一种阵列天线辐射特性的快速测量方法

摘要

本发明提供了一种阵列天线辐射特性的快速测量方法，在非暗室环境中，利用收发信机向发射待测天线发射信号，由按按轨迹移动的探头接收信号并传回收发信机，经主控计算机计算输出口面近场值，再根据口面近场值合成待测阵列天线的方向图，从而得到阵列天线的辐射特性参数数值。本方法对测量环境没有特殊要求，不受场地大小、天气等的限制，无需严格的屏蔽暗室，在天线的生产环境、或者研发环境中就可以进行测量，测试速度快、效率高，测试装置占地面积小，可随时进行测量，方便快捷，测试结果全面、准确，特别适用于生产线上作为快速检测天线产品，以及在研发产品时对天线作为初步检测使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列天线辐射特性的快速测量方法，属于阵列天线技术领域。

背景技术

随着移动通信等无线通信技术的发展，天线技术也得到了较快的发展。其中，阵列天线以其馈电激励源多样性、扫描形式灵活性、利于共形设计和智能化管理等特点，得到了越来越广泛的应用，成为了移动通信蜂窝网中装机量最大的一种天线。在我国，出于资金和土地、环境保护、建设周期等方面的考虑，通常将多个运营商的多个蜂窝系统设置在同一个基站上，多个蜂窝系统共塔架，而且每个蜂窝系统配置多个天线，这种场景下的同站干扰问题是比较明显的。随着蜂窝系统越来越复杂，对于能够影响同站干扰问题的辐射指标的要求越来越严格，例如阵列天线的波瓣宽度、垂直面的主瓣方向、旁瓣电平等，需要在天线出厂时及时对辐射指标进行检测。

目前，测量天线的辐射方向图的基本方法有两种：

一、远场测量法

远场测量法是由位于远场的源天线发射电磁波，电磁波近似为平面波形式照射到待测天线，在待测天线端口处检测出其接收方向图。在实际测量过程中，需要将待测天线和源天线拉开较远的距离，一边转动待测天线，一边记录源天线与待测天线间的传输系数，从而得到其方向图。远场测量法直观、简单，测试成本低，但是其缺点也很明显，①测试结果受外界环境影响大，例如电磁环境、场地反射、天气、时间等，恶劣环境下甚至无法进行测试；②收发距离要满足远场测试条件，源天线和待测天线之间的距离L>2D²/λ(D是待测阵列天线的最大口径，λ是测试频率的波长)；测试距离远，测试成本很高；③每次测量只能获取一种激励形式下的阵列方向图，而对于多激励形式的阵列天线，其阵列方向图测试较为艰难。

二、近场测量法

近场测量法的基本原理是使用探头探测天线附近包围天线的一个闭合面的感应场，并用拉芙(LOVE)等效原理，利用感应场计算远场。近场测量法直接测量天线附近的感应场，不需要很大的测试场地；但由于需要测量一个闭合面的近场，数据量大。为了加快扫描速度，有的系统采用了多探头技术。近场测量法算法复杂，多探头技术更带来了探头的一致性，位置校正等一系列问题，而为了减小探头间的互扰又限制了测试系统不能过小，或者探头数不能过多。因此近场测量系统系统组成复杂，校准、维护成本高。

上述两种天线辐射特性的测试方法，其测试场地均有严格要求，而且测试设备庞大，测试速度慢、效率低，测试成本高昂，无法实现对天线的快速、及时测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有存在的问题和不足，提供一种测试速度快、效率高、设备体积小、测试场地要求低的阵列天线辐射特性快速测量方法，用于天线生产车间做阵列天线生产出厂检验、质量控制使用，或用于研发过程中初步测试天线性能时使用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阵列天线辐射特性的快速测量方法，是在主控计算机的控制下，发信机经待测天线发射信号，由在待测天线口面附近的、按轨迹移动的探头接收待测天线辐射的口面近场电磁波信号并传回收信机，主控计算机读取收信机收到的面近场值，再根据口面近场值计算待测天线的方向函数，从而得到其待测天线的主辐射面的辐射特性参数数值。

本发明的进一步改进在于：所述辐射特性参数包括主瓣宽度、旁瓣电平、主瓣方向、零深、交叉极化比、绝对增益。

本发明的进一步改进在于：所述测量方法的具体步骤为：

A、在主控计算机的驱动下，发信机将发射信号经待测天线发射出去，位于待测天线上方附近的探头接收待测天线发射的口面近场信号，并经收信机传输至主控计算机，经主控计算机的计算，输出待测天线口面近场值；

若待测天线为单端口，探头在主控计算机的驱动下沿着待测天线主辐射面呈一维直线式移动；若待测天线为多端口，探头在主控计算机的驱动下沿着待测天线主辐射面呈二维网格式移动；

B、将口面近场值转化为待测天线的方向函数；

①当探头以一维直线式移动时，待测阵列天线的方向函数F(θ)为：

>

式中，

d是探头扫描点间距；

θ是场点与阵轴的夹角；

λ为发射信号的波长；

j为标准虚数单位(-1的开平方)；

N是测量点数，n指的是第n个测量点；

T_n＝T_n，real+jT_n，imag，是探头在每个测量点处得到的口面场值，其中T_real、T_imag分别是口面场值的实部和虚部；

②当探头以二维网格式移动时，待测阵列天线的方向图F(θ)为：

式中，

d_x、d_y分别为x、y方向上的取样间距；

θ为场点与阵平面法线的夹角；

为场点矢量在xoy平面上的投影与x轴的夹角；

λ为发射信号的波长；

j为标准虚数单位(-1的开平方)；

M、N分别为x方向、y方向上的测量点数；m指的是x方向上第m个测量点，n指的是y方向上第n个测量点；

T_mn＝T_mn，real＋jT_mn，imag，是探头在每个测量点处得到的口面场值，其中T_real、T_imag分别是口面场值的实部和虚部；

C、由待测天线方向函数得出阵列天线主辐射面的辐射特性参数；

①根据待测天线的方向函数绘制出方向图，由方向图中直接读取待测天线的主瓣宽度、旁瓣电平、主瓣方向、零深电平；

②分别在探头的极化方式与待测天线的极化方式相同和正交情况下测试，得到同极化方向函数和交叉极化方向函数，相比较后得到待测天线的交叉极化比参数；

③测试标准增益天线的方向函数，比较标准增益天线的方向函数的最大值和待测天线的方向函数的最大值，得到待测天线的绝对增益。

本发明的进一步改进在于：所述探头一维直线移动时，是沿待测天线的中轴线移动；所述探头二维网格移动时，在待测天线主辐射口面上做二维扫描，扫描范围不小于阵列天线平面范围。

本发明的进一步改进在于：所述探头二维网格移动时，其扫描轴向长度为待测天线纵向平面长度两端各外扩10～20cm，其扫描横向宽度为待测天线横向平面的宽度。

本发明的进一步改进在于：用于阵列天线辐射特性快速测量的装置包括扫描机构、发信机Ⅱ、收信机Ⅲ和主控计算机Ⅰ，所述发信机Ⅱ、收信机Ⅲ、扫描机构分别与控制其运行的主控计算机Ⅰ相连；所述扫描机构包括用于放置天线1的操作台2、位于天线1上方的探头5和驱动探头5水平移动的驱动器7，所述探头5在的驱动器7的驱动下实现在待测天线上方任意坐标位置的移动，驱动器7与主控计算机Ⅰ相连接；所述发信机Ⅱ与待测天线1相连，收信机Ⅲ与探头5相连；在发信机Ⅱ与待测天线测试接头之间连接设置一射频开关Ⅳ，实现对阵列天线平面的连续扫描。

本发明的进一步改进在于：所述探头是双极化探头。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种阵列天线辐射特性的快速测量方法，利用近场技术测量天线主辐射面的口面近场值，再通过口面近场值推算至阵列天线主辐射面的远场方向图。该方法实现了对阵列天线的辐射特性的快速测量，而且对测量环境没有特殊要求，不受场地大小、天气等的限制，无需严格的屏蔽暗室，在天线的生产环境、或者研发使用环境中就可以进行测量，测试速度快、效率高，测试装置占地面积小，可随时进行测量，方便快捷。使用本发明测量方法，可以构建阵列天线主辐射面的方向图，通过阵列天线方向图，可以定量测量方向性系数、主瓣方向、主瓣宽度、交叉极化比、旁瓣电平等天线主要指标，并可通过与标准天线比对的方法测量天线增益等主要指标，测试结果全面、准确，特别适用于生产线上作为快速检测天线产品，以及在研发产品时对天线作为初步检测使用。

使用一维扫描方法，可以在30秒到1分钟内完成一副3米以内阵列天线方向图特性的测量，速度快、效率高、结果准确度高，适合天线生产厂家对出厂产品进行质量检测。使用二维扫描方法，测量装置尺寸并未增大，而且实现了多端口阵列天线的自动切换端口，探头可以连续在天线主辐射面口面上做二维网格扫描，适合在天线研发过程中初步测量平面阵列天线的三维方向图特性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明系统连接示意图；

图2是本发明快速测量装置的结构示意图；

图3是本发明快速测量装置扫描机构的结构示意图；

图4是本发明一维移动计算公式中的变量示意图；

图5是本发明二维移动计算公式中的变量示意图；

图6是实施例1不同频率下测得的阵列天线主辐射面的方向图；

图7是实施例1待测天线分别通过本发明方法、远场测量法测得的对比方向图；

图8是实施例2测得的阵列天线的三维辐射方向图；

图9是实施例2通过本发明方法、远场测量法测得的待测天线垂直面对比方向图；

图10是实施例2正交极化方向图；

图11是实施例2增益方向图；

图中各标号为：1、待测天线，2、操作台，3、底座，4、支架，5、探头，6、水平移动架，7、驱动器；Ⅰ、主控计算机，Ⅱ、发信机，Ⅲ、收信机，Ⅳ、射频开关。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但实施例不是本发明保护范围的限制。

对于定向阵列天线来说，天线的主要辐射场透过主辐射面辐射出去，而背面的辐射相对非常小，与主辐射面的辐射相比几乎可以忽略不计。因此，本发明方法简化了测量范围，仅测量阵列天线主辐射面的辐射特性指标，大大简化了测量工作量。

对天线生产厂家而言，天线的质量测量，并不需要对天线的所有辐射指标进行精确的测量；而主要测量其主瓣方向、波瓣宽度、增益等基本指标，只要这些基本指标满足要求，即意味着天线的单元的馈电幅度、相位控制是正确的，生产出的天线质量是合格的。因此，本发明方法精简了要检测的辐射特性参数，只选用主要几个基本指标。当厂家生产线性阵列时，最关注的往往是轴线V面方向图，仅需要测量天线主辐射面内沿轴线分布的一维口面近场，就可以推算出V面方向图，使本方法得到进一步简化。

一种阵列天线辐射特性的快速测量方法，利用发信机向待测天线发射信号，由一定轨迹移动的探头接收信号并传回收信机，经主控计算机计算输出口面近场值，再根据口面近场值计算出待测天线的方向函数；通过待测天线的方向函数，得出主瓣宽度、旁瓣电平、主瓣方向、零深电平、交叉极化比、绝对增益这些辐射特性参数数值。

具体测量步骤为：

A、在主控计算机的驱动下，发信机将发射信号发送至待测天线，位于待测天线上方口面的探头接收待测天线发射的电磁场值，通过收信机传输到主控计算机，经主控计算机的计算，输出待测天线口面近场值；

在测量过程中，探头的移动轨迹包括一维直线式移动和二维网格式移动。若待测天线为单端口，探头在主控计算机的驱动下沿着待测天线主辐射面呈一维直线式移动；若待测天线为多端口，探头在主控计算机的驱动下沿着待测天线主辐射面呈二维网格式移动。

探头的移动轨迹由测量人员根据待测天线的各个单元点位置通过主控计算机提前设定好。

B、将口面近场值通过特定的公式转化为待测天线的方向函数；

①当探头以一维直线式移动时，待测阵列天线的方向函数F(θ)为：

>

②当探头以二维网格式移动时，待测阵列天线的方向图F(θ)为：

C、由待测天线方向函数得出阵列天线主辐射面的辐射特性参数；

①根据待测天线的方向函数绘制出方向图，由方向图中直接读取待测天线的主瓣宽度、旁瓣电平、主瓣方向、零深电平；

②分别在探头的极化方式与待测天线的极化方式相同和正交情况下测试，得到同极化方向函数和交叉极化方向函数，相比较后得到待测天线的交叉极化比参数；

③测试标准增益天线的方向函数，比较标准增益天线的方向函数的最大值和待测天线的方向函数的最大值，得到待测天线的绝对增益。

本发明方法的测量空间为普通非暗室环境，没有特殊条件限制。本发明的测量装置，包括扫描机构、发信机Ⅱ、收信机Ⅲ、射频开关Ⅴ和主控计算机Ⅰ，所述发信机Ⅱ、收信机Ⅲ和扫描机构分别与控制其运行的主控计算机Ⅰ相连，所述发信机Ⅱ还与待测天线1的测试接头相连，用于在主控计算机驱动下向待测天线1发射电磁信号。所述扫描机构用于探测待测天线1的发射信号，并将信号数据传至与其相连的收信机Ⅲ上。所述收信机Ⅲ采集接收信号数据后，将数据发送到相连的主控计算机Ⅰ上。所述主控计算机Ⅰ控制扫描机构、发信机Ⅱ、收信机Ⅲ，同时处理分析得到的数据，计算输出待测天线的口面近场值。在发信机Ⅱ与待测天线的端口之间设置一射频开关Ⅳ，待测天线的多个端口分别与射频开关Ⅳ相连后，通过主控计算机Ⅰ控制转换射频开关Ⅳ的工作线路，不用进行线路的拆装连接就可实现对待测天线主辐射面的全部扫描。射频开关Ⅳ可选用双刀八掷开关。

所述扫描机构的结构如图2、图3所示，包括操作台2、底座3、水平移动架6和探头5。所述操作台2固定设置在地面上，操作台2的顶面为一水平面，用于放置待测天线1。所述底座3放置在操作台2的侧边，底座3的底端设置方便移动的滚轮，将底座3放置到合适的位置后，通过螺栓固定设置在地面。所述水平移动架6设置在底座3上，水平移动架6上固定设置支架4，探头5安装在支架4位于放置待测天线1的操作台2上方的一侧。探头5与收信机Ⅲ进行连接，通过水平移动架6控制移动，在待测天线1的各个测量点收集电磁信号。

所述底座3为方形框架结构，在底座3的顶部设置气缸，所述气缸竖直布置，气缸的缸体固定在底座3上；气缸的活塞杆上固定设置一高度调整块，所述高度调整块为方板结构，为保证高度调整块的水平稳定，气缸设置多个，均布在高度调整块的底部。

所述水平移动架6固定设置在高度调整块上，水平移动架6包括导轨和滑块。所述导轨水平布置，包括横向移动导轨和纵向移动导轨，横向移动导轨与纵向移动导轨在同一水平面上相互垂直。所述滑块嵌装在导轨内，滑块上固定设置支架4，滑块同时还与驱动器7相连，驱动器7与主控计算机Ⅰ连接，在主控计算机Ⅰ控制下，驱动器7带动滑块在导轨内滑移，调整移动方向和移动距离，进而带动支架4及其上面的探头5移动，实现探头在天线上方任意坐标位置的移动、扫描。

所述支架4包括竖杆和横杆，所述竖杆竖直布置固定设置在水平移动架6上，所述横杆水平横置在竖杆的上部，横杆的一端与竖杆固定相连；横杆的另一端固定连接探头5，探头5的工作面垂直向下布置。由于支架4的一部分位于天线1的正上方，为防止金属对信号造成干扰，保证测量结果的准确，支架4采用非金属制得。在竖杆与横杆之间固定设置倾斜布置的拉杆，用于保持横杆呈水平状态，使得探头5竖直向下，与天线的主辐射面相互垂直。拉杆的一端固定连接在竖杆的顶端；拉杆的另一端与横杆设置探头的一端相连接的拉杆。

实施例1

使用本发明方法对一副单端口天线进行测量，该天线长1.5米，待测天线频率为1710～2170MHz，设计增益为主瓣宽度5度，主瓣方向2度。

本实施例中探头采用一维直线移动扫描。所述探头的一维直线移动是沿待测天线的中轴线移动，探头扫描范围为待测天线的轴向长度。探头的测量采样间隔为50mm，测量采样点数共计30个。

具体测量步骤为：

A、在主控计算机的驱动下，收发信机将发射信号发送至待测天线，探头在天线口面附近沿中轴线移动，并在测量点上接收待测天线发射的信号，经收信机接收机传送到主控计算机，经主控计算机的计算，输出待测天线口面近场值；

B、主控计算机获取口面近场值后，利用公式计算待测阵列天线的方向函数，

方向函数F(θ)为：>

式中，

d是探头扫描点间距；

θ是场点与阵轴的夹角；

λ为发射信号的波长；

j为标准虚数单位(-1的开平方)；

N是取样点数，n指的是第n个取样点；

T_n＝T_n，real+jT_n，imag，是探头在每个取样点处得到的口面场值。

C、根据待测天线的方向函数绘制出方向图，如图6所示。图6给出了该天线的高中低三个频率的测试方向图，从图中可以读出，待测天线的主瓣宽度为4.8-5.5度，主瓣方向1.9-2.5度，旁瓣电平-12dB，零深电平-30.5dB。所测辐射性能参数值与天线的设计指标一致，天线的辐射性能良好，质量符合设计要求。

为了证实本发明方法的准确性，对同一幅天线采用传统的远场测量法进行复测，并绘制两种测量方法的天线方向图，如图7所示。通过图7中的曲线可以看出，本发明方法测得的主瓣与远场测量法测得的主瓣基本重合，旁瓣的位置也可清晰识别，两种方法测量所得的结果基本一致。因此可以认定，本发明方法具有高准确度和可靠度，完全可以作为检测出厂天线的质量控制方法使用。

实施例2

使用本发明方法对一副双端口天线进行测量，该天线长1.6米，宽度0.6m。

本实施例探头采用二维网格移动扫描。所述探头的二维网格移动是在阵列天线主辐射口面做二维扫描，由阵列天线的一个边缘点开始做折返扫描。天线长度方向上的测量采样间隔(d_y)为40mm，天线宽度方向上的测量采样间隔(d_x)为0.3m，测量采样点数共计2*40个。

具体测量步骤为：

A、在主控计算机的驱动下，收发信机将发射信号发送至待测天线，探头在天线口面附近沿中轴线移动，并在测量点上接收待测天线发射的信号，经收信机接收机传送到主控计算机，经主控计算机的计算，输出待测天线口面近场值；

B、主控计算机获取口面近场值后，利用公式计算待测阵列天线的方向函数；方向函数F(θ)为：

式中，

d_x、d_y分别为x、y方向上的取样间距；

θ为场点与阵平面法线的夹角；

为场点矢量在xoy平面上的投影与x轴的夹角；

λ为发射信号的波长；

j为标准虚数单位(-1的开平方)；

M、N分别为x方向、y方向上的测量点数；m指的是x方向上第m个测量点，n指的是y方向上第n个测量点；

T_mn＝T_mn，real+jT_mn，imag是探头在每个测量点处得到的口面场值，其中T_real、T_imag分别是口面场值的实部和虚部；

C、根据待测天线的方向函数绘制出三维方向图，如图8所示。

①从图8中提取指定方位角(一般为0度和90度)下的切面，可提取出待测天线的垂直面和水平面，进而计算出垂直面的主瓣宽度、主瓣方向等主要辐射特性参数。图8中，主瓣宽度：7°，旁瓣电平：-14dB，零深电平：-32dB，主瓣方向：-6°。

为了证实本发明方法的准确性，对同一幅天线采用传统的远场测量法进行复测，并绘制两种方法的天线垂直面方向图，如图9所示。通过图9中的曲线可以看出，本发明方法测得的主瓣与远场测量法测得的主瓣基本重合，旁瓣的位置也可清晰识别，两种方法测量所得的结果基本一致，本发明方法具有很高的准确度和可靠性。

②将探头交叉极化放置，重复A和B的测量步骤，可测量正交极化极化方向函数，并与主极化方向函数比较，进而测出交叉极化比。本实施例的正交极化方向图如图10所示，从而得出待测天线的交叉极化鉴别率(轴向)为26.83dB。

③对标准增益天线进行上述测量，绘制出标准增益天线的三维方向图，通过比对待测天线、标准增益天线的增益，进而测得待测天线的实际增益。本实施例的增益方向图如图11所示，从而得出待测天线的实际增益为18.5dBi。