采用距离偏移技术消减天线测试环境中多径干扰的方法

摘要

本发明涉及一种采用距离偏移技术消减天线测试环境中多径干扰的方法，通过分析天线测量环境中直达信号与多径干扰信号之间的关系，通过测试两次不同测试距离下的频域相应，采用距离偏移技术，将直达信号从频域响应中分离，从而可以消减多径干扰对天线测试的影响，得到更为精确的天线测试数据。尤其对高增益、低副瓣天线尤为有效。

说明书

技术领域

本发明属于天线测试领域，具体涉及一种利用距离偏移技术在天线测试环境中消除 多径干扰信号，提高测量天线参数（包括方向图和增益、以及其它参数）精度的使用方 法。

背景技术

衡量一付天线的实际辐射性能，需通过精确的测量。测试环境中（微波暗室或开 阔场）存在多径干扰，在常规的频域测量中，主瓣波束在指向侧壁时形成的强反射会 抬高副瓣电平；当吸波材料的性能不够理想时，来自侧壁、后墙的多径干扰信号会严 重影响测试精度。

微波暗室内，随着测试频段的降低，侧壁的多径反射增强，导致天线方向图的测 试精度难以达到±1dB；100MHz以下频段恶化到±2dB以上。在外场测试时，由于外部 环境的不可控，多径干扰更加严重。对于高增益、低副瓣天线情况更加严重。

发明内容

基于以上情况，本发明提出一种利用测试距离偏移技术，消除多径干扰对测试结 果的影响。由于天线测试系统获取的频域响应是直达信号与多径干扰信号的矢量合成， 通过测试两次不同测试距离下的频域相应，可以将直达波信号与多径干扰信号波分离， 得到各自的频域响应，达到消除多径干扰的目的。

技术方案

步骤1：搭建天线测试系统，发射端的辅助天线与测试端的被测天线位于同一高度， 且位于同一轴线；

步骤2：根据被测天线工作频段，设置矢量网络分析仪的测试起止频率和频率间隔 Δf，Δf应小于10MHz，建议置于1MHz。

A：在测试距离为d时，天线测试系统的频域响应为S′₂₁；

B：在测试距离为d+Δd时（Δd□d且Δd＜λ_min），天线测试系统的频域响应 为S″₂₁；

步骤3：建立直达波信号与多径干扰波的干涉模型：

其中，|(S₂₁)d|为直达波信号的幅度，为直达波信号的相位，|(S₂₁)_r|为多径干扰信号 的幅度，为多径干扰信号的相位；由信号在天线测试系统中的传递关系可以得到：

式中:

G_t:发射天线的增益；

G_r：接收天线的增益；

：接收天线的电场方向图；

L₁(f)、L₂(f)：分别为天线测试系统中连接辅助天线、被测天线电缆的损耗；

λ：测试系统的输出信号的波长；

r：多径的距离；

d：辅助天线与被测天线的距离；

α：多径干扰和直达波的夹角。

步骤4：由于两次距离测试距离改变很小，其频域响应幅度改变很小，可以近似为： (S′₂₁(f))_d≈(S″₂₁(f))_d＝a，(S″₂₁(f))_r≈(S″₂₁(f))_r＝b，故前后两次测试的频域响应可表示为

式中：Δr两次测量中多径的距离差；a,b为常量；S′₂₁(f)，S″₂₁(f)由步骤（2）测试获 取。

由于$\mathrm{\Delta r}=\frac{d}{r}\mathrm{\Delta d},$得到：

代入（2）式通过计算可得到：

多径信号的数学表达式为：

直达信号的数学表达式为：

步骤5：为了求出式（2），（3）中多径干扰信号的波程r，首先假定其距离为 式中：w为反射端的辅助天线与测试端的被测天线轴线与暗室侧壁的 距离。可以得到：

式中：为多径为r₀时第i个频点由（3）式求得的相移值；

ε_r为电缆l₁、l₂的介电常数；

步骤6：对求平均的到多径的真值把多径距离代入式(4)可以求得直达信号的频域相应值。

有益效果

通过分析天线测量环境中直达信号与多径干扰信号之间的关系，采用距离偏移技 术，将直达信号从频域响应中分离，从而可以消减多径干扰对天线测试的影响，得到 更为精确的天线测试数据。尤其对高增益、低副瓣天线尤为有效。

附图说明

图1为本发明方法中微波暗室内多径干扰示意图。

图2为本发明方法中的距离偏移法示意图。

图3为本发明方法中的实验结果图。

具体实施方式

现结合实施步骤、附图对本发明作进一步描述：

1）在微波暗室内测量天线时，频域响应中除直达信号外还包含有多径干扰，令收 发天线间的直线距离为d，多径干扰经过的路程为r。直达波信号的幅度为 直达信号的相位为吸波材料的衰减系数为Г(小于1的复数)，频域响应中多径干扰的幅度为 多径干扰的相位为因此 可以建立微波暗室内的天线测量系统中的直达信号与多径干扰综合模型，其数学表达 式为：其中，G_t为发射天线在最大辐射方向上的增益系 数，G_r为接收天线最大接收方向上的增益，为归一化功率方向图，其中为球坐标方位角，θ为水平面角，为俯仰角，λ为自由空间信号波长，L₁为电缆1 的损耗，L₂为电缆2的损耗，l₁为电缆1的长度，l₂为电缆2的长度，ε_r为电缆介电常 数，为余由测量系统引起的时延，为反射点衰减系数的相移。

2）当测试距离为d时，令（A只与测试频率、系统参数、天线 方向图有关，与测试距离无关），则频域响应中直达信号的幅度可表达为令（B与测试距离无关），则频域响应中多径干扰的幅度可表 达为因此系统的频率响应为

3）其次在测试距离为d+Δd时（Δd□d且Δd＜λ_min），多径干扰经过的路程变为 r+Δr，由步骤2）可得，测试系统的频域响应为：

4）分析前后两次测量的频域响应，其幅度改变量非常小，可以近似认为 $\sqrt{\frac{A}{{(d+\mathrm{\Delta d})}^2}}\approx \sqrt{\frac{A}{d^2}}=a,\sqrt{\frac{B}{{(r+\mathrm{\Delta r})}^2}}\approx \sqrt{\frac{B}{r^2}}=b,$故前后两次测试的频域响应可表示为 和参照图2，由几何关系可得： r对d求偏导，有带入即即分 离出多径信号，多径信号的数学表达式为：把 带入即得到直达信号，直达信号的数学表达式为：

5）对上述方法进行验证：选取一付工作频率为300MHz的半波振子被测天线，把 其安装于大小为25(L)×15(W)×15(H(m）微波暗室中对其进行测试，辅助天线为 UPA6109。测试频率为300MHz的天线方向图。由前面的分析知两次测试的距离差Δd 应远小于距离d，且为了避免出现相位模糊，要求Δd小于最小波长λ_min，扫频范围为 100M～500M，易知对应的λ_min为0.6m，故设置Δd为0.25m，即第二次测试距离为 18.25m。多径r为25.37m。依据步骤1）至步骤4），可以得到多径信号从直达波信号 中分离前后的方向图，参照图3所示。可以发现，分离后的方向图与标准方向图有较 好的吻合，即本方法有效。