一种平面近场探头安装精度引起的测试误差修正方法

摘要

一种平面近场探头安装精度引起的测试误差修正方法，包括步骤如下：一、按照平面近场测试方法将待测天线进行安装，场地校准；二、在探头初始位置，设定扫描范围、测试距离，进行第一个极化分量数据的采集，得到近场数据D0，探头旋转90度得到近场数据D90，探头继续旋转90度得到近场数据D180，探头继续旋转90度得到近场数据D270；三、进行近远场变换与数据修正，得到最终修正后的待测天线方向图数据。本发明避免了探头安装的机械调整工作，通过数学算法对探头安装精度引起的测量误差进行修正，得到修正探头安装精度后的方向图测试数据，极大的降低平面近场对于探头安装的机械精度要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面近场误差修正方法，特别是一种平面近场探头安装精度引起的测试误差修正方法，属于天线测量技术领域。

背景技术

平面近场是天线测试方法中的一种。近场测量是在被测目标的近场测量电磁场的一种技术。利用已知辐射特性的天线作为探头在待测目标近场区的一个表面上作扫描。再通过数学变换，得到待测目标的远场特性。平面近场即扫描区域为一个平面。平面近场起源于上世纪50年代，其优良的特性很快受到了广泛的好评，近几年更是得到了很大的推广。

随着近场测试技术的广泛使用，2012年美国IEEE标准局发布了关于近场测试基本误差源，总共划分为18项。其中探头安装误差就是18项误差中作为探头部分相关重要误差源中的一项。

该部分的误差主要由两部分引起，第一部分由于探头自身直线度以及机械组装精度导致的探头倾斜，另一部分由于探头安装误差无法保证探头口面中心与安装轴的延伸线不相交，导致偏心误差。随着天线测试频率越来越高，该误差相对于波长就会越来对大，对于天线测试影响就越来越大，会成为平面近场高频天线测试的障碍。

该部分造成的误差现阶段均采用机械方式进行调整。探头垂直度一般在探头加工完成后进行垂直度标定，由于探头为金属矩形腔体结构，对于矩形内表面平整度也有一定要求，加工完成后很难进行高精度的垂直度调整，只能在探头安装时根据倾斜方向使用非常薄的垫片进行整体倾斜度调整，调整难度很大。对于探头安装轴与探头口面中心不相交导致的偏心误差调整难度更大，为了保证探头在运动时的稳定度，探头安装在安装轴上时通道都采用销钉、螺母等硬连接方式。探头安装时调整此误差的可动范围极小，调整起来非常困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种平面近场探头安装精度引起的测试误差修正方法，避免了探头安装的机械调整工作，采用数据后处理的方式，通过数学算法对探头安装精度引起的测量误差进行修正，得到修正探头安装精度后的方向图测试数据，降低了平面近场对于探头安装的机械精度要求。

本发明的技术解决方案是：一种平面近场探头安装精度引起的测试误差修正方法，包括步骤如下：

步骤一、按照平面近场测试方法将待测天线进行安装，场地校准；

步骤二、在探头初始位置，设定扫描范围、测试距离，进行第一个极化分量数据的采集，得到近场数据D₀；探头旋转90度，进行第二极化分量数据的测量，得到近场数据D₉₀；探头继续旋转90度，进行第三极化分量数据的测量，得到近场数据D₁₈₀；探头继续旋转90度，进行第四极化分量数据的测量，得到近场数据D₂₇₀；

步骤三、进行近远场变换与数据修正，得到最终修正后的待测天线方向图数据，计算公式如下：

$\left(\begin{array}{c}\overrightarrow{F}·{\overrightarrow{f}}_0=am\_h·e^{i·ph\_h/\pi ·180}\\ \overrightarrow{F}·{\overrightarrow{f}}_{90}=am\_v·e^{i·ph\_v/\pi ·180}\end{array}\right)$

其中，am_h＝(am_fft(D₀)+am_fft(D₁₈₀))/2，

ph_h＝(ph_fft(D₀)+ph_fft(D₁₈₀))/2-π/2，

am_v＝(am_fft(D₉₀)+am_fft(D₂₇₀))/2，

ph_v＝(ph_fft(D₉₀)+ph_fft(D₂₇₀))/2-π/2，

am_h表示修正后的水平极化的幅度，ph_h表示修正后的水平极化的相位，am_v表示修正后的垂直极化的幅度，ph_v表示修正后的垂直极化的相位；

am_fft表示傅里叶变换后取幅度部分，ph_fft表示傅里叶变换后取相位部分；e为自然底数；为待测天线方向图，为探头0度位置方向图，为探头90度位置方向图，i为复数的虚部单位量，i²＝-1。

所述步骤一中扫描范围采用截断电平小于-35dB。

所述步骤一中测试距离为距离测试天线口面3～10个波长。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用数据后处理的方式通过数学算法对探头安装精度引起的测量误差进行修正，得到修正探头安装精度后的方向图测试数据，对探头安装精度引起的测量误差进行修正，得到修正探头安装精度后的方向图测试数据，实现难度远远低于探头安装的机械调整。

(2)本发明的修正算法在工程应用中简单方便，仅仅利用平面近场测试系统本身即可完成修正所需数据的采集工作，无需借助额外的测量工具与测量手段；规避了传统探头安装精度通过机械调整的难点，如操作难度大，调整精度要求高，调整时间长等。

(3)本发明采用数据后处理修正的方式，精度远高于机械调整精度，机械校准精度如何调整都存在一定的偏差，数据后处理修正方面在理论上经过了严密的数学推导，对探头安装精度所引起的误差进行了修正。

附图说明

图1探头安装误差模拟示意图。

图2探头旋转四个方向运动示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，建立坐标系OXYZ，Z轴方向为探头的旋转轴，Z轴正方向为探头开口向外方向，一种平面近场探头安装精度引起的测试误差修正方法，包括步骤如下：

(1)按照常规平面近场测试方法将待测天线进行安装，场地校准；

(2)在探头初始位置，选择合适扫描范围，一般采用截断电平小于-35dB的范围，以及合适的测试距离，一般选择距离测试天线口面3～10个波长，进行第一个极化分量数据的采集，得到近场数据D₀；此时探头位于0度位置；

(3)探头按照顺时针方向(沿Z轴正方向看)旋转90度，进行第二极化分量数据的测量，得到近场数据D₉₀；此时探头位于90度位置；

(4)探头继续旋转90度，进行第三极化分量数据的测量，得到近场数据D₁₈₀；此时探头位于180度位置；

(5)探头继续旋转90度，进行第四极化分量数据的测量，得到近场数据D₂₇₀；此时探头位于270度位置；

(6)利用修正算法结合(2)到(5)所得数据，进行近远场变换与数据修正。得到最终修正后的方向图数据。

二、算法简介

探头安装误差或者探头自身倾斜会引起探头两次扫描数据网格原点不重合以及探头倾斜所导致的探头补偿方向图变化。这两种情况基本涵盖了由于探头安装误差对于圆极化测试所带来的误差源。如图1所示，建立坐标系OXYZ，Z轴方向为探头的旋转轴，探头既有位置偏心，又有微小倾斜角度δ。这两种情况是平时普遍存在的，由于其量非常小，通常在测试时被忽略。

1探头旋转运动轨迹方程

如图2所示，探头由于偏心和倾斜，探头口面中心运动轨迹为圆C，偏移量L1为探头根部与旋转轴偏心所致，L2为探头自身倾斜导致。此假设式具有一般性。

运动轨迹曲线可以用下式表示：

其中，x为探头口面中心横坐标，y为探头口面中心纵坐标，r为运动半径即圆C的半径，θ₀为探头口面中心初始位置(x₀，y₀)决定的初始角即初始位置(x₀，y₀)与X轴的夹角。

则探头在步骤(3)、(4)、(5)、(6)测试时四个位置的口面中心坐标可以表示为：

x₉₀＝rcos(θ₀+90)＝-rsinθ₀

y₉₀＝rsin(θ₀+90)＝rcosθ₀(式4)

x₁₈₀＝rcos(θ₀+180)＝-rcosθ₀

y₁₈₀＝rsin(θ₀+180)＝-rsinθ₀(式5)

x₂₇₀＝rcos(θ₀+270)＝rsinθ₀

y₂₇₀＝rsin(θ₀+270)＝-rcosθ₀(式6)

其中，探头按照顺时针方向旋转90度的口面中心坐标位置为(x₉₀，y₉₀)，探头继续旋转90度的口面中心坐标位置为(x₁₈₀，y₁₈₀)，探头继续旋转90度的口面中心坐标位置为(x₂₇₀，y₂₇₀)。

可以看出相隔180度探头位置总是关于轨迹圆心中心对称。

2实际探头方向图计算

探头在初始位置的倾斜角度可以利用测量工具，如关节臂，垂直千分尺，激光跟踪仪等测量出探头的倾斜角度，此处不再赘述测量方法与测量过程。不失一般性的假设倾斜角度在AzoverEl坐标系下为(Az，El)，因为在OXYZ坐标系中，探头沿着Z轴旋转，所以与Z轴夹角θ不变，在XOY面投影与X轴夹角线性增加90度。通过式7，求得旋转90度后的AzoverEl坐标系下的倾斜角度(Az₉₀，El₉₀)：

求得El₉₀＝arcsin(cosElsinAz)，同理可以求出其余两个位置时探头的倾斜角度。

El₁₈₀＝arcsin(-sinAz)，Az₁₈₀＝arcsin(-cosElsinAz/cos(arcsin(-sinAz)))；

El₂₇₀＝arcsin(-cosElsinAz)，

再根据方向图公式，分别求出方向图旋转(Az，El)、(Az₉₀，El₉₀)、(Az₁₈₀，El₁₈₀)、(Az₂₇₀，El₂₇₀)的方向图数据。

3数据修正算法

以图2所示的坐标原点为方向图输出原点，根据平面近场近远场变换理论，步骤(3)、(4)、(5)、(6)所采集的数据与天线方向图关系如式8所示。

其中，为待测天线方向图，因为是同一天线所以远场方向图都为分别为探头在四个位置时该坐标系下的方向图，其方向图是通过“2实际探头方向图计算”部分计算所得；D₀、D₉₀、D₁₈₀、D₂₇₀分别为探头在0度、90度、180度、270度极化采集所得到的近场数据，fft表示近远场变化中的傅里叶变换。为相位补偿因子，以第一个位置为例，实际网格中心为(x₀，y₀)，在图2中所示的坐标系输出时相位需要原点平移。e为自然底数，k为波数，u为坐标系中单位矢量与X轴之间夹角的余弦，v分别为坐标系中单位矢量与Y轴之间夹角的余弦。i为复数的虚部单位量，i²＝-1。

联立式8中的所有方程以及上面已经求出的探头方向图，即可求出修正后的待测天线两个极化分量方向图结果。

4工程应用算法简化

通常采用开口波导作为平面近场探头方向图，其方向图波束非常宽，在正前方正负10度范围内，角度变化0.1度，幅度最大变化0.0071dB。对于关心角度较窄的天线，在探头倾斜很小的情况下，导致的幅度影响可以忽略不计。

式8就可化简为

对式9-1与式9-3左侧幅度、相位分别作平均运算，等号左边为同一个物理量所以平均后不变。实际中D₀与D₁₈₀为同样的极化的近场不同网格原点的数据，根据乃奎斯特采样定理，其经过傅里叶变换后幅度理论上应该完全一样，只是由于网格原点不同导致输出相位不同。整理得到式10。

同理对式9-2与式9-4进行同样的操作，得到式11

其中，am_h、ph_h表示修正后的水平极化的幅度和相位，am_v、ph_v表示修正后的垂直极化的幅度和相位；am_fft表示傅里叶变换后取幅度部分，ph_fft表示傅里叶变换后取相位部分；e为自然底数；为待测天线方向图；为探头0度位置方向图，为探头90度位置方向图。

式10与式11即为修正探头偏心距离后的结果，联立即可求得修正后的待测天线方向图。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。