一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端技术方案

本发明专利技术属于天线技术领域，公开了一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端，所述天线方向图快速测量和预估方法包括：通过计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；对天线在与特征模个数对应的少量离散方向的辐射场通过收发系统进行测量，通过测量结果反演各个特征模式激励系数；通过模式叠加获得天线的3维方向图，借助少量离散方向的电场测试结果进行验证。本发明专利技术只需进行几个离散点测试，而不需要探头进行过天线顶部的大范围的弧形运动或者大面积二维测量面扫描，大大降低了测试的成本和难度；通过有限点的测试获取3维方向图数据，提升系统的测试能力；该方法原则上可以通过单极化的测试预估全极化的测试结果。测试结果。测试结果。

【技术实现步骤摘要】
一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端


[0001]本专利技术属于天线
，尤其涉及一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端。

技术介绍

[0002]目前，作为能量转换装置的天线在基于无线电的各种电子设备中具有无可替代的重要作用。例如，在雷达、通信、电子对抗、电子侦察、甚至医疗设备等各种应用中都需要借助天线作为能量的发射或者接收装置。而这在这种天线对电磁能量的发射或接收过程中，因为不同的需求，需要天线满足不同的方向性要求。例如卫星通信天线就需要高增益的波束将能量集中在某一个特性方向，形成针状波束达到远距离定向通信的目的；而广播信号发射天线则希望产生全方向覆盖的波束，达到全向广播的效果。描述天线方向性的指标参数为方向函数，对应的图形表示为方向图。为满足不同的应用需求，人们设计了具有各种方向特性的天线来适应对应的方向性要求，如反射面高增益天线、对称阵子宽波束天线等。进一步，在工程应用中，在这些天线被实际安装在设备系统之前，人们需要对天线的方向性进行实际的测试，用来检验天线的方向性设计是否满足要求，这就是通常所说的天线方向图测试。天线方向图测试是天线研发中必不可少的一个环节，也是天线研究领域的一个独立的学科。
[0003]典型天线的天线方向图测试方法首先需要建立收发链路：即将信号能量通过发射天线转变为电磁波，电磁波经过空间传播后到达接收天线，接收天线将电磁波转换为接收端的信号，进一步处理后获得接收端信号和发射端信号的幅度相位比例。当固定收发天线中的一个天线的指向，而让另一个天线的指向通过机械伺服或其他手段做空间相对角度运动变化时，记录下来的不同离散角度对应的幅度相位比例就会体现出旋转天线的发射或者接收能力随着空间不同角度的变化，形成方向函数或者方向图的部分离散采样点上的数值。如果这些采样点覆盖了天线的2个主要切面，如E面或者H面，构成了切面2维方向图曲线。如果进行大量的测量获取了天线半空间甚至全空间不同方向的方向性采样点数据，就可以形成3维方向性数据。考虑到极化特性时，3维方向图的测试具有很大复杂度。
[0004]常规无线电应用中所提的天线方向图是指远场方向图，即天线在辐射场占据主体的区域内对应的方向图。因此对天线的远场直接测试中需要收发天线间距满足远场条件。对于面天线而言，远场条件所需的收发间距大于2D2/λ。对单极子或者偶极子类电小天线而言，远场条件所需的收发间距大于为10λ。当收发间距大于这一距离时，可以采用远场直接测试。另一类远场方向图间接测试方法为近场测试方法，即借助探头在包围待测天线的一个近场区域的面上进行离散的场采样测试，并借助惠更斯原理和采样定理进行近远场变换获取待测天线的远场方向图。
[0005]对于采用近场测试的方法，因为要使探头在几百米甚至上千米的2维采样面范围内精确移动和采样，如果采用固定框架导轨，代价过大几乎不可行；如果采用移动平台如无人机携带探头，又面临定位精度不够、续航能力不够、受天气影响过大等问题而无法保障测
试精度测试覆盖范围。对于采用远场测试的方法，由于将几十米的地面环境进行移动或者转动不可行，天线最多只具有方位维的旋转能力，因此若接收探头固定在远距离的塔架上(如常规远场测试所能提供的条件那样)，随着天线转动，测试系统只能获得某一固定俯仰角度的方向图切线；若在塔架上搭设导轨，即使探头只进行一维的弧线运动，也需要几十米甚至近百米的弧形导轨塔架，造价和成本非常高昂。此外，要想获得3维的全部方向图数据，需要天线的旋转和探头在导轨上的运动反复。综上所述，以获取3维方向图为目标的低频段天线方向性测试，如果采用传统方法，其成本、测试难度、测试时间都远超过人们的预期，大大限制了其可行性。迫切需要研发新的测试策略和方法。
[0006]对于频率较低的天线而言，例如工作在几十MHz的天线，工作波长较大。这就导致，一方面天线系统本身的尺寸非常庞大；另一方面远场收发间距要求也很大。此外要使测试的结果与实际的使用相一致，天线周边的环境要和实际一致，尤其是地面的反射效应所需要考虑的区域也非常大；例如30MHz的对称振子天线，典型尺寸达到5m左右，影响天线辐射特性的“地面”区域直径也达到几十米；远场收发间距达到100m。此时无论采用近场还是远场都面临很大的挑战。
[0007]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0008](1)对于采用近场测试的方法，如果采用固定框架导轨，代价过大几乎不可行；如果采用移动平台如无人机携带探头，又面临定位精度不够、续航能力不够、受天气影响过大等问题而无法保障测试精度测试覆盖范围。
[0009](2)对于采用远场测试的方法，若接收探头固定在远距离的塔架上，测试系统只能获得某一固定俯仰角度的方向图切线；若在塔架上搭设导轨，需要几十米甚至近百米的弧形导轨塔架，造价和成本非常高昂。
[0010](3)以获取3维方向图为目标的低频段天线方向性测试，如果采用传统方法，其成本、测试难度、测试时间都远超过人们的预期，大大限制了其可行性。
[0011](4)现有频率较低的天线工作波长较大，一方面会导致天线系统本身的尺寸非常庞大，另一方面远场收发间距要求也很大。
[0012](5)现有频率较低的天线，要使测试的结果与实际的使用相一致，天线周边的环境要和实际一致，尤其是地面的反射效应所需要考虑的区域也非常大，无论采用近场还是远场都面临很大的挑战。
[0013]解决以上问题及缺陷的难度为：
[0014](1)对于采用近场测试的方法，因为要使探头在几百米甚至上千米的2维采样面范围内精确移动和采样，如果采用固定框架导轨，代价过大几乎不可行；如果采用移动平台如无人机携带探头，又面临定位精度不够、续航能力不够、受天气影响过大等问题而无法保障测试精度测试覆盖范围。
[0015](2)对于采用远场测试的方法，由于将几十米的地面环境进行移动或者转动不可行，天线最多只具有方位维的旋转能力，因此若接收探头固定在远距离的塔架上(如常规远场测试所能提供的条件那样)，随着天线转动，测试系统只能获得某一固定俯仰角度的方向图切线；若在塔架上搭设导轨，即使探头只进行一维的弧线运动，也需要几十米甚至近百米的弧形导轨塔架，造价和成本非常高昂。此外，要想获得3维的全部方向图数据，需要天线的旋转和探头在导轨上的运动反复。综上所述，以获取3维方向图为目标的低频段天线方向性
测试，如果采用传统方法，其成本、测试难度、测试时间都远超过人们的预期，大大限制了其可行性。迫切需要研发新的测试策略和方法。
[0016]解决以上问题及缺陷的意义为：如果可以降低低频段天线的测试系统的硬件尺寸、复杂度成本和相关的场地要求，并同时降低天线测试的工作时间和控制复杂度，形成简单可行的测试方法，可以大大推动和加速人们对低频段天线的研发和实用。同时，如果新的测试方法可以提供3维的全极化方向图测试结果，则可以为基于低频天线的各种设备平台提供更加完备的数据基础，形成对系统整体特性更加清晰和完备的预估和认识，提升低频段无线电系统的各种应用设备技术水平。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天线方向图快速测量和预估方法，其特征在于，所述天线方向图快速测量和预估方法首先通过计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；然后对天线在与特征模个数对应的少量离散方向的辐射场通过收发系统进行测量，并通过测量结果反演各个特征模式激励系数；接着通过模式叠加获得天线的3维方向图；进一步借助少量离散方向的电场测试结果进行验证。2.如权利要求1所述的天线方向图快速测量和预估方法，其特征在于，所述天线方向图快速测量和预估方法包括以下步骤：步骤一，基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；步骤二，通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数；步骤三，通过模式叠加获得天线的3维方向图。3.如权利要求2所述的天线方向图快速测量和预估方法，其特征在于，步骤一中，所述基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据，包括：对于一个给定的天线结构，对天线进行建模，并基于仿真计算获取待测天线的所有有效特征模个数M及每个模式对应的3维场强数据；选定特征模贡献度相对差异较大的方向N为方向个数，根据特征模电场的特性暂取M＝9；导出所述方向的各个特征模场强某指定极化的数据其中m为特征模编号，n为方向编号，组成矩阵[E]待用；其中，所述矩阵[E]的表达式如下：将天线实体依假设在典型的简化版远场进行各个单角度的远场指定极化测试，获取这些离散角度上的指定极化辐射场4.如权利要求2所述的天线方向图快速测量和预估方法，其特征在于，步骤二中，所述通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数，包括：借助所述测试和计算结果获得各个特征模激励系数，包括：由天线特征模理论可知，本征模场和天线辐射场满足如下关系：其中，α
m
,n∈[1,M]为特征模的激励系数；基于测试获取的和计算获取的利用以下公式求解出α
m
,n∈[1,M]：
5.如权利要求2所述的天线方向图快速测量和预估方法，其特征在于，步骤三中，所述通过模式叠加获得天线的3维方向图，包括：通过特征模理论和叠加定理，获取任意角度的3维辐射场分布函数以及对应的方向图：在所述天线单角度测试中额外选择若干其他测试方向，对获取的叠加结果进行验证；在所述测试过程中，选择N...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏飞，冯今又，张照，许鑫，葛薇，吴燕民，
申请(专利权)人：中国电波传播研究所中国电子科技集团公司第二十二研究所，
类型：发明
国别省市：