使用时频分析测量的单道天线远场天线因子估计方法

摘要

本发明提出一种使用时频分析测量的单通道天线远场天线参数估计方法，该方法应用于对数周期偶极数组天线，天线之间的间距为10米，该方法应用时间频率分析方法从而有效抑制一些该单一天线方法中出现的非期望反射，并且利用由时间频率方法所估计的天线距离估计远场天线因子，另外，使用天线辐射中心距离修正共识来估计对数周其偶极数组天线的远场天线因子，与其他方法所估计的远场天线因子相比，所估计的天线因子具有更好的远场增益相容性，天线距离为5米的地方，在频率范围从300兆赫兹到1000兆赫兹的范围内频率差异低于0.3dB。

说明书

技术领域

本发明涉及一种天线因子估计的方法，特别是采用时间-频率方法测量的针对单道远场天线的因子估计方法。

背景技术

目前的远场天线因子测量方法存在如下的缺陷，首先不能使用时间域的减法将地面反射波和待测天线的固有自反射波分开测量；另外，之前所提出的测量方法是用固定的天线具有，由此，远场天线因子估计的主要的测量不确定度大部分和天线的距离有关，因此不能降低测量的不确定度；第三，不能确定每个频率下的天线距离，从而不能有效地确定估计方法来估计远场天线因子；第四，不能有效利用时域分析方法和时频分析方法，并使用其中的短时傅立叶变换技术进行天线因子的确定，从而估计精度不高。

由此提出一种使用时频分析测量的单通道天线远场天线参数估计方法，该方法应用于对数周期偶极数组天线，天线之间的间距为10米，该方法应用时间频率分析方法从而有效抑制一些该单一天线方法中出现的非期望反射，并且利用由时间频率方法所估计的天线距离估计远场天线因子，另外，使用天线辐射中心距离修正共识来估计对数周其偶极数组天线的远场天线因子，与其他方法所估计的远场天线因子相比，所估计的天线因子具有更好的远场增益相容性，天线距离为5米的地方，在频率范围从300兆赫兹到1000兆赫兹的范围内频率差异低于0.3dB。

发明内容

本发明的目的通过如下方案实现：

一种使用时频分析测量的单通道天线远场天线因子估计方法，该方法用于标定对数周期偶极数组天线，包括如下步骤：

(1)在消声室内的地面上设置所有的测量对象，将对数周期偶极距天线阵列作为被测对象，天线垂直于地面并位于地面之上的间距为1米到5米之间的范围；

(2)通过矢量网络分析仪测量频域的反射系数s₁₁(ω)，并且将其转换为相应的时域反射系数s₁₁(t)；

(3)通过公式(1)计算s₁₁(t)，其中公式使用傅立叶逆变换F^-1(ω)以及汉宁频域窗W(ω)，其中公式(1)为：

s₁₁(t)＝F^-1(W(ω)s₁₁(ω))>

其中s₁₁(t)包括s_11intrinsic(t),s_{11ground_ref}(t)以及其他非期望的波形，其中s_11intrinsic(t)为天线内部结构的固有反射，s_{11ground_ref}(t)为地面的垂直入射反射反射波，其他非期望反射波形具有非期望的环境反射波，如天线罩等；

(4)拾取垂直地面入射的反射波从而估计自由空间天线因子，采用将s₁₁(t)平均的方式估计s_11intrinsic(t)，随着垂直对天线进行扫描将s₁₁(t)平均，保留不变的部分s_11intrinsic(t)，并将其从s₁₁(t)提取出；

(5)通过公式(2)将s_11intrinsic(t)从时域的s₁₁(t)中减去可以得到直接反射波s_{11ground_ref}(t)，公式(2)如下：

s_{11ground_ref}(t)＝s₁₁(t)-s_11intrinsic(t)>

(6)使用短时傅立叶变换以及汉宁时间窗的方法计算s_{11ground_ref}(t)的时间-频率响应，从而确定每个频率的天线距离D＝z(ω)，其中，汉宁窗时域宽度为20ns，傅立叶变换的次数为8196；

(7)使用公式(3)由估计的天线距离估计天线因子：

af²(ω,z)＝η₀·[Z₀·λ₀·D(ω)·s_{11ground_ref}(ω,z)]^-1>

其中，η₀＝120πΩ为自由空间特征阻抗，Z₀＝50Ω为同轴线缆的特征阻抗，并且λ₀为相应的自由空间波长，D(ω)为待测对象幅射点到地面的双向距离，在对数周期偶极数组天线为测量对象的情况下，该双向距离的公式如公式(4)所示：

D(ω)＝z+2×d_1-f-λ>

其中，z为从待测对象的顶部到地面的双向距离，d_1-f为天线顶部到对数周期偶极数组天线辐射点的距离；

(8)将天线的幅值中心位置应用于公式(4)获得远场天线因子估计值的公式(5)：

$>{{\mathrm{af}}_{far}}^2\left(\omega \right)=\frac{{\eta }_0·k_0}{Z_0}·[\frac{1}{s_{21}(\omega ,z_1)}-\frac{1}{s_{21}(\omega ,z_2)}]\frac{1}{z_1-z_2}---\left(5\right)$>

其中，af_far(ω)为远场天线因子。

附图说明

附图1为根据本发明实施例使用天线子标定方法建立天线因子测量值的示意图；

附图2为根据本发明实施例的对数周期偶极数组天线s₁₁(t)的标定结果示意图；

附图3为根据本发明实施例的对数周期偶极数组天线的s_{11_ground_ref}(t)估计值示意图；

附图4为采用本发明实施例方法估计的远场天线因子与使用其它方法估计的天线因子之间的差异值示意图。

附图标记：1-待测天线 2-地面 3-网络分析仪

具体实施方式

一种使用时频分析测量的单通道天线远场天线因子估计方法，首先该方法用于标定对数周期偶极数组天线，其实验建立方法示意性的如图1所示。所有的测量都是建立在消声室内的地面上，将对数周期偶极距天线阵列作为被测对象，天线垂直于地面并位于地面之上的间距为1米到5米之间的范围；通过矢量网络分析仪测量频域的反射系数s₁₁(ω)，并且将其转换为相应的时域反射系数s₁₁(t)；通过公式(1)计算s₁₁(t)，其中公式使用傅立叶逆变换F^-1(ω)以及汉宁频域窗W(ω)，公式(1)如下所示：

s₁₁(t)＝F^-1(W(ω)s₁₁(ω))>

其中s₁₁(t)包括s_11intrinsic(t),s_{11ground_ref}(t)以及其他非期望的波形，其中s_11intrinsic(t)为天线内部结构的固有反射，s_{11ground_ref}(t)为地面的垂直入射反射反射波，其他非期望反射波形具有非期望的环境反射波，如天线罩等，所估计的时域波形如图2所示。为了估计自由空间天线因子，我们必须拾取垂直地面入射的反射波，首先采用将s₁₁(t)平均的方式估计s_11intrinsic(t)，这是因为s_11intrinsic(t))的相位不会变化，即使距离地面的位置高度变化了，而相反的是，随着相对地面的双向传播，s_{11ground_ref}(t)的相位会发生变化，随着垂直对天线进行扫描将s₁₁(t)平均，保留不变的部分s_11intrinsic(t)，并将其从s₁₁(t)提取出，也就是说，在时间轴上以固定的延迟时间出现不变的s_11intrinsic(t)。

通过公式(2)将s_11intrinsic(t)从时域的s₁₁(t)中减去可以得到直接反射波s_{11ground_ref}(t)，公式(2)如下所示：

s_{11ground_ref}(t)＝s₁₁(t)-s_11intrinsic(t)>

所估计的s_{11ground_ref}(t)如图3所示。

使用短时傅立叶变换以及汉宁时间窗的方法计算s_{11ground_ref}(t)的时间-频率响应，从而确定每个频率的天线距离D＝z(ω)，其中，汉宁窗时域宽度为20ns，傅立叶变换的次数为8196；使用公式(3)由估计的天线距离估计天线因子，其中公式(3)如下所示：

af²(ω,z)＝η₀·[Z₀·λ₀·D(ω)·s_{11ground_ref}(ω,z)]^-1>

其中，η₀＝120πΩ为自由空间特征阻抗，Z₀＝50Ω为同轴线缆的特征阻抗，并且λ₀为相应的自由空间波长，D(ω)为待测对象幅射点到地面的双向距离，在对数周期偶极数组天线为测量对象的情况下，该双向距离的公式如公式(4)所示：

D(ω)＝z+2×d_1-f-λ>

其中，z为从待测对象的顶部到地面的双向距离，d_1-f为天线顶部到对数周期偶极数组天线辐射点的距离；

将天线的幅值中心位置应用于公式(4)获得远场天线因子估计值的计算公式(5)：

$>{{\mathrm{af}}_{far}}^2\left(\omega \right)=\frac{{\eta }_0·k_0}{Z_0}·[\frac{1}{s_{21}(\omega ,z_1)}-\frac{1}{s_{21}(\omega ,z_2)}]\frac{1}{z_1-z_2}---\left(5\right)$>

其中，af_far(ω)为远场天线因子。

附图4表示使用本发明所述方法所估计的天线因子和相应的其他方法估计的远场天线因子之间的差值。三种测量情况分别是固定长度，短时傅立叶变换，以及短时傅立叶变换-单元长度。结果发现，采用本发明的方法，天线距离为5米的地方，在频率范围从300兆赫兹到1000兆赫兹的范围内频率差异低于0.3dB。