專利名稱：一種陣列天線方向圖的頻域測量方法
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量技術(shù)，特別涉及陣列天線方向圖的頻域測量方法。
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。目前對于陣列天線方向圖的測量，大致可分為近場測試、遠(yuǎn)場測試和緊縮場測試三種。(1)遠(yuǎn)場測試。由位于遠(yuǎn)場的發(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陣列天線，從而在待測陣列天線端口處檢測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是測試場收發(fā)天線之間的距離，D是待測陣列天線的最大口徑，而λ是測試頻率的波長)，對測試場和測試成本要求很高；其次，每次測量只能獲取一種激勵形式下的陣列方向圖，而對于多激勵形式的陣列天線，其陣列方向圖測試較為艱難。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) ”中提到了對陣列天線方向圖的測量方法。對于不同的激勵形式需要分別測量，降低了測試的效率，但是需要對陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，提高了測試的復(fù)雜度。(2)緊縮場測試。該方法利用反射面在一個(gè)相對較小的空間的產(chǎn)生遠(yuǎn)場測試所需要的平面波，減小了遠(yuǎn)場測試所需要的空間，但由于該方法每次測量依然只能獲取一種激勵形式下的陣列方向圖，無法降低多種激勵的陣列方向圖測試難度。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)室的一套緊縮場測試設(shè)備，主要包括吸波暗室、反射器、天線發(fā)射源和移動用機(jī)械裝置。該套緊縮場測試設(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量。但緊縮場測試設(shè)備只能測試天線的接收方向圖，對于特定激勵分布下的天線陣列并不適用。(3)近場測試。包含兩種方式一種是指在待測陣列天線被激勵的情況下，利用近場探針獲取待測陣列天線的近場輻射方向圖，再通過惠更斯原理計(jì)算其遠(yuǎn)場發(fā)射方向圖。 該測量方式的優(yōu)點(diǎn)在于所需的測量場地較小，但也存在多種激勵的陣列方向圖測試難的問題；另一種是，每次對一個(gè)單元激勵，剩余單元終端匹配的情況下，在近場測試陣列該單元的發(fā)射方向圖。通過多次測量，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分布下得陣列方向圖。很明顯，該方式有利于多種激勵分布下的陣列方向圖測量，有效地解決了掃描、相控陣在測試難題。但該方式存在操作上的難題，每個(gè)單元發(fā)射方向圖的測試過程都需要手動變換激勵端口和匹配端口，一次操作只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元的方向圖測試，給單元數(shù)目較大的陣列測試過程帶來不便。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量方法和測試系統(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量方法(系統(tǒng))中的測試工作繁復(fù)、測試場地占用空間大的缺陷，提供一種陣列天線方向圖的頻域測量方法。該方法能快速、高效地完成多種激勵形式、多個(gè)單元的陣列方向圖的測量，同時(shí)大大縮減了對場地的要求，降低了測量成本。本發(fā)明采用陣列單元接收方向圖測量法和信號處理方法相結(jié)合的技術(shù)，首先利用緊縮場裝置，產(chǎn)生均勻平面波照射于陣列天線，一次測量出陣列天線各個(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)字信號處理方法，合成出多種激勵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，該頻域信號經(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平面波，利用該緊縮場平面波照射待測陣列天線。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，測量在緊縮場平面波到待測陣列天線的初始入射角度(θ ο，Φ ο)下，待測陣列天線各個(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為待測陣列天線的陣列單元總數(shù)。步驟3 改變緊縮場平面波到待測陣列天線的入射角度，記錄緊縮場平面波到待測陣列天線的入射角ΦΡ，結(jié)合步驟2測量每個(gè)入射角下待測陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值，記為(知)^。步驟4:由于每個(gè)入射角下待測陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值( )^ 就是待測陣列天線第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，該頻域信號經(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平面波，利用該緊縮場平面波照射待測陣列天線；步驟2 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量在緊縮場平面波到待測陣列天線的初始入射角度 (θ。，φ0)下，待測陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值S21，記為( ) “，其中η= 1，2， 3，.... N，N為待測陣列天線的陣列單元總數(shù)；步驟3 改變緊縮場平面波到待測陣列天線的入射角度，記錄緊縮場平面波到待測陣列天線的入射角(θρ ΦΡ，結(jié)合步驟2測量每個(gè)入射角下待測陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值，記為( )^;步驟4:由于每個(gè)入射角下待測陣列天線各個(gè)陣列單元的散射系數(shù)值( ) “就是待測陣列天線第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量方法，其特征在于，步驟3改變緊縮場平面波到待測陣列天線的入射角度的方式為固定步驟1中所述緊縮場平面波在微波暗室中的位置關(guān)系而改變待測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量方法，其特征在于，改變待測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陣列天線陣列固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺上，該旋轉(zhuǎn)平臺采用步進(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量方法，其特征在于，步驟3改變緊縮場平面波到待測陣列天線的入射角度的方式為固定待測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量方法，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先對陣列天線單元方向圖測量，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下的方向圖最后利用數(shù)字信號處理技術(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)可以測量出陣列在任意給定激勵下的方向圖；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、測試效率高的特點(diǎn)，同時(shí)還大大縮減了對場地要求，降低了測試成本。
文檔編號G01R23/16GK102445599SQ201110364110
公開日2012年5月9日 申請日期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 申請人:電子科技大學(xué)