一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法与流程

1.本发明涉及天线测量技术领域，具体地说，涉及一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法。


背景技术：

2.通常近场扫描法如平面近场、柱面近场和球面近场是测量电大尺寸天线最有效的方法；为了加快测量速度，还出现了多探头阵列球面近场测量技术，如图1所示多探头球面近场快速测量系统，是由法国satimo开发的技术satimo于2008年加入mvg1。
3.这种方式测量效率非常高，但是通常系统非常复杂和昂贵，而且一旦完成设计以后，就很难再进行更改频段或扫描方式，导致灵活性不高。因为更改频率，意味着需要重新更换探头，并对探头进行精密定位以及进行校准，这些操作非常专业，而且非常耗时。


技术实现要素：

4.本发明针对上述球面近场多探头阵列的成本高、灵活性不足和校准要求高的问题，提出一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，通过将n个探头方向图一致的双极化近场扫描探头按照等间隔的方式组合在一起，得到探头组模块，并对应的射频切换开关和射频连接器，实现不同频段的快速切换，在探头定位机构控制探头进行空间位置扫描时，把机械扫描所需次数缩短为单探头扫描扫描次数的1/n，提高了近场法天线测量效率。
5.本发明具体实现内容如下：
6.一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，包括以下步骤：
7.步骤1：将n个探头方向图一致的双极化近场扫描探头按照等间隔的方式组合在一起，得到探头组模块；
8.步骤2：在探头组模块的每一个探头后安装一个射频切换开关，通过射频线缆将射频切换开关与射频连接器连接，形成快插头界面；
9.步骤3：利用天线定位器校准双极化探头组模块的探头幅相一致性差异，得到探头幅相一致性修正系数；
10.步骤4：将双极化探头组安装在近场扫描定位器上，采集近场数据；
11.步骤5：将采集的近场数据减去步骤3得到的探头幅相一致性修正系数，得到剔除了探头幅相一致性差异的近场数据；
12.步骤6：根据修正后的近场数据和探头方向图，变换近场-远场得到待测天线aut的方向图，完成测量。
13.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
14.步骤31：将发射端射频线缆分别连接至对应的天线上，通过天线定位器将标准天线依次对准探头组中的探头，通过矢量网络分析仪测量得到传输系数s
21
；
15.步骤32：从探头组模块中选取一个探头作为参考探头，得到选取的参考探头的传
输系数
16.步骤33：根据标准天线到当前探头的传输系数参考探头的传输系数得到探头幅相一致性修正系数
17.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤4中采集的近场数据为s
21
(f,xi,yi,γ)；
18.其中，f为频率，xi,yi为近场扫描的坐标，γ为探头的极化方式。
19.为了更好地实现本发明，进一步地，所述探头组模块外部设置有安装卡口；
20.所述安装卡口与球面近场扫描架、平面近场扫描架、柱面近场扫描架上设置的卡口以及辅设吸波材料的接口对应。
21.为了更好地实现本发明，进一步地，当探头组模块为平面或柱面近场探头组模块时，相邻两个间隔之间的误差精度为+/-λ/72，其中，λ为波长；当探头组模块为球面近场探头组模块时，相邻两个间隔之间的误差精度为+/-0.27
‰°
。
22.为了更好地实现本发明，更进一步地，所述探头组模块中的探头为超宽带探头或开口波导探头。
23.本发明具有以下有益效果：
24.(1)本发明通过设置探头组模块，并在探头组模块设置射频接口、控制接口、机械安装接口，实现了不同频段的快速切换，将机械扫描所需次数缩短为单探头扫描次数的1/n，提高了近场法天线测量效率。
25.(2)本发明可以把现有的单探头扫描系统包括平面近场扫描、柱面近场扫描和球面近场扫描，快速转换为多探头阵列系统不需要进行非常复杂的设计和建造才能得到多探头阵列，既保留了单探头的灵活性，又获得了多探头阵列的快速测量效率。
26.(3)本发明可利用现有单探头系统进行软件和数据采集方式升级，无需对现有硬件系统进行重大改进即可实现多探头阵列近场测量系统。
27.(4)本发明提出的校准方法在实验室中也可在现场利用现有系统完成校准，校准过程非常接近于天线测量过程；不需要采用非常复杂的校准系统进行校准，也不需要借助于激光跟踪仪找到虚拟大环的圆心。
附图说明
28.图1为现有技术中多探头球面近场快速测量系统；
29.图2为基于可更换式双极化探头组的宽带球面近场测量示意图；
30.图3为基于可更换式双极化探头组的宽带柱面近场测量示意图；
31.图4为基于可更换式双极化探头组的宽带平面近场测量示意图；
32.图5为双极化探头组整体平移测量示意图；
33.图6为探头组与多通道接收机的连接示意图；
34.图7为探头组幅相一致性校准测量示意图；
35.图8为在实验室中校准用于球面近场的探头组模块示意图；
36.图9为平面/柱面扫描探头模块组的标准接口示意图；
37.图10为第一个周期的数据采集过程示意图；
38.图11为探头与虚拟大环位置关系示意图；
39.图12为安装了吸波材料的平面/柱面扫描探头模块组的标准接口示意图。
具体实施方式
40.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.实施例1：
43.一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，包括以下步骤：
44.步骤1：将n个探头方向图一致的双极化近场扫描探头按照等间隔的方式组合在一起，得到探头组模块；
45.步骤2：在探头组模块的每一个探头后安装一个射频切换开关，通过射频线缆将射频切换开关与射频连接器连接，形成快插头界面；
46.步骤3：利用天线定位器校准双极化探头组模块的探头幅相一致性差异，得到探头幅相一致性修正系数；
47.步骤4：将双极化探头组安装在近场扫描定位器上，采集近场数据；
48.步骤5：将采集的近场数据减去步骤3得到的探头幅相一致性修正系数，得到剔除了探头幅相一致性差异的近场数据；
49.步骤6：根据修正后的近场数据和探头方向图，变换近场-远场得到待测天线aut的方向图，完成测量。
50.工作原理：本实施例通过将n个探头方向图一致的双极化近场扫描探头按照等间隔的方式组合在一起，得到探头组模块，并对应的射频切换开关和射频连接器，实现不同频段的快速切换，在探头定位机构控制探头进行空间位置扫描时，把机械扫描所需次数缩短为单探头扫描扫描次数的1/n，提高了近场法天线测量效率。
51.实施例2：
52.本实施例在上述实施例1的基础上，如图7所示，对步骤3-步骤4中的校准方法的详细步骤进行说明。
53.步骤31：将发射端射频线缆分别连接至对应的天线上，通过天线定位器将标准天线依次对准探头组中的探头，通过矢量网络分析仪测量得到传输系数s
21
；
54.步骤32：从探头组模块中选取一个探头作为参考探头，得到选取的参考探头的传输系数
55.步骤33：根据标准天线到当前探头的传输系数参考探头的传输系数得到探头幅相一致性修正系数
56.为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤4中采集的近场数据为s
21
(f,xi,yi,γ)；
57.其中，f为频率，xi,yi为近场扫描的坐标，γ为探头的极化方式。
58.本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
59.实施例3：
60.本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，以一个具体的实施例进行详细说明。
61.本实施例把探头阵列设计成一个可更换的独立模块，模块外部具有标准安装卡口以及射频和控制线接口；所谓的安装卡口是指把探头组模块按照到大环上的卡口以及铺设吸波材料的接口。为了便于配套，在相应的大环上、平面近场和柱面近场扫描架上都分别设计好对应的卡口；经过这样模块化、标准化的设计，不同模块之间就可以方便地完成更换，从而可以覆盖不同的频段。而且本实施例不限于球面近场，还可用于平面近场和柱面近场，从而大大增加了近场测量系统之间的灵活性。
62.如图11所示2个探头#1和#2需要位于同一个圆环上，且对准圆心o。为了保证测量精度，这两个探头的半径r1和r2的差别需要小于λ/180，此时对应相位误差2
°
，这里λ为波长。当频率为18ghz时，λ/180＝0.0926mm！可以想象一下，在一个直径为6m的大环上，需要安装的探头半径误差为0.0926mm，如果没有价值为百万元的激光跟踪仪，别说精确安装和定位，即使测量精度也达不到0.09mm。
63.如何达到这种安装精度？通常做法是，在首次安装系统时，有专业人员借助于价值百万元起步的激光跟踪仪，进行精细调整。如果探头数量过多时，精细调整的时间需要持续数天至一周。
64.除了半径r1和r2有严格要求外，探头在圆环上的角度也必须准确到0.05
°
以上，因为按照球面近场-远场变换理论，需要在包围待测天线的球面点阵上把电场变换的幅度和相位信息给采集下来，即需要把待测天线在这些点阵上的电场波动情况给采集下来，然后才能按照惠更斯原理当作二次辐射源推导出远场的真实特性；如果探头安装角度不准，则采集到的信息将引入较大误差。
65.此外，一旦安装完成以后，上面还需要包裹复杂的吸波材料；这个也需要专业人员才可以完成。可想而知，一旦安装完成以后，在日程测量过程中，一般测量人员是不会进行更换的，因为使用这种测量装置的主要原因就是快速。如果为了更换探头，不仅需要专业人员，而且更换很耗时，这样一来，还不如采用一个单探头球面近场省事。换言之，如果需要更换探头，这种测量技术的实用价值就不高了。
66.通常，球面近场测量方法非常耗时；为了提高测量速度，按照现有的多探头阵列球面近场技术，通常需要沿着大环精密地安装64个或128个探头，这样就能够通过射频开关或调制技术进行快速切换，把机械扫描所用时间缩短为2个数量级以上。由于探头数量多，配套的射频线缆、射频开关或调制技术导致整个系统非常复杂。现有技术中不需要在大环上均匀地安装64个或128个探头，而通常只需要在四分之一环上安装一组探头，然后让这组探头绕着大环滑动，从而达到64个或128个探头的效果，但仍然没有摆脱复杂的大环系统，本
质人与常规的多探头阵列球面近场没有区别；此外，现有技术对探头组作出模块化设计，也未定义安装界面、射频和控制接口，导致整套系统仍然非常复杂，不具有快速更换的条件。
67.本实施例旨在解决，如何把现有成熟的单探头近场扫描系统，包括平面近场、柱面近场和球面近场，国内总计约200套，且大部分是以平面近场为主，升级形成多探头阵列快速测量装置。在该升级过程中，仅需把单探头替换为本技术交底书中的探头组模块，然后把采集数据的子程序做功能扩展即可；换言之，本实施例提出的思路，无需对现有单探头硬件系统进行重大改变即可实现多探头阵列近场测量系统，从而大大压缩测量时间。如把10个探头构成1个探头组模块，则可以把测量时间缩短至原来的约1/7，测量速度提高了6倍；如果采用先进的调制技术和多通道接收机技术，则测量速度可提高9倍。
68.制作成独立模块的方法，不仅能够快速更换模块，而且更利于精细调节和校准呢？对于现有技术中探头组的精细调节和对准必须在大环上进行；不同探头及射频线缆之间的幅度相位差别，也只能在大环上进行校准。而大环，通常为了稳固，需要按照在一个非常稳定的基座上，导致这个操作都必须在大环现场完成。本实施例中提出的模块化方法，因为这个模块可以快速拆卸，从而可以把模块拿到标准实验室中进行调节；通常，标准试验中都有专业的工作台和工装，甚至可以拿到复杂的三坐标机来进行更为精密的测量。三坐标机是一台庞大、复杂的设备，需要有恒温恒湿环境和极其稳定的地基，如大理石地基，因此三坐标机不可能搬运到大环安装现场。此外，就不同探头及射频线缆的幅度相位一致性校准问题，因为设计成一个独立的模块，因此可以在规范的实验室中进行操作，如图8所示。
69.本实施例设置有规范的射频接口和控制接口，这样可以采用同一套数据采集程序来控制不同模块；具有规范的机械安装接口，通过该接口，把探头模块组按照到机械扫描架上；设计好规范、通用化的机械安装接口。这样，对于不同频段的探头组模块，就可以实现快速更换；具有规范的吸波材料安装界面，这样可以快速实现探头组模块覆盖吸波材料的拆卸和安装；
70.当用于球面近场时，探头模块组的形式如图9所示；当用于平面/柱面近场时，探头模块组的形式如图12所示；
71.探头之间的间隔距离或角度必须是严格的，通常平面/柱面要求间隔距离之间的差别小于λ/72或球面近场0.27
‰°
；
72.探头模块中的探头不一定是超宽带的，也可以是开口波导探头即窄带的。换言之，本实施例可以兼容现有技术，把现有窄带探头快速转化成快速测量系统，同时在很大程度上保留单探头的精密性；
73.本实施例采集到的数据需要进行拼接。有多种拼接方法，取决于探头间距dr以及最终扫描间距，称之为dx。以平面近场为例，说明如下：
74.假定dr＝λ,δx＝λ3，则有：
75.第一个周期的数据采集方式：
76.把探头组模块定位，使得探头#1位于x1时，n个探头依次采集数据，得到位置x1,x2,
···
,xn的数据；
77.探头模块组向x轴方向平移(即扫描)几何位置δx时，探头#1～探头#n的扫描位置分别为：
[0078][0079]
探头模块组向x轴方向继续(即扫描)几何位置δx时，探头#1～探头#n的扫描位置分别为：
[0080][0081]
此时，该周期的数据(3n个数据)采集完成，此时的数据应当拼接为：
[0082][0083]
上述数据采集过程示意图如图10所示。
[0084]
在探头组模块每移动到一个几何位置时，等效于n个探头同时进行采集；经过一个周期即采集三次，即可完成从位置x0采集到：
[0085][0086]
第二个周期的数据采集方式：
[0087]
探头模块组向x轴方向平移，使得探头#1位于几何位置x0+nλ时，重复上述数据采集过程。
[0088]
如果n＝10，则最终机械扫描的次数可缩短为单探头扫描次数的1/10。
[0089]
对于球面近场，只需要把上述位置增量，改为角度增量，把平移改为旋转，则上述过程也适用于球面近场。
[0090]
换言之，采用探头模块组，可以把现有的单探头扫描系统包括平面近场扫描、柱面近场扫描和球面近场扫描，快速转换为多探头阵列系统，而不需要进行非常复杂的设计和建造才能得到多探头阵列，既保留了单探头的灵活性，又获得了多探头阵列的快速测量效率。可利用现有单探头系统进行软件和数据采集方式升级，无需对现有硬件系统进行重大改进即可实现多探头阵列近场测量系统的优点。是一种非常重要的方法创新。
[0091]
如图2、图3、图4所示，本实施例提出的可替换式双极化探头组模块，可分别应用于球面近场、柱面近场和平面近场；
[0092]
双极化探头组可沿着轨道进行滑动，而双极化探头组制作成模块化，可以方便地进行更换为不同频段，如：测量待测天线aut的频率f1时，可采用双极化探头组1；测量待测天线aut的频率f2时，可替换为双极化探头组2；
[0093]
采用双极化探头组，可以提高数据采样效率。现以图4中的平面近场为例进行说明，如图5所示，当探头组沿着x轴平移位置δx以后，第#1～#4号探头在x轴方向的坐标依次增加δx；换言之，探头组每平移一次，相当于单探头平移了4次；4个探头之间可采用射频切换开关，机械开关切换时间为ms量级，而电子开关切换时间为ns量级或者直接采用4个接收机进行测量，相当于有4套独立的单探头系统在同时工作，因此其数据采样效率得以大大提高。
[0094]
探头组中各探头与多通道接收机的射频连接方式如图6所示，每一个双极化探头后面带1个二选一射频切换开关，假定有n个双极化探头形成一个探头组；探头组的输出端可采用现有成熟技术，smp-kk射频连接器和转接板实现探头组与多通道接收机之间的快速
插拔连接。
[0095]
至于双极化探头组对应的幅相一致性差别，可单独按照如下方式进行校准：
[0096]
如图7所示，首先，把发射端射频线缆分别与接收端对应的射频线缆进行直通连接，测量其s
21
，然后把电缆分别连接到各自对应天线上。此时，通过右侧的天线定位器，把标准天线依次对准探头组中的探头#1、探头#2等；标准天线每对准一个探头时，采取矢量网络分析仪的传输系数s
21
。假定探头#1为参考探头，此时对应的传输系数为并设标准天线到探头i的传输系数为该探头的幅相一致性修正系数为则有式(3.2-1)。
[0097][0098]
探头幅相一致性修正系数可用于把测量待测天线aut采集到的数据，设为s
21
(f,xi,yi,γ)，修正为如式(3.2-2)所示。
[0099][0100]
这里即表示剔除了不同探头的幅相一致性差异以后的值，该值正确体现了待测天线aut在近场采用曲面上的变化量，其中f为频率，xi,yi为平面近场扫描的坐标，对于其他扫描曲面可采用相应的坐标系)γ为探头的极化方式，包括水平极化和垂直极化。
[0101]
最后，把采集并修正以后的近场数据含水平极化和垂直极化分量，进行近场-远场变换，即可得到待测天线aut的远场方向图。
[0102]
下面的步骤，简单汇总了可替换式双极化探头组技术的基本步骤：
[0103]
1)把n个探头方向图一致的双极化近场扫描探头，按照等间隔方式组合在一起，各探头的间隔和姿态必须符合相应要求；如果各探头的方向图有差异，则需要事先单独测量出各自探头对应极化下的天线方向图，以备近场-远场变换时进行方向图修正；
[0104]
2)把n个探头构成的探头组，每一个探头后面安装一个二选一射频切换开关(该步骤为可选方案)，然后通过射频线缆和smp-kk射频连接器，形成一个标准的快插头界面(转接板)；
[0105]
3)通过天线定位器，对双极化探头组进行各探头和极化的幅相一致性校准，得到其修正值；
[0106]
4)把双极化探头组按照到近场扫描定位器上，进行数据采集；
[0107]
5)把步骤4)中采集的数据减去修正值，得到剔除了探头幅相差异的近场数据；
[0108]
6)根据修正以后的近场数据和探头方向图，进行近场-远场变换，即可得到待测天线aut的方向图，完成测量。
[0109]
本实施例提出的可更换式双极化探头组，可用于平面近场、柱面近场和球面近场法天线辐射参数测量；通过采用双极化探头组及对应的快插连接器smp-kk和转接板，可以实现不同频段的快速切换；把n个双极化探头构成一个探头组，在探头定位机构控制探头进行空间位置扫描时，可把机械扫描所需次数缩短为单探头扫描扫描次数的1/n，从而提高近场法天线测量效率。
[0110]
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
[0111]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将n个探头方向图一致的双极化近场扫描探头按照等间隔的方式组合在一起，得到探头组模块；步骤2：在探头组模块的每一个探头后安装一个射频切换开关，通过射频线缆将射频切换开关与射频连接器连接，形成快插头界面；步骤3：利用天线定位器校准双极化探头组模块的探头幅相一致性差异，得到探头幅相一致性修正系数；步骤4：将双极化探头组安装在近场扫描定位器上，采集近场数据；步骤5：将采集的近场数据减去步骤3得到的探头幅相一致性修正系数，得到剔除了探头幅相一致性差异的近场数据；步骤6：根据修正后的近场数据和探头方向图，变换近场-远场得到待测天线aut的方向图，完成测量。2.如权利要求1所述的一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：步骤31：将发射端射频线缆分别连接至对应的天线上，通过天线定位器将标准天线依次对准探头组中的探头，通过矢量网络分析仪测量得到传输系数s
21
；步骤32：从探头组模块中选取一个探头作为参考探头，得到选取的参考探头的传输系数步骤33：根据标准天线到当前探头的传输系数参考探头的传输系数得到探头幅相一致性修正系数3.如权利要求2所述的一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，其特征在于，所述步骤4中采集的近场数据为s
21
(f,x
i
,y
i
,γ)；其中，f为频率，x
i
,y
i
为近场扫描的坐标，γ为探头的极化方式。4.如权利要求1所述的一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，其特征在于，所述探头组模块外部设置有安装卡口；所述安装卡口与球面近场扫描架、平面近场扫描架、柱面近场扫描架上设置的卡口以及辅设吸波材料的接口对应。5.如权利要求1所述的一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，其特征在于，当探头组模块为平面或柱面近场探头组模块时，相邻两个间隔之间的误差精度为+/-λ/72，其中，λ为波长；当探头组模块为球面近场探头组模块时，相邻两个间隔之间的误差精度为+/-0.27
‰°
。6.如权利要求1-5任一项所述的一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法，其特征在于，所述探头组模块中的探头为超宽带探头或开口波导探头。

技术总结
本发明涉及天线测量技术领域，具体地说，涉及一种由可更换式双极化探头组构成的天线近场法测量方法；通过将N个探头方向图一致的双极化近场扫描探头按照等间隔的方式组合在一起，得到探头组模块，并对应的射频切换开关和射频连接器，实现不同频段的快速切换，在探头定位机构控制探头进行空间位置扫描时，把机械扫描所需次数缩短为单探头扫描扫描次数的1/N，提高了近场法天线测量效率；不需要采用非常复杂的校准系统进行校准，也不需要借助于激光跟踪仪找到虚拟大环的圆心，无需对现有硬件系统重大进行改进即可实现多探头阵列近场测量系统。量系统。量系统。


技术研发人员：李华军 徐文杰 魏平 邓乐武 赵虔 沈伦玉
受保护的技术使用者：成都飞机工业（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/5