行远场外推，获取单切面远场方向图。近场测量的测量效率以及结果准确性对天线设计工作有着至关重要的影响，故而对高效高精准度近场测量的研究十分重要。
3.然而，目前学界所提出的二维单切面的近场测量方法仍是基于传统波谱模式展开的理论，理论上的二维问题与真实情况下二维简化的三维问题之间存在一定的差别，会导致测量出现误差。例如xi li于2020年在期刊ieee transactions on antennas and propagation第68卷，第5号，第2-3页的文章《fast determination of single-cut far-field pattern of base station antenna at a quasi-far-field distance》中，公开了一种利用波谱展开快速确定线性天线阵列二维单切面的近场测量新方法，该方法首先获取线性阵列天线中心频率的近场电场信号的波谱展开式，然后对该波谱展开式进行远场外推，再对远场外推结果进行了固定增益补偿，最终得到单切面远场方向图。测量结果与真实远场比较，最大相对误差在-20db。相比于传统测量方法，该方法在一定程度上提高了测量精度，但是其存在的不足在于：真实的二维问题在垂直维度上无限均匀延伸，而二维简化的三维问题在垂直维度上满足远场条件，这两者之间分别对应不同的格林函数衰减项，在数学表达上体现为相差一阶导数，因此如果将二维问题中的波谱展开直接用于二维简化的三维问题的测量中，就会导致外推远场的幅度项具有一定的误差，影响测量的准确性，固定补偿不能有效解决该问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于波谱展开与幅度项补偿的线阵近场直线测量方法，用于解决现有技术中存在的因幅度项误差导致的测量精度较低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
6.(1)获取线性阵列天线三个工作频率点的近场电场信号：
7.(1a)初始化分布在平面直角坐标系内的线性阵列天线的中心工作频率点为f0，沿以与线性阵列天线平行的y方向为采样方向，采样点与线性阵列天线之间在x方向的距离为d，采样间距为δy；
8.(1b)计算线性阵列天线的两个差分工作频率点f1＝f0+δf和f2＝f
0-δf，并在频率点f0、f1、f2下对线性阵列天线的近场区域分别进行c次直线近场采样，得到直线离散电场信号集合u0＝{u
01
,u
02
,...,u
0c
,...,u
0c
}、u1＝{u
11
,u
12
,...,u
1c
,...,u
1c
}、u2＝{u
21
,u
22
,...,u
2c
,...,u
2c
}，然后通过奈奎斯特采样定理对直线离散电场信号集合u0、u1、u2分别进行还原变换，得到连续的近场电场信号u0(d,y)、u1(d,y)、u2(d,y)，其中，δf∈[0.001mhz,100mhz]，δy≤10λ0，λ0表示线性阵列天线中心工作频率的波长，y表示直线近场采样信号在y轴上的坐标；
[0009]
(2)获取差分近场电场信号：
[0010]
对频率点f1、f2下的近场电场信号u1(d,y)、u2(d,y)进行差分，得到差分近场电场信号u3(d,y)：
[0011]
u3(d,y)＝u1(d,y)-u2(d,y)；
[0012]
(3)获取线性阵列天线两个近场电场信号的波谱展开式：
[0013]
对中心工作频率点f0下的近场电场信号u0(d,y)和差分近场电场信号u3(d,y)分别进行傅里叶逆变换，实现对u0(d,y)、u3(d,y)的波谱展开，得到中心工作频率点波谱展开式a0(ky)和差分波谱展开式a3(ky)；
[0014]
(4)对线性阵列天线两个近场电场信号的波谱展开式进行远场外推：
[0015]
对中心工作频率点波谱展开式a0(ky)和差分波谱展开式a3(ky)分别进行远场外推，得到极坐标轴下以为角度坐标的中心工作频率点单切面远场方向图和差分单切面远场方向图
[0016]
(5)获取线性阵列天线的近场直线测量结果：
[0017]
通过差分单切面远场方向图对中心工作频率点的单切面远场方向图进行补偿，得到单切面远场方向图
[0018][0019]
其中a为补偿系数，a∈[0,1]。
[0020]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0021]
本发明在获取线性阵列天线的近场直线测量结果的过程中，首先获取线性阵列天线两个近场电场信号的波谱展开式，然后对两个波谱展开式进行远场外推，再利用外推得到的差分单切面远场方向图对中心工作频率点的单切面远场方向图进行补偿，以获取单切面远场方向图，避免了现有技术采用对中心工作频率点波谱展开式进行远场外推获取单切面远场方向图导致的幅度项误差较大的缺陷，有效提高了测量精度。
附图说明
[0022]
图1是本发明的实现流程图。
[0023]
图2是本发明对线性阵列天线的近场区域进行直线近场采样示意图；
[0024]
图3是本发明所获得的单切面远场方向图的仿真结果图。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
[0026]
参照图1，本发明包括如下步骤：
[0027]
步骤1)获取线性阵列天线三个工作频率点的近场电场信号：
[0028]
(1a)线性阵列天线由21个单元的半波长间距偶极子组成，分布在平面直角坐标系内且以天线几何中心为原点，沿着y轴放置，阵列后方半波长处有1
×
6波长的金属反射板，线性阵列天线的中心工作频率点为f0，波长λ0，在本实施例中，f0＝10ghz，λ0＝0.03m；
[0029]
(1b)沿与线性阵列天线平行的y方向为采样方向，采样点与线性阵列天线之间在x方向的距离为d，采样间距为δy；为了得到幅度项补偿所需要的差分单切面远场方向图，需要以差分频率δf计算线性阵列天线的两个差分工作频率点f1＝f0+δf和f2＝f
0-δf，并在频率点f0、f1、f2下对线性阵列天线的近场区域分别进行c次直线近场采样，得到直线离散电场信号集合u0＝{u
01
,u
02
,...,u
0c
,...,u
0c
}、u1＝{u
11
,u
12
,...,u
1c
,...,u
1c
}、u2＝{u
21
,u
22
,
…
,u
2c
,...,u
2c
}，为在后续进行远场外推时得到连续的远场方向图，需要通过奈奎斯特采样定理对直线离散电场信号集合u0、u1、u2分别进行还原变换，得到连续的近场电场信号u0(d,y)、u1(d,y)、u2(d,y)，计算公式为：
[0030][0031]
其中p∈{0,1,2}，m∈{1,2,...,c}，π为圆周率，y表示直线近场采样信号在y轴上的坐标；
[0032]
在本实施例中d＝10λ0＝0.3m，δy＝0.4λ0＝0.012m，δf＝0.01ghz，f1＝f0+δf＝10.01ghz，f2＝f
0-δf＝9.99ghz，c＝80；
[0033]
步骤2)获取差分近场电场信号：
[0034]
后续幅度项补偿需要用中心频点处的单切面远场方向图一阶导数数据作为补偿项，该方向图一阶导数数据可近似为两个频率点的差分近场电场变换为的差分远场方向图，因此需要对频率点f1、f2下的近场电场信号u1(d,y)、u2(d,y)进行差分，得到差分近场电场信号u3(d,y)：
[0035]
u3(d,y)＝u1(d,y)-u2(d,y)；
[0036]
步骤3)获取线性阵列天线两个近场电场信号的波谱展开式：
[0037]
对中心工作频率点f0下的近场电场信号u0(d,y)和差分近场电场信号u3(d,y)分别进行傅里叶逆变换，实现对u0(d,y)、u3(d,y)的波谱展开，得到中心工作频率点波谱展开式a0(ky)和差分波谱展开式a3(ky)，计算公式为：
[0038][0039]
[0040]
其中，n∈{0,3}，e表示自然对数，j表示虚数，k表示中心工作频率点f0下的波数且k＝2π/λ0，k
x
、ky分别表示k在x轴、y轴的分量；在本实施例中k＝209；
[0041]
步骤4)对线性阵列天线两个近场电场信号的波谱展开式进行远场外推：
[0042]
对中心工作频率点波谱展开式a0(ky)和差分波谱展开式a3(ky)分别进行远场外推，得到极坐标轴下以为角度坐标的中心工作频率点单切面远场方向图和差分单切面远场方向图计算公式为：
[0043][0044]
步骤5)获取线性阵列天线的近场直线测量结果：
[0045]
真实的二维问题在垂直维度上无限均匀延伸，而二维简化的三维问题在垂直维度上满足远场条件，这两者之间分别对应不同的格林函数衰减项，在数学表达上体现为相差一阶导数，而对于频点处的方向图一阶导数数据，可近似为该频点附近两个频率点的差分近场电场变换为的差分远场方向图，因此通过差分单切面远场方向图对中心工作频率点的单切面远场方向图进行补偿，可以得到单切面远场方向图该方向图更接近真实远场方向图，具体计算公式为：
[0046][0047]
其中a为补偿系数，a∈[0,1]；本实施例中a＝0.5。
[0048]
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明。
[0049]
1.仿真条件和内容：
[0050]
仿真采用商业电磁仿真软件feko完成。
[0051]
对本发明所获得的单切面远场方向图进行仿真，其结果如图3所示。
[0052]
2.仿真结果分析：
[0053]
参照图3，横坐标轴表示单切面方向图的角度，纵坐标表示单切面方向图的归一化增益值，两边竖直划线的横坐标表示仿真的有效角域范围，图中实线表示真实远场单切面方向图，点虚线表示本方法得到的单切面远场方向图，短划线表示本方法得到的单切面远场方向图与真实远场单切面方向图的相对误差，可看出有效角域内最大相对误差在-55db以下，该值越小表示误差越小，与现有技术相比本方法的相对误差降低了-35db。
[0054]
以上描述仅为本发明的具体实例，仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明构成任何限制，显然本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些在本发明思想下修改或者替换均属于本发明的保护范围。