一种阵列天线辐射特性的快速测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阵列天线辐射特性的快速测量方法，属于阵列天线技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着移动通信等无线通信技术的发展，天线技术也得到了较快的发展。其中，阵列 天线以其馈电激励源多样性、扫描形式灵活性、利于共形设计和智能化管理等特点，得到了 越来越广泛的应用，成为了移动通信蜂窝网中装机量最大的一种天线。在我国，出于资金和 土地、环境保护、建设周期等方面的考虑，通常将多个运营商的多个蜂窝系统设置在同一个 基站上，多个蜂窝系统共塔架，而且每个蜂窝系统配置多个天线，这种场景下的同站干扰问 题是比较明显的。随着蜂窝系统越来越复杂，对于能够影响同站干扰问题的辐射指标的要 求越来越严格，例如阵列天线的波瓣宽度、垂直面的主瓣方向、旁瓣电平等，需要在天线出 厂时及时对辐射指标进行检测。
[0003] 目前，测量天线的辐射方向图的基本方法有两种：
[0004] -、远场测量法
[0005] 远场测量法是由位于远场的源天线发射电磁波，电磁波近似为平面波形式照射到 待测天线，在待测天线端口处检测出其接收方向图。在实际测量过程中，需要将待测天线和 源天线拉开较远的距离，一边转动待测天线，一边记录源天线与待测天线间的传输系数，从 而得到其方向图。远场测量法直观、简单，测试成本低，但是其缺点也很明显，①测试结果受 外界环境影响大，例如电磁环境、场地反射、天气、时间等，恶劣环境下甚至无法进行测试； ②收发距离要满足远场测试条件，源天线和待测天线之间的距离L>2D 2/A(D是待测阵列天 线的最大口径，λ是测试频率的波长）；测试距离远，测试成本很高;③每次测量只能获取一 种激励形式下的阵列方向图，而对于多激励形式的阵列天线，其阵列方向图测试较为艰难。
[0006] 二、近场测量法
[0007] 近场测量法的基本原理是使用探头探测天线附近包围天线的一个闭合面的感应 场，并用拉芙(LOVE)等效原理，利用感应场计算远场。近场测量法直接测量天线附近的感应 场，不需要很大的测试场地;但由于需要测量一个闭合面的近场，数据量大。为了加快扫描 速度，有的系统采用了多探头技术。近场测量法算法复杂，多探头技术更带来了探头的一致 性，位置校正等一系列问题，而为了减小探头间的互扰又限制了测试系统不能过小，或者探 头数不能过多。因此近场测量系统系统组成复杂，校准、维护成本高。
[0008] 上述两种天线辐射特性的测试方法，其测试场地均有严格要求，而且测试设备庞 大，测试速度慢、效率低，测试成本高昂，无法实现对天线的快速、及时测量。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于针对上述现有存在的问题和不足，提供一种测试速度快、效率 高、设备体积小、测试场地要求低的阵列天线辐射特性快速测量方法，用于天线生产车间做 阵列天线生产出厂检验、质量控制使用，或用于研发过程中初步测试天线性能时使用。
[0010]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0011] -种阵列天线辐射特性的快速测量方法，是在主控计算机的控制下，发信机经待 测天线发射信号，由在待测天线口面附近的、按轨迹移动的探头接收待测天线辐射的口面 近场电磁波信号并传回收信机，主控计算机读取收信机收到的面近场值，再根据口面近场 值计算待测天线的方向函数，从而得到其待测天线的主辐射面的辐射特性参数数值。
[0012] 本发明的进一步改进在于:所述辐射特性参数包括主瓣宽度、旁瓣电平、主瓣方 向、零深、交叉极化比、绝对增益。
[0013] 本发明的进一步改进在于:所述测量方法的具体步骤为：
[0014] A、在主控计算机的驱动下，发信机将发射信号经待测天线发射出去，位于待测天 线上方附近的探头接收待测天线发射的口面近场信号，并经收信机传输至主控计算机，经 主控计算机的计算，输出待测天线口面近场值；
[0015]若待测天线为单端口，探头在主控计算机的驱动下沿着待测天线主辐射面呈一维 直线式移动;若待测天线为多端口，探头在主控计算机的驱动下沿着待测天线主辐射面呈 二维网格式移动；
[0016 ] B、将口面近场值转化为待测天线的方向函数；
[0017]①当探头以一维直线式移动时，待测阵列天线的方向函数F(0)为：
[0019]式中，
[0020] d是探头扫描点间距；
[0021 ] Θ是场点与阵轴的夹角；
[0023] j为标准虚数单位(-1的开平方）；
[0024] N是测量点数，η指的是第η个测量点；
[0025] Tn = Tn, reai+jTn, imag，是探头在每个测量点处得到的口面场值，其中Treai、Timag分别 是口面场值的实部和虚部；
[0026]②当探头以二维网格式移动时，待测阵列天线的方向图F(0)为：
[0028]式中，
[0029 ] dx、dy分别为X、y方向上的取样间距；
[0030] Θ为场点与阵平面法线的夹角；
[0031 ] φ为场点矢量在xoy平面上的投影与X轴的夹角；
[0033] j为标准虚数单位(-1的开平方）；
[0034] M、N分别为x方向、y方向上的测量点数;m指的是x方向上第m个测量点，η指的是y方 向上第η个测量点；
[0035] Tmn = Tmn, reai十jTmn, imag，是探头在每个测量点处得到的口面场值，其中Treai、U 别是口面场值的实部和虚部；
[0036] C、由待测天线方向函数得出阵列天线主辐射面的辐射特性参数；
[0037] ①根据待测天线的方向函数绘制出方向图，由方向图中直接读取待测天线的主瓣 宽度、旁瓣电平、主瓣方向、零深电平；
[0038] ②分别在探头的极化方式与待测天线的极化方式相同和正交情况下测试，得到同 极化方向函数和交叉极化方向函数，相比较后得到待测天线的交叉极化比参数；
[0039] ③测试标准增益天线的方向函数，比较标准增益天线的方向函数的最大值和待测 天线的方向函数的最大值，得到待测天线的绝对增益。
[0040] 本发明的进一步改进在于:所述探头一维直线移动时，是沿待测天线的中轴线移 动;所述探头二维网格移动时，在待测天线主辐射口面上做二维扫描，扫描范围不小于阵列 天线平面范围。
[0041] 本发明的进一步改进在于:所述探头二维网格移动时，其扫描轴向长度为待测天 线纵向平面长度两端各外扩10~20cm，其扫描横向宽度为待测天线横向平面的宽度。
[0042] 本发明的进一步改进在于：用于阵列天线辐射特性快速测量的装置包括扫描机 构、发信机Π 、收信机m和主控计算机I，所述发信机π、收信机m、扫描机构分别与控制其 运行的主控计算机I相连;所述扫描机构包括用于放置天线1的操作台2、位于天线1上方的 探头5和驱动探头5水平移动的驱动器7,所述探头5在的驱动器7的驱动下实现在待测天线 上方任意坐标位置的移动，驱动器7与主控计算机I相连接;所述发信机Π 与待测天线1相 连，收信机m与探头5相连;在发信机π与待测天线测试接头之间连接设置一射频开关IV， 实现对阵列天线平面的连续扫描。
[0043] 本发明的进一步改进在于:所述探头是双极化探头。
[0044] 本发明的有益效果是：
[0045] 本发明提供了一种阵列天线辐射特性的快速测量方法，利用近场技术测量天线主 辐射面的口面近场值，再通过口面近场值推算至阵列天线主辐射面的远场方向图。该方法 实现了对阵列天线的辐射特性的快速测量，而且对测量环境没有特殊要求，不受场地大小、 天气等的限制，无需严格的屏蔽暗室，在天线的生产环境、或者研发使用环境中就可以进行 测量，测试速度快、效率高，测试装置占地面积小，可随时进行测量，方便快捷。使用本发明 测量方法，可以构建阵列天线主辐射面的方向图，通过阵列天线方向图，可以定量测量方向 性系数、主瓣方向、主瓣宽度、交叉极化比、旁瓣电平等天线主要指标，并可通过与标准天线 比对的方法测量天线增益等主要指标，测试结果全面、准确，特别适用于生产线上作为快速 检测天线产品，以及在研发产品时对天线作为初步检测使用。
[0046]使用一维扫描方法，可以在30秒到1分钟内完成一副3米以内阵列天线方向图特性 的测量，速度快、效率高、结果准确度高，适合天线生产厂家对出厂产品进行质量检测。使用 二维扫描方法，测量装置尺寸并未增大，而且实现了多端口阵列天线的自动切换端口，探头 可以连续在天线主辐射面口面上做二维网格扫描，适合在天线研发过程中初步测量平面阵 列天线的三维方向图特性。