一种基于散射矩阵原理的球面近远场方法技术

一种基于散射矩阵原理的球面近远场方法。本发明专利技术涉及天线测量领域，具体涉及由近场测量数据外推待测天线的远场特性的方法，包括依次执行的以下步骤：(1)推导天线与探头之间的传输公式(2)推导出近远场变换算法：将探头的近场采样数据代入近场的传输公式，求出待测天线的传输系数，然后把传输系数代入远场的传输公式，就求出了天线的远区辐射场。(3)探头补偿，并将探头的方向图代入到考虑探头补偿的公式中得到补偿后的天线方向图。中得到补偿后的天线方向图。中得到补偿后的天线方向图。

【技术实现步骤摘要】
一种基于散射矩阵原理的球面近远场方法


[0001]本专利技术涉及天线测量
，具体涉及一种基于散射矩阵原理的球面近远场方法。

技术介绍

[0002]在当下，想要提高天线设计理念和改善天线分析的理论方法就必须要提高天线辐射的测量精确度，这个必要性已经体现在各种各样的领域里，例如在特殊的太空应用里，对天线的各项性能和规格都有严格的要求，这就需要对天线进行深入的分析，而天线测量正好为此提供了一种强有力的手段。因此，在近几年里天线测量已经引起了人们极大的重视，世界各国的学者们都做了大量的研究，提出了新的发展方向，研究了不同的测量方法，构建了不同种类的测量系统。
[0003]随着对天线的要求越来越高，人们急需找到一种测量精度高、能适应各种环境并且能提高测量效率的测量方法，近场测量法由此诞生。近场测量是一种间接方法，它是在微波暗室内，把待测天线放在转台上，使用一个小探头在待测天线的近场测量面的规则网格上进行扫描采样通过对扫描得到的近场数据进行合适的处理，就可获得待测天线的远场特性。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术旨在提出一种由近场测量数据外推待测天线的远场特性的方法，实现球面近场远场的变换以及得到近场实测数据外推远区方向图。
[0005]技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术提出的技术方案为：
[0006]由近场测量数据外推待测天线的远场特性的方法，包括依次执行的以下步骤：
[0007]步骤1，利用待测天线的散射矩阵推导探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程。
[0008]步骤1.1，利用赫姆霍兹方程推导出球面波函数。
[0009]步骤1.2，推导出待测天线的散射矩阵。
[0010]步骤1.3，将待测天线远场的电场和磁场采用球面波函数进行表示，得到基于球面波函数的待测天线远场表达式。
[0011]步骤1.4，根据天线的散射矩阵以及基于球面波函数的待测天线远场表达式，推导出探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程。
[0012]步骤2，将探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程代入到天线传输系数方程，通过解天线传输系数方程得到待测天线传输系数vT
1mn
和vT
2mn
。
[0013]步骤3，把传输系数vT
1mn
和vT
2mn
代入远场的传输公式，求出待测天线的远场表达式并绘制近远场方向图。
[0014]进一步的，还包括探头补偿，具体过程包括推导出探针响应常数公式并且进行探头响应补偿修正，可消除探头本身给测量数据带来的误差。
[0015]有益效果：本专利技术对球面近场测量的近远场变换算法进行了研究，与传统的基于模式展开的近远场变换算法不同，本专利技术采用的是散射矩阵来推导近远场变换算法。该方法是基于微波网络的思想，把待测天线和探头分别看成一个开放的二端口网络，通过探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程，把待测天线的近场数据代入传输公式，求出待测天线的传输系数。由于近场和远场的传输系数是相同的，所以把求得的传输系数代入远场的传输公式，就可以求出待测天线的远场表达式。因此，本算法的关键是求出待测天线的传输系数。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的一种球面近场测量外推远场的步骤流程图；
[0017]图2是球面近场测量外推远场计算流程框图；
[0018]图3是待测天线场分布图；
[0019]图4是待测天线的波导与球面波模式图；
[0020]图5是原始近场数据图；
[0021]图6是远场外推结果图；
[0022]图7是反推远场数据与实测近场数据对比图。
具体实施方式
[0023]目前为止，我们无法直接测量待测天线的远场特性，故而我们采取了一种间接测量的方式：近场测量外推远场数据。近场测量是一种间接方法，它是在微波暗室内，把待测天线放在转台上，使用一个小探头在待测天线的近场测量面的规则网格上进行扫描采样通过对扫描得到的近场数据进行处理，就可获得待测天线的远场特性。
[0024]图1所示为本专利技术的一种球面近场测量外推远场的整体流程图，包括以下步骤：
[0025]步骤1，利用待测天线的散射矩阵推导探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程；
[0026]步骤1.1，利用无源区的赫姆霍兹方程推导出球面波函数
[0027]如图4，r＝r0是包围待测天线的一个最小球面半径。则在r≥r0的区域，待测天线产生的场是满足无源区的赫姆霍兹方程的:
[0028][0029][0030]其中是电场矢量，是磁场矢量。
[0031]若f(r,θ,φ)是标量赫姆赫兹方程在球坐标系中的解，也就是:
[0032]则可由
[0033]所组成的两组矢量函数构成赫姆霍兹方程的解：
[0034][0035]其中表示矢量波函数。
[0036]式的基本解为：
[0037][0038]其中是归一化连带勒让德函数,其中
[0039][0040][0040]表示径向函数，其具体表达式如下：
[0041]Z
n(1)
＝j
n
(kr)(球贝塞尔函数)
[0042]Z
n(2)
＝n
n
(kr)(球诺依曼函数)
[0043]Z
n(3)
＝h
n(1)
(kr)＝j
n
(kr)+i*n
n
(kr)(第一类球汉克尔函数)
[0044]Z
n(4)
＝h
n(2)
(kr)＝j
n
(kr)
‑
i*n
n
(kr)(第二类球汉克尔函数)
[0045]c＝1和c＝2，j
n
(kr)及n
n
(kr)代表驻波，而c＝4,h
n(1)
(kr)代表出射行波，c＝3,h
n(2)
(kr)代表入射行波。在r＝0处n
n
(kr)具有奇异性，因此，对于0≤r≤r0的有限区域的内的场选取j
n
(kr)为波函数，对于r0≤r≤∞的外部区域选取h
n
(kr)为波函数。此时，矢量波函数则变为:
[0046][0047]矢量波函数变为：
[0048][0049]为球面波函数，是归一化连带勒让德函数,
[0050]其中
[0051][0051]表示径向函数。
[0052]步骤1.2，推导出待测天线的散射矩阵
[0053]在图4中待测天线最小球面外的总电场为：
[0054][0055]其中，j＝2{n(n+1)+m
‑
1}+s，1}+s，n、m表示了不同主模模式的矩形波导，N＝Kr0+10为最高模式阶数,r0为包围待本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于散射矩阵原理的球面近远场方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，利用待测天线的散射矩阵推导探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程；步骤2，将探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程代入到天线传输系数方程，通过解天线传输系数方程得到待测天线传输系数vT
1mn
和vT
2mn
；步骤3，把传输系数vT
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和vT
2mn
代入远场的传输公式，求出待测天线的远场表达式；所述远场的传输公式为：其中，T
smn
表示天线未知的传输系数，表示旋转系数，P
sμn
表示探头接收数据，v表示输入信号。2.根据权利要求1所述一种基于散射矩阵原理的球面近远场方法，其特征在于，步骤1中利用待测天线的散射矩阵推导探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程，具体包括如下步骤：步骤1.1，利用赫姆霍兹方程推导出球面波函数；步骤1.2，推导出待测天线的散射矩阵；步骤1.3，将待测天线远场的电场和磁场采用球面波函数进行表示，得到基于球面波函数的待测天线远场表达式；步骤1.4，根据天线的散射矩阵以及基于球面波函数的待测天线远场表达式，推导出探头的接收信号与待测天线的激励信号之间的传输方程。3.根据权利要求2所述一种基于散射矩阵原理的球面近远场方法，其特征在于，步骤1.1中利用赫姆霍兹方程推导出球面波函数，具体为；矢量波函数表示为：矢量波函数表示为：矢量波函数表示为：
其中，是归一化连带勒让德函数，其中是归一化连带勒让德函数，其中表示径向函数。4.根据权利要求2所述一种基于散射矩阵原理的球...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄正宇，刘少斌，陈子安，姜丰，郝中银，安彤，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：