專利名稱：一種陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及陣列天線方向圖測(cè)量技術(shù)，特別涉及陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，天線技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。其中，陣列天線以其饋電激勵(lì)源多樣性、掃描形式靈活性、利于共形設(shè)計(jì)和智能化管理等特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前對(duì)于陣列天線方向圖的測(cè)量，大致可分為近場(chǎng)測(cè)試、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試和緊縮場(chǎng)測(cè)試三種。(1)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。由位于遠(yuǎn)場(chǎng)的發(fā)射天線發(fā)射電磁波，發(fā)射電磁波近似為平面波形式照射到待測(cè)陣列天線，從而在待測(cè)陣列天線端口處檢測(cè)出陣列天線的接收方向圖。但是該方法要求發(fā)射天線和接收天線之間的距離大于r = 2D2/ λ (其中r是測(cè)試場(chǎng)收發(fā)天線之間的距離，D是待測(cè)陣列天線的最大口徑，而λ是測(cè)試頻率的波長)，對(duì)測(cè)試場(chǎng)和測(cè)試成本要求很高；其次，每次測(cè)量只能獲取一種激勵(lì)形式下的陣列方向圖，而對(duì)于多激勵(lì)形式的陣列天線，其陣列方向圖測(cè)試較為艱難。如文獻(xiàn)“Far Field Pattern Analysis and Measurement of A Digital Beam Forming 8x8 Antenna Array Transmitting from 29. 5 to 30GHz (S. Holzwarth, 0. Litschke, W. Simon, K. Kuhlmann, A. F. Jacob, Proc. 2nd European Conference on Antennas and Propagation-EuCAP 2007,Edinburgh,Nov. 2007, Paper Tul. 3. 1) ”中提到了對(duì)陣列天線方向圖的測(cè)量方法。對(duì)于不同的激勵(lì)形式需要分別測(cè)量，降低了測(cè)試的效率，但是需要對(duì)陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，提高了測(cè)試的復(fù)雜度。(2)緊縮場(chǎng)測(cè)試。該方法利用反射面在一個(gè)相對(duì)較小的空間的產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試所需要的平面波，減小了遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試所需要的空間，但由于該方法每次測(cè)量依然只能獲取一種激勵(lì)形式下的陣列方向圖，無法降低多種激勵(lì)的陣列方向圖測(cè)試難度。如文獻(xiàn)“A New Compact Range Facility for Antenna and Radar Target Measurements(M. W. Shields and A. J. Fenn, Lincoln Laboratory Journal, Vol. 16，No. 2,2007) ” 介紹了漢斯科姆空軍基地林肯實(shí)驗(yàn)室的一套緊縮場(chǎng)測(cè)試設(shè)備，主要包括吸波暗室、反射器、天線發(fā)射源和移動(dòng)用機(jī)械裝置。該套緊縮場(chǎng)測(cè)試設(shè)備能夠在400MHz到100GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)陣列天線方向圖的測(cè)量。但緊縮場(chǎng)測(cè)試設(shè)備只能測(cè)試天線的接收方向圖，對(duì)于特定激勵(lì)分布下的天線陣列并不適用。(3)近場(chǎng)測(cè)試。包含兩種方式一種是指在待測(cè)陣列天線被激勵(lì)的情況下，利用近場(chǎng)探針獲取待測(cè)陣列天線的近場(chǎng)輻射方向圖，再通過惠更斯原理計(jì)算其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射方向圖。 該測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)在于所需的測(cè)量場(chǎng)地較小，但也存在多種激勵(lì)的陣列方向圖測(cè)試難的問題；另一種是，每次對(duì)一個(gè)單元激勵(lì)，剩余單元終端匹配的情況下，在近場(chǎng)測(cè)試陣列該單元的發(fā)射方向圖。通過多次測(cè)量，分別獲得每個(gè)單元的方向圖，再應(yīng)用疊加原理得到指定激勵(lì)分布下得陣列方向圖。很明顯，該方式有利于多種激勵(lì)分布下的陣列方向圖測(cè)量，有效地解決了掃描、相控陣在測(cè)試難題。但該方式存在操作上的難題，每個(gè)單元發(fā)射方向圖的測(cè)試過程都需要手動(dòng)變換激勵(lì)端口和匹配端口，一次操作只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元的方向圖測(cè)試，給單元數(shù)目較大的陣列測(cè)試過程帶來不便。文獻(xiàn)"Time Reversal Based Broadband Synthesis Method for Arbitrarily Structured Beam-Steering Arrays(Deshuang Zhao, Yuanwei Jin, Bingzhong Wang, Rui Zang, IEEE Transactions on Antenna Propagation，2011) ” 介紹了一種平面波頻域響應(yīng)單元方向圖的相關(guān)概念及其應(yīng)用價(jià)值。該種單元方向圖充分考慮了陣列環(huán)境和電磁散射等因素的影響，能準(zhǔn)確地反映工作狀態(tài)下各單元的電磁輻射特性。而且，在測(cè)量過程中可以同時(shí)得到各單元間的相位差，有利于整個(gè)陣列方向圖的合成。但該文獻(xiàn)并沒有給出平面波頻率響應(yīng)單元方向圖的具體測(cè)量方法和測(cè)試系統(tǒng)方案。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有陣列天線方向圖測(cè)量方法(系統(tǒng))中的測(cè)試工作繁復(fù)、測(cè)試場(chǎng)地占用空間大的缺陷，提供一種陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法。該方法能快速、高效地完成多種激勵(lì)形式、多個(gè)單元的陣列方向圖的測(cè)量，同時(shí)大大縮減了對(duì)場(chǎng)地的要求，降低了測(cè)量成本。本發(fā)明采用陣列單元接收方向圖測(cè)量法和信號(hào)處理方法相結(jié)合的技術(shù)，首先利用緊縮場(chǎng)裝置，產(chǎn)生均勻平面波照射于陣列天線，一次測(cè)量出陣列天線各個(gè)天線單元的接收方向圖；然后利用陣列方向圖疊加原理，使用數(shù)字信號(hào)處理方法，合成出多種激勵(lì)形式下的陣列方向圖。本發(fā)明技術(shù)方案為一種陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，包括以下步驟步驟1 在微波暗室環(huán)境中，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生頻域信號(hào)，該頻域信號(hào)經(jīng)照射天線向金屬反射面發(fā)射并由金屬反射面反射形成緊縮場(chǎng)平面波，利用該緊縮場(chǎng)平面波照射待測(cè)陣列天線。所述照射天線可采用喇叭天線，位于金屬反射面焦點(diǎn)附近；所述金屬反射面可采用雙曲面形金屬反射面。步驟2 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量在緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的初始入射角度(θ ο，Φ ο)下，待測(cè)陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值S21，記為021)〗。Λ，其中η = 1， 2,3,....N,N為待測(cè)陣列天線的陣列單元總數(shù)。步驟3 改變緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的入射角度，記錄緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的入射角ΦΡ，結(jié)合步驟2測(cè)量每個(gè)入射角下待測(cè)陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值，記為(知)^。步驟4:由于每個(gè)入射角下待測(cè)陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值( )^ 就是待測(cè)陣列天線第η個(gè)陣列單元的在入射角下(θ。φρ的頻率響應(yīng)&㈣肩為)，即 &(C7肩為)=口21)。，所以由待測(cè)陣列天線第η個(gè)陣列單元的頻率響應(yīng)&(C7肩為)，得到待測(cè)陣列天線第η個(gè)陣列單元的方向圖/ —(曰及灼。步驟5:利用公式
權(quán)利要求
1.一種陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，包括以下步驟步驟1 在微波暗室環(huán)境中，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生頻域信號(hào)，該頻域信號(hào)經(jīng)照射天線向金屬反射面發(fā)射并由金屬反射面反射形成緊縮場(chǎng)平面波，利用該緊縮場(chǎng)平面波照射待測(cè)陣列天線；步驟2 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量在緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的初始入射角度 (θ。，φ0)下，待測(cè)陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值S21，記為( ) “，其中η= 1，2， 3，.... N，N為待測(cè)陣列天線的陣列單元總數(shù)；步驟3 改變緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的入射角度，記錄緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的入射角(θρ ΦΡ，結(jié)合步驟2測(cè)量每個(gè)入射角下待測(cè)陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值，記為( )^;步驟4:由于每個(gè)入射角下待測(cè)陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值( ) “就是待測(cè)陣列天線第η個(gè)陣列單元的在入射角下(θ。φρ的頻率響應(yīng)&㈣肩為)，即 &(C7肩為)= ( :，所以由待測(cè)陣列天線第η個(gè)陣列單元的頻率響應(yīng)&(C7肩為)，得到待測(cè)陣列天線第η個(gè)陣列單元的方向圖//—(曰，灼；步驟5:利用公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，其特征在于，步驟3改變緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的入射角度的方式為固定步驟1中所述緊縮場(chǎng)平面波在微波暗室中的位置關(guān)系而改變待測(cè)陣列天線陣列在微波暗室中的位置關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，其特征在于，改變待測(cè)陣列天線陣列在微波暗室中的位置關(guān)系的具體方式為將待測(cè)陣列天線陣列固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向和垂直方向0 360度的旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，其特征在于，步驟3改變緊縮場(chǎng)平面波到待測(cè)陣列天線的入射角度的方式為固定待測(cè)陣列天線陣列在微波暗室中的位置關(guān)系而改變步驟1中所述緊縮場(chǎng)平面波在微波暗室中的位置關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，其特征在于，步驟 1中所述照射天線為喇叭天線，位于金屬反射面焦點(diǎn)附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，其特征在于，步驟 1中所述金屬反射面為雙曲面形金屬反射面。
全文摘要
一種陣列天線方向圖的頻域測(cè)量方法，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先對(duì)陣列天線單元方向圖測(cè)量，利用均勻平面波照從不同角度(θ，φ)照射陣列，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取陣列各個(gè)陣列單元在平面波照射下的頻域響應(yīng)得到該頻率響應(yīng)便是陣列單元在等幅同相激勵(lì)下的方向圖最后利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，應(yīng)用陣列天線單元方向圖疊加原理，合成任意給定激勵(lì)下的陣列方向圖本發(fā)明1)在陣列環(huán)境下進(jìn)行，有利于陣列方向圖的精確合成；2)可以測(cè)量出陣列在任意給定激勵(lì)下的方向圖；3)還可綜合出陣列掃描增益方向圖，更有利于獲取最大增益分布區(qū)域和掃描盲點(diǎn)分布。本發(fā)明具有操作簡單、測(cè)試效率高的特點(diǎn)，同時(shí)還大大縮減了對(duì)場(chǎng)地要求，降低了測(cè)試成本。
文檔編號(hào)G01R23/16GK102445599SQ201110364110
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者徐艷清, 王秉中, 臧銳, 趙德雙 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)