基于准远场模式滤波的任意极化线天线阵方向图测量方法与流程

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及基于准远场模式滤波的任意极化线天线阵方向图测量方法。


背景技术：

2.具有任意极化特性的线天线阵列，例如45
°
极化基站天线，通常有一维尺寸大和另一维尺寸小；与近场测量相比，远场测量更快、更有效。授权公告号为cn 114966239 b的中国发明专利，公开了基于激励系数变量可分离的准远场测量方法，增加了准远场外推算法的普适性：基于柱面波展开的适用于测量二维天线阵列的方法，增加了准远场外推算法的普适性，且最终得出的天线远场方向图精准；显著提高了天线测试效率：在待测天线的准远场范围内测量，避免了远场测量需求的测试距离大、近场测量效率低的问题，从而显著提高了天线测试效率。显著减小了测量距离：待测天线与探头之间的距离只需满足准远场条件，测试距离显著减小，大大节省了暗室建设的成本。然而，这种方法容易受到裸露金属或墙壁等表面散射的干扰。对于这些天线，开发者仅着重关注单切面远场方向图（通常在e和h平面），因此，需要一种满足上述要求并且无需使用大型微波暗室的进行测量和能够避免多径干扰的有效方法显得非常必要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于准远场模式滤波的任意极化线天线阵方向图测量方法，以解决现有技术中存在的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供参下技术方案：基于准远场模式滤波的任意极化线天线阵方向图测量方法，包括以下技术步骤：步骤一：确定待测天线的准远场测量距离；步骤二：测出天线的准远场位置处某个表面上的幅度和相位；步骤三：通过远场方向图重构技术对测出来的方向图进行修正；步骤四：通过准远场数学吸收反射抑制技术得到最终的远场方向图。
5.优选的，所述步骤一中，计算出待测天线与测试探头之间的距离，准远场测距离满足天线单元的远场距离即可，将天线放置于该距离处的转台上。
6.优选的，所述步骤二中，根据待测天线采样间隔，利用控制计算机控制一个与待测天线工作频率一致且特性已知的测试探头，测出天线的准远场位置处某个表面上的幅度和相位分布。
7.优选的，所述步骤三中，在被测天线偏离原点的情况下进行一维准远场电场测量得到和，其中，和θ均为球坐标下标准坐标系中的变量，通过以下公式（2a）和公式（2b）获取被测天线远场区的分量和分量；
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（2a）
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（2b）其中，k 为自由空间波数，k = 2π/λ是波数，j为虚数单位，n为可设定整数，e为指数的底，和 为柱面波展开系数，和 由以下公式（3a）和公式（3b）定义：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3a）
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（3b）其中，和分别是电场的
ꢀꢀ
分量和 分量，并可由公式（4）得到：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，和定义为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）
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（6）使用上述表达式，若被测天线极化方式是线极化，则被测天线的主极化（）和交叉极化（）表示为：
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（7a）
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（7b）其中是方向主极化和交叉极化之间的极化旋转角，此外，若该被测天线极化方式为圆极化，则该被测天线的左旋圆极化和右旋圆极化可表示为：
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（8a）
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（8b）优选的，所述步骤四中，应用差分相位变化和公式(9)将被测天线转换回测量坐标
系的原点，将转换后的模系数计算为公式（11），使得被测天线在概念上位于测量坐标系的中心，应用带通滤波函数即公式(12)来抑制不必要的高阶柱面模系数，使用公式（13）从柱面模系数计算数学吸收反射抑制算法滤波后的方向图；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）其中，表示测量的坐标系中心与被测天线中心之间的距离偏移矢量，e
t (r
ꢀ→
∞, θ)为测试电场，e
0 (r
ꢀ→
∞, θ)表示以被测天线中心为中心的电场，距离偏移使来自不同位置接收器的源的相位明显不同，这使我们能够从场中去除散射场，数据点的角距用表示，应满足下述条件：
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（10）其中，是将kρ0向下取整函数，n0设置为10，因此，从e
0 (r
ꢀ→
∞, θ)的 和 分量中得到等效的柱面模系数 和 ：
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（11a）
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（11b）其中，满足λ
2 + h
2 = k2；而可设定整数n、极化和傅里叶变量h是复数，通过使用一维快速傅里叶变换，从测量数据中有效地获得可设定整数n和极化和傅里叶变量h，因此，通过使用以下滤波功能稳定地消除相对于ρ
min
外场的任何柱面模系数：
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（12）其中τ ∈ {1，2}。因此，使用滤波后的柱面模系数获取远场方向图，参下：
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（13a）
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（13b）与现有技术相比，本发明的有益效果是：显著减小了测量距离：待测天线与探头之间的距离只需满足准远场条件，测试距离显著减小，大大节省了暗室建设的成本；重构的远场方向图精度高：结合本发明提出的基于准远场模式滤波技术的单切面远场方向图外推测量方法，能够抑制多径干扰，解决了现有天线准远场测量仅能满足线天线阵列的测量，无法抑制多径干扰影响而不能准确得到待测天线方向图的问题，使最终外推的待测天线远场方向图精确度高。
附图说明
8.图1为本发明的坐标系示意图；图2为本发明的待测天线的简化模型示意图；图3为本发明的45
°
线极化理论上的远场方向图与滤波后的远场方向图；图4为本发明的45
°
线极化理论上的远场方向图与滤波后的远场之差方向图；图5为本发明的45
°
线极化理论上的远场方向图与滤波后的远场方向图；图6为本发明的45
°
线极化理论上的远场方向图与滤波后的远场之差方向图。
具体实施方式
9.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
10.下面介绍具体的一个实例：近场数据由频率为3ghz的电偶极子天线组成的线型阵列天线提供，图 2 显示了模型的架构，θ 是指 xoz 平面与 z 轴的夹角，被测天线的偏移矢量为（xa, ya, za），电偶极子元素的数量为n
x
ꢀ×ꢀ
nyꢀ×ꢀ
nz，单元天线沿x轴的间距为d
x
，设置n
y = 1, n
z = 2，由于z方向上的天线单元间距为λ/4，且每个天线单元振幅相等，相移为90
°
，那么天线阵列能够在+z方向辐射，将激励ai干扰源（归一化于被测天线的最大激励）放置在（xi, yi, zi）处以模拟多径干扰，该干扰源不随天线阵列旋转，其中准远场距离为ρ0，参数值详见表1；表1本发明是一种基于准远场模式滤波的任意极化线天线阵方向图测量方法，测量过程中涉及到置于转台之上的待测天线、控制计算机、测试探头、天线测量系统中的测试仪器等，所有的测试探头测试前均特性已知，本发明结合线天线阵列具备一维电大尺寸、一维电小尺寸的特点进行天线准远场测量，包括以下技术步骤：步骤一 确定待测天线的准远场测量距离：本发明适合测量线天线阵列，准远场测距离满足天线单元的远场距离即可，计算出待测天线与测试探头之间的距离，将天线放置于该距离处的转台上；步骤二 测出天线的准远场位置处某个表面上的幅度和相位：根据待测天线采样间隔，利用控制计算机控制一个与待测天线工作频率一致且特性已知的测试探头，测出天线的准远场位置处某个表面上的幅度和相位分布；步骤三 通过远场方向图重构技术对测出来的方向图进行修正：在被测天线偏离原点的情况下进行一维准远场电场测量得到和，其中，和θ均为球
坐标下标准坐标系中的变量，通过公式（2a）和公式（2b）获取被测天线远场区的分量和分量；如图1所示，该种具有一维尺寸大而另一维尺寸小特性被测天线的坐标,该天线是沿x轴设计的线型阵列天线，测量平面为xoz平面,可以看出天线在x方向上长度很长，在y方向上长度很短，这说明 y 方向上满足远场测量的距离，但是，对于x方向，这将是非常困难的，在图1中，是一个典型的圆柱坐标系，因此，y轴是圆柱体围绕被测天线的极轴，天线单元沿x轴以的偏移量均匀排列，相关的辐射方向图在xoz平面中，即y = 0；圆柱体在xoz平面中变形为圆，其中，和θ均为球坐标下标准坐标系中的变量，因此，以原点为中心并围绕整个被测天线的圆柱体的半径用表示，因此以阵列中心为中心并围绕整个被测天线的最小圆柱体的半径标记为。
11.超过的电场写为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中和是系数,和表示矢量波函数，h为极化和傅里叶变量，为微积分中微分算子，此外，推导出电场e
θ (ρ, θ, 0)和e
y (ρ, θ, 0)由下式给出：
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（2a）
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（2b）其中，k 为自由空间波数，k = 2π/λ是波数，j为虚数单位，n为可设定整数，e为指数的底，和 为柱面波展开系数，和 由以下公式（3a）和公式（3b）定义和 定义为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3a）
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（3b）其中，e
θ
(ρ0, θ, 0) 和e
y (ρ0, θ, 0) 分别是电场的
ꢀꢀ
分量和 分量，并可由下式得到：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，和定义为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）
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（6）使用上述表达式，若被测天线极化方式是线极化，则被测天线的主极化（）和交叉极化（）表示为：
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（7a）
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（7b）其中是方向主极化和交叉极化之间的极化旋转角，此外，若该被测天线极化方式为圆极化，则该被测天线的左旋圆极化和右旋圆极化可表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8a）
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（8b）步骤四：通过准远场数学吸收反射抑制技术得到最终的远场方向图；具体为：应用差分相位变化和公式(9)将被测天线转换回测量坐标系的原点，将转换后的模系数计算为公式（11），使得被测天线在概念上位于测量坐标系的中心，应用带通滤波函数即公式(12)来抑制不必要的高阶柱面模系数，使用公式（13）从柱面模系数计算数学吸收反射抑制算法滤波后的方向图；正如上述所说的远场数学吸收反射抑制技术，一旦通过公式（2）获得远场的单切面分量和分量，被测天线就通过相位变换转回测量坐标系原点，即：
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（9）其中表示测量的坐标系中心与被测天线中心之间的距离偏移矢量，e
t (r
ꢀ→
∞, θ)为测试电场，e
0 (r
ꢀ→
∞, θ)表示以被测天线中心为中心的电场，距离偏移使来自不同位置接收器的源的相位明显不同，这使我们能够从场中去除散射场，数据点的角距（用表示）应满足下述条件：
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（10）其中是将kρ0向下取整函数，n0通常设置为10，因此，从e
0 (r
ꢀ→
∞, θ)的 和 分量中得到等效的柱面模系数 和 ：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11a）
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（11b）其中满足λ
2 + h
2 = k2；值得注意的是，可设定整数n、极化和傅里叶变量h是复数，通过使用一维快速傅里叶变换，从测量数据中有效地获得可设定整数n和极化和傅里叶变量h，因此，通过使用以下滤波功能稳定地消除相对于ρ
min
外场的任何柱面模系数：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）其中τ ∈ {1，2}，因此，使用滤波后的柱面模系数获取远场方向图，如：
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（13a）
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（13b）下面通过仿真及其数据对本发明的技术效果再做说明；仿真结果与分析选用一种螺旋阵列天线，圆极化频率为2.2ghz，用于进行测量，该螺旋阵列天线由8个均匀分布的天线组成，整体尺寸为900mm
×
230mm
×
110mm，实验环境的动态范围优于60db；仿真分两步进行：（1）在远场距离处测量天线阵列，即12m处，（2）在2m处测量天线，用固定的圆形金属板作为散射源，以满足准远场条件，在后一种情况下，被测天线的距离偏移为1m，散射源大约放置在探头和被测天线之间的中间，散射源与旋转中心之间的距离为1.8m；45
°
线极化的结果：分析xoy平面中45
°
线极化线型阵列天线的结果，其标准幅度为-30db，在这种情况下，远场距离可以使用远场条件获得，即2d2/λ，其值为18.5m，从图3可以看出，在2.8m（28λ）处45
°
线极化的准远场结果显示出明显的近场特性，准确地来说，主瓣很宽，由于被测天线的距离偏移的存在，其方向偏离了标称值，然而参阅图4，从所提出的准远场-远场变换算法的重建结果中可以注意到，主瓣与理论远场相同。
12.值得一提的是，由于干扰的存在，一些没有滤波的旁瓣并不能完全匹配，在大约70
°
处出现的高瓣就是其表现，但滤波后的远场方向图与理论结果基本一致，对于交叉极化的情况，理论远场模式和滤波后的远场模式如图5所示，而图6显示了理论远场模式和滤波后的远场模式之间的差异。
13.由此可以明确，当准远场区域存在散射源时，测量的方向图与远场方向图有很大不同，然而，通过本发明中准远场-远场变换算法获得的滤波后的方向图与参考远场的方向图具有良好的一致性。
14.本发明中所提出的方法，解决了现有天线准远场测量仅能满足线天线阵列的测量，无法抑制多径干扰影响而不能准确得到待测天线方向图的问题。进一步说，本发明解决
了准远场天线测量无法抑制多径干扰，在干扰环境下不能准确外推线天线阵列远场方向图的技术问题。
15.本发明提出一种基于准远场模式滤波技术的单切面远场方向图外推测量方法，适用于测量线天线阵列，不仅能够提高天线的测试效率，而且能够提高天线的测量精度。 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。