一种柱面场静区幅相检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种柱面场静区幅相检测系统，包括直线机械扫描装置、测试探头、位置/姿态测量系统、幅度相位测试仪表。使用直线机械扫描装置携带测试探头在柱面场静区中移动，通过幅度相位测试仪表获取探头采集的静区场幅相分布，使用位置/姿态测量系统测量探头在柱面场中的位置及姿态。定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与探头在布局相同的理想柱面场中、同信号激励下同位置、同姿态的系统响应之比，使用修正幅相分布评估柱面场静区的幅度和相位特性。该柱面场静区幅相检测系统避免了在等相位面(柱面)上测试对复杂机械扫描系统的需求，同时放宽了机械扫描系统的定位精度。

A Cylindrical Field Static Area Amplitude and Phase Detection System

The invention discloses a cylindrical static area amplitude and phase detection system, which comprises a linear mechanical scanning device, a test probe, a position/attitude measurement system and an amplitude and phase measurement instrument. The linear mechanical scanner is used to carry the probe in the static area of the cylindrical field. The amplitude and phase distribution of the static area collected by the probe is obtained by the amplitude and phase measuring instrument. The position and attitude of the probe in the cylindrical field are measured by the position/attitude measuring system. The modified amplitude-phase distribution of cylindrical field is defined as the ratio of the measured results of the amplitude-phase measuring instrument at different scanning positions of the probe in the cylindrical field static zone to the system responses of the probe in the ideal cylindrical field with the same layout, in the same position and in the same attitude under the same signal excitation. The modified amplitude-phase distribution is used to evaluate the amplitude and phase characteristics of the cylindrical field static zone. The cylindrical field static area amplitude and phase detection system avoids the need for complex mechanical scanning system testing on the equal phase plane (cylindrical surface), and relaxes the positioning accuracy of the mechanical scanning system.

【技术实现步骤摘要】
一种柱面场静区幅相检测系统
本专利技术涉及一种柱面场静区幅相检测系统，用于柱面场静区中电磁场幅度和相位分布的检测与评估。其结果将作为柱面场测试系统的重要误差来源之一，对柱面场应用中的天线或雷达散射截面测试误差评估有重要意义。
技术介绍
天线和雷达散射截面测试通常需要满足远场条件。紧缩场是一种满足远场条件的室内测试场地，它借助精密的反射面(例如旋转抛物面)，将馈源发出的球面波在近距离内校正为平面波，其测试静区幅度相位分布符合平面波特征。此外，近场扫描技术广泛应用于天线测量领域，它并不直接满足远场条件，而是采用探头扫描测量的方法并通过近远场变换技术获取天线的远场辐射特性。这两种技术各有特点，互为补充。常规紧缩场的测试静区约为反射面口径尺寸的50％，实现大测试静区需要庞大的精密反射面，成本较高。而近场扫描需要至少两个维度的机械扫描实现近远场变换，若被测件较大且满足奈奎斯特采样间隔，测试时间将过长甚至无法接受。柱面场技术是紧缩场和柱面近场扫描技术的结合。它仍然使用精密反射面(抛物柱面)，然而其静区内电磁波场分布符合柱面波特征(典型布局的柱面场静区水平方向符合球面波特征，竖直方向符合平面波特征)。由于只需在一个维度上校正球面波前，在应用近场扫描理论时，其近远场变换仅需一个维度的机械扫描，节省了大量的测试时间，此外其水平方向的静区尺寸可以超过反射面口径尺寸甚至达到150％，静区利用率远高于紧缩场，反射面的建造成本相对较低。因此柱面场是一种高性价比、高效率的天线和雷达散射截面测试场地。同其它种类测试场地类似，测试误差评估是柱面场应用中的重要组成部分。紧缩场中静区平面波的质量是测试误差的重要来源之一。与紧缩场类似，柱面场中静区柱面波的质量也将显著影响测试结果。其静区主要指标体现在静区主极化场的幅度变化(包含幅度锥削和幅度波纹)和相位变化(相位波纹)等，与紧缩场的评价体系相似。静区主极化幅相评估的最佳方案是在等相位面上与中心水平面和竖直面的交线上评估，在等相位面上，幅度的变化主要由两方面因素引起，一种是由馈源方向图和照射路径差异引起的幅度锥削，另一种是由反射面口径和边缘绕射引起的幅度波纹。相位变化则主要体现在由反射面口径和边缘绕射引起的相位波纹，当馈源相位中心变化显著时，相位变化中会也出现明显的相位锥削。典型紧缩场静区的幅度锥削≤1dB，幅度波纹≤±0.5dB，相位波纹根据工作频率的高低可分为≤±5度或≤±10度。图1为紧缩场在X频段10GHz的静区VV极化(垂直极化发射垂直极化接收)水平线幅相分布，横轴代表位置，单位m；纵轴分别代表幅度和相位，单位分别为dB和deg(度)。紧缩场静区等相位面是平面，而柱面场的等相位面是柱面(电磁波可等效从一虚拟线源发出)。若要在柱面场的等相位面上评估静区幅相会复杂很多，它需要一副精密的圆弧导轨实现圆弧扫描，圆心与柱面场等效虚拟线源重合；或采用多轴导轨插补运动拟合出相同的圆弧轨迹。圆弧扫描可使探头运动时与虚拟线源的距离保持恒定，且随时指向虚拟线源的位置。这种机械扫描装置复杂成本高，在大型场地中尤为明显，同时圆弧扫描装置与被评估场地布局关联密切，较难具备通用性。采用圆弧扫描的柱面场静区检测方案示意图如图2(a)所示。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：典型柱面场的组成包括柱面场反射面及馈源，静区是由馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的规则电磁场分布的测试区域，柱面场静区内幅度相位分布符合柱面波特征。使用已有低技术难度、通用的直线扫描装置实现柱面场静区电磁场幅度和相位特性的检测与评估。本专利技术为了达到上述专利技术目的采用如下技术方案：一种柱面场静区幅相检测系统，该系统用于柱面场静区电磁场幅度和相位分布的检测与评估，典型柱面场的组成包括柱面场反射面及馈源，静区是由馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的规则电磁场分布的测试区域，柱面场静区内幅度相位分布符合柱面波特征，理想柱面场等相位面上为柱面，等相位面上场的幅度相位处处相等；该检测系统包括：直线机械扫描装置、测试探头、位置/姿态测量系统、幅度相位测试仪表、测试用稳幅稳相电缆，由幅度相位测试仪表提供柱面场馈源的信号激励，产生静区的柱面电磁波；在静区中使用直线机械扫描装置，携带测试探头在扫描导轨上直线运动；使用幅度相位测试仪表接收探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化；使用位置/姿态测量装置得到探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息，通过对幅相测试仪表的测量结果进行修正来评估柱面场的静区幅相特性。其中，所述的直线机械扫描装置，为直角坐标或极坐标扫描架；所述的测试探头，为接收自由空间电磁波的天线；所述的幅度相位测试仪表为矢量网络分析仪配合功率放大器、低噪声放大器或分布式幅相测量系统；所述的位置/姿态测量装置，为激光跟踪仪或全站仪。其中，不直接评估幅相测试仪表在探头沿扫描线上的测量结果，定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与探头在布局相同的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态的系统响应之比，通过评估修正幅相分布来确定柱面场的静区性能。其中，在典型主极化测试状态下，测试探头在理想柱面场激励下的系统响应可近似等于理想柱面场解析表达式即零阶第二类Hankel函数与测试探头归一化场方向图的乘积。本专利技术原理如下：本专利技术不在柱面场静区的等相位面(柱面)上测量静区场的幅相。使用幅相测试仪表提供柱面场馈源的信号激励，产生静区的柱面电磁波；在静区中使用直线机械扫描装置，携带测试探头在扫描导轨上直线运动(典型扫描线为水平线或竖直线)；使用幅度相位测试仪表接收探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化；使用位置/姿态测量装置得到探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息。所述的直线机械扫描装置，通常指直角坐标或极坐标扫描架等；所述的测试探头，通常指接收自由空间电磁波的天线，如标准增益喇叭天线等；所述的幅度相位检测仪表，通常为矢量网络分析仪等；所述的位置/姿态测量装置，通常为激光跟踪仪或全站仪等。按照上述方案测量静区场，不直接评估幅相测试仪表在探头沿扫描线上的测量结果。定义柱面场修正幅相分布为测试探头在柱面场静区中不同扫描位置下幅度相位测试仪表的测量结果与探头在布局相同的理想柱面场中同信号激励、同位置、同姿态的系统响应之比。通过评估修正幅相分布来确定柱面场的静区性能。所定义的柱面场修正幅相分布是测量值与理论值之比。测量值由幅度相位测试仪表获得：测试信号由幅相测试仪表输出至馈源并在静区产生柱面电磁波，静区场由测试探头接收并传输回幅相测试仪表并由仪表完成收发复信号的采集、比值测量及结果输出。理论值则由解析表达式获得：在典型主极化测试状态下，测试探头在理想柱面场激励下的系统响应可近似等于理想柱面场解析表达式(零阶第二类Hankel函数，电磁波在柱面坐标系下的一种外向行波解)与测试探头归一化场方向图的乘积。该表达式可看作测试探头在柱面场坐标系中位置及指向的函数，相关位置和指向参数由位置/姿态测量系统得到。常规紧缩场静区性能在静区中心与来波垂直的等相位面中评估，通常使用直线机械扫描装置测量中心十字线的主极化幅相分布。所评估的指标有幅度变化(包含幅度锥削和幅度波纹)、相位变化(包含相位波纹，根据技术指标有可能包含相位锥削)。柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柱面场静区幅相检测系统，其特征在于：该系统用于柱面场静区电磁场幅度和相位分布的检测与评估，典型柱面场的组成包括柱面场反射面及馈源，静区是由馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的规则电磁场分布的测试区域，柱面场静区内幅度相位分布符合柱面波特征，理想柱面场等相位面上为柱面，等相位面上场的幅度相位处处相等；该检测系统包括：直线机械扫描装置、测试探头、位置/姿态测量系统、幅度相位测试仪表、测试用稳幅稳相电缆，由幅度相位测试仪表提供柱面场馈源的信号激励，产生静区的柱面电磁波；在静区中使用直线机械扫描装置，携带测试探头在扫描导轨上直线运动；使用幅度相位测试仪表接收探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化；使用位置/姿态测量装置得到探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息，通过对幅相测试仪表的测量结果进行修正来评估柱面场的静区幅相特性。

【技术特征摘要】
1.一种柱面场静区幅相检测系统，其特征在于：该系统用于柱面场静区电磁场幅度和相位分布的检测与评估，典型柱面场的组成包括柱面场反射面及馈源，静区是由馈源发出的电磁波遇反射面反射后形成的规则电磁场分布的测试区域，柱面场静区内幅度相位分布符合柱面波特征，理想柱面场等相位面上为柱面，等相位面上场的幅度相位处处相等；该检测系统包括：直线机械扫描装置、测试探头、位置/姿态测量系统、幅度相位测试仪表、测试用稳幅稳相电缆，由幅度相位测试仪表提供柱面场馈源的信号激励，产生静区的柱面电磁波；在静区中使用直线机械扫描装置，携带测试探头在扫描导轨上直线运动；使用幅度相位测试仪表接收探头输出的复信号并测量收发信号的幅度相位变化；使用位置/姿态测量装置得到探头在柱面场反射面坐标系中的位置和姿态信息，通过对幅相测试仪表的测量结果进行修正来评估柱面场的静区幅相特性。2.如权利要求1所述的一种柱面场静区...

【专利技术属性】
技术研发人员：武建华，王正鹏，李志平，何国瑜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11