一種平面近場暗室散射的測試與補償方法與流程

本發明涉及一種暗室散射測試方法，特別是一種平面近場暗室散射的測試與補償方法，屬于天線測量技術領域。

背景技術：

暗室散射是平面近場測量最主要的誤差源之一，對暗室散射進行全面和精確的測試，是提高天線測試精度的重要手段。該方法是在通信、導航衛星天線平面近場測量校準方法研究過程中，在對誤差源——暗室散射進行測試評估時進行方法設計與驗證的。暗室散射是平面近場測試18項誤差源中最重要、評估難度最大的誤差源之一，對天線增益、旁瓣等參數的測試結果會產生重要的影響。

目前最常用的暗室散射測試方法有兩種，一種是通過測試天線與目標天線之間的距離不斷拉大，采集兩個天線的傳輸參數S21，通過計算空間駐波的方式解算出該區域某一處的反射波大小，估算暗室散射量級。另外一種是利用平面近場固有的數據采集系統，在暗室不同位置進行常規方向圖測試，比對測試結果的不同，以結果的差異作為暗室散射的量級大小。

第一種方法對暗室散射測試的范圍較小，如果需要對較大區域內進行該工作，工作量巨大，需要移動水平方向移動測試天線與測試天線很多次，每次水平移動完畢后還需要垂直方向移動來進行測試，水平方向移動的距離又必須保證足夠小，對于較大面積的測試工作的難度與數量就讓人難以接受。同時在水平移動時，如果沒有特殊裝置進行移動平面度的保證，測試就會引入很大的位置誤差，導致最終的結果異常。

第二種方法在一定程度可以反映平面近場暗室散射對于方向圖測試帶來的影響，但是結果不夠確切。該方式可以找出相對于其他位置較好的一塊區域，即暗室散射較小的區域，但是對于散射較為惡劣的區域無法進行修正和補償。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有暗室散射測試技術工作量大，結果不能應用于修正的不足，提供一種平面近場暗室散射的測試與補償方法，分析對天線各參數測試結果的影響，提高天線測試精度。

本發明技術解決方案：

暗室散射的測試與補償方法主要包括三部分內容：暗室散射測試方法設計、測試工裝設備的設計與實施、暗室散射的補償與校正。

本發明的技術解決方案是：一種平面近場暗室散射的測試與補償方法，步驟如下：

(1)測試天線采用標準喇叭，目標天線采用開口波導，分別安裝于T型導軌上與掃描架探頭安裝位置。T型導軌放置在需要進行平面近場暗室散射測試的區域內。

(2)目標天線從掃描架零位開始移動，在二維平面內，激光跟蹤儀每隔一定間距測量一次目標天線的中心三維坐標值，通過平面最小二乘擬合，建立掃描架標定坐標系；

(3)測試天線從T型導軌的零位出發，移動一個間距后，利用激光跟蹤儀測量天線中心的三維坐標值，當測量位置數大于等于3時，即可解算得到測試天線的軌跡方程；

(4)計算測試天線軌跡方程與掃描架標定坐標系X軸或Y軸、XOY平面的夾角，調整T型導位置與姿態，使得測試天線與X軸平行且與XOY面平行，此狀態即為測試天線的初始狀態；

(5)測試天線從T型導軌的零位出發，每移動間距Δ后(保證Δ接近0.25個波長，Δ由激光跟蹤儀測量得到)，計算測試天線中心，此時即可得到測試天線中心和目標天線中心的坐標差值ΔX、ΔY，將該值反饋給掃描架后，掃描架驅動目標天線運動到和測試天線中心重合的位置，利用平面近場固有的數據采集系統進行幅度相位的采集，然后繼續移動目標天線，直到T型導軌末端，完成所有位置的幅度相位的采集。

(6)將T型導軌沿垂直與導軌方向移動0.25個波長，重復步驟(5)測試直至將整個需要的測試暗室散射區域面積內所有的散射場幅度相位分布全部采集完畢，采集到的數據矩陣記為ΔB′；

(7)將測試天線旋轉90度，同時目標天線旋轉90度，重復(5)與(6)，采集到的數據記為ΔB″；

(8)通過修正算法利用步驟(6)和步驟(7)所得到測試結果對使用平面近場固有的數據采集系統進行常規天線測試所得結果進行修正，得到補償暗室散射后的方向圖數據F_θ、

所述步驟(8)修正算法實現為：

Δb′＝ΔB′-mean(ΔB′)

Δb″＝ΔB″-mean(ΔB″)

mean(ΔB′)表示ΔB′的矢量平均，mean(ΔB″)表示ΔB″的矢量平均，fft表示近遠場變換中的傅里葉變換，F_θ′、表示使用平面近場固有的數據采集系統進行常規天線測試所得的天線方向圖測試結果，f_θ′表示在平面近場測試時第一極化測試探頭的兩個極化分量方向圖，f_θ″表示在平面近場測試時第二極化測試探頭的兩個極化分量方向圖，F_θ、表示補償暗室散射后的兩個分量的方向圖數據，即所求結果。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)與平面近場常規天線測試狀態保持高度一致，更加準確的標定平面近場暗室散射。傳統暗室散射測試方法都與常規天線狀態有差別，或多或少會對暗室測試結果產生一定的影響，增大暗室散射測試誤差。

(2)修正算法可以在一定程度上消除暗室散射對平面近場天線測試帶來的影響，在平面近場暗室散射測試的基礎上提高平面近場天線測試精度，降低由于暗室環境不同對天線測試帶來的差異性。

(3)采用T型導軌，減輕了平面近場暗室散射工作量與工作難度。不但對于位置機械精度有了很好的保證，而且利于實現平面近場暗室散射測試的自動化，T型導軌采用絲杠驅動，加上電機馬達即可達到自動化移動的功能。

(4)T型導軌采用全玻璃鋼材料制作，對于暗室散射測試工作影響極低，暗室散射測試工作除開機械校準工作需要激光跟蹤儀外，其余數據采集工作利用平面近場固有的數據采集系統，無需增加其他的射頻設備。

附圖說明

圖1本發明的方法的實現流程圖；

圖2為本發明的測試示意圖；

圖3為T型導軌三維模型側視圖；

圖4為T型導軌三維模型俯視圖；

具體實施方式

下面結合附圖對本發明天線做詳細的說明，

如圖1、2所示，本發明具體實現如下：

一、詳細步驟

(1)測試天線采用標準喇叭3，目標天線采用開口波導2，分別安裝于T型導軌4上與掃描架1探頭安裝位置。T型導軌4放置在需要進行平面近場暗室散射測試的區域內。

(2)目標天線從掃描架零位開始移動，在二維平面內，激光跟蹤儀每隔一定間距測量一次目標天線的中心三維坐標值，通過平面最小二乘擬合，建立掃描架標定坐標系；

(3)測試天線從T型導軌的零位出發，移動一個間距后，利用激光跟蹤儀測量天線中心的三維坐標值，當測量位置數大于等于3時，即可解算得到測試天線的軌跡方程；

(4)計算測試天線軌跡方程與掃描架標定坐標系X軸或Y軸、XOY平面的夾角，調整T型導位置與姿態，使得測試天線與X軸平行且與XOY面平行，此狀態即為測試天線的初始狀態；

(5)測試天線從T型導軌的零位出發，每移動間距Δ后(保證Δ接近0.25個波長，Δ由激光跟蹤儀測量得到)，計算測試天線中心，此時即可得到測試天線中心和目標天線中心的坐標差值ΔX、ΔY，將該值反饋給掃描架后，掃描架驅動目標天線運動到和測試天線中心重合的位置，利用平面近場固有的數據采集系統進行幅度相位的采集，然后繼續移動目標天線，直到T型導軌末端，完成所有位置的幅度相位的采集。

(6)利用帶有輪子5的部分，將T型導軌沿垂直與導軌方向移動0.25個波長，重復步驟(5)測試直至將整個需要的測試暗室散射區域面積內所有的散射場幅度相位分布全部采集完畢，采集到的數據矩陣記為ΔB′；

(7)將測試天線旋轉90度，同時目標天線旋轉90度，重復步驟(5)與(6)，采集到的數據記為ΔB″；

(8)通過修正算法利用步驟(6)和步驟(7)所得到測試結果對使用平面近場固有的數據采集系統進行常規天線測試所得結果進行修正，得到補償暗室散射后的方向圖數據F_θ、

二、算法簡介

根據平面波譜的近遠場變換理論，遠場方向圖是不同方向平面波譜的疊加，如式1所表示。

為遠場場強分布，為平面波譜函數。平面近場測試通過采集天線口面近場分布，計算取得天線平面波譜函數，得到天線遠場方向圖。一般測試采用探頭兩次正交極化測試得到待測天線的方向圖，考慮探頭補償以坐標系為例待測天線方向圖可以通過式2與式3表示。

為待測天線方向圖，與為探頭坐標系下探頭兩次正交測試時使用探頭的遠場方向圖。b′(x,y,d)和b″(x,y,d)為近場測試系統探頭兩次正交極化所采集的近場分布，d為掃描面距天線口面距離，λ波長，C₁和C₂為與待測天線方向圖無關的常數。

通常探頭方向圖為已知值，聯立式2、3、4即可解出待測天線方向圖兩個極化分量方向圖。

為了討論簡便，可以將式2右端的傅里葉變換記為一個整體算子fft，近場由于暗室散射干擾引入一個近場干擾分布Δb′和Δb″分別為探頭兩個極化正交時的暗室散射干擾分布。在發射天線固定下，不考慮探頭與天線間耦合，均為場地坐標的函數。則帶有暗室散射干擾的天線遠場方向圖可以由式5、式6聯立求解。

其中為待測天線方向圖，與為探頭坐標系下探頭兩次正交測試時使用探頭的方向圖，b′為沒有暗室干擾情況下的平面近場第一極化采集數據，b″為沒有暗室干擾情況下的平面近場第二極化采集數據，Δb′和Δb″分別為暗室散射第一極化與第二極化的近場分布。

通過傅里葉變換的線性性質，即fft(b+Δb)＝fft(b)+fft(Δb)。聯立式2、式3、式4，以坐標系為例，可以求解得：

其中為待測天線θ分量方向圖，其中為待測天線分量方向圖，與為探頭坐標系下探頭兩次正交測試時使用探頭的方向圖，Δb′和Δb″分別為暗室散射第一極化與第二極化的近場分布。

通過式7、式8，可以求解出去除暗室散射干擾源的遠場方向圖F_θ、

在前面步驟(6)(7)測得的ΔB′與ΔB″為包含有暗室散射近場與標準喇叭與開口波導無暗室散射的場的疊加值，一般認為暗室散射在足夠大面積下是以空間駐波形式存在，所以對ΔB′與ΔB″進行平均運算可消除大部分的暗室散射引起的幅度與相位起伏。

故所求的單純的暗室散射近場分布為：

Δb′＝ΔB′-mean(ΔB′)(式9)

Δb″＝ΔB″-mean(ΔB″)(式10)

再結合式(7)與(8)得到補償暗室散射影響后的天線方向圖。mean(ΔB′)表示ΔB′的矢量平均，mean(ΔB″)表示ΔB″的矢量平均。Δb′表示暗室散射第一極化分量，Δb″表示暗室散射第二極化分量。

總之，本發明采用一種T型導軌，通過對掃描面區域內暗室散射的檢測，得到該掃描區域的暗室散射場分布。利用算法補償該區域內天線測試由于暗室散射帶來的影響。本發明與傳統暗室散射測試方法相比較，更好的檢測指定區域內暗室散射分布情況，并且利用算法補償了暗室散射對于天線測試的影響。

三、T型導軌簡介

如圖3所示，T型導軌采用純玻璃鋼材料制作，使其在暗室散射測試時的影響降至最低。包括導軌41、天線支撐板42、支撐桿43、支撐筒44和絲杠45。支撐筒44位于整個裝置最下方，導軌41與支撐筒44相連接，支撐桿43連接導軌41與支撐筒44，起到一定的支撐形變保持作用。天線支撐板42與導軌41連接，絲杠45與支撐筒44與天線支撐板42相連，絲杠45可驅動天線支撐板42在導軌41上來回運動。圖4為T型導軌俯視圖，絲杠45、導軌46、天線支撐板47。

導軌41的直線度與平面度有一定的要求，保證RMS均小于0.5mm。目標天線支撐板42是T型導軌的運動部分，支撐桿43保證導軌的穩定度與剛度。支撐筒44支撐整體T型導軌以及與地面其他設備相連接的作用。絲杠45是運動部分的驅動裝置，圖3、圖4中為手動轉盤，可以改裝為馬達與齒輪驅動，實現測試自動化控制。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。