[發明專利]一種天線方向圖快速測量和預估方法、系統、設備及終端

有效

• 申請號: 202111040640.1
• 申請日: 2021-09-06
• 公開（公告）號: CN113917241B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 張鵬飛;馮今又;張照;許鑫;葛薇;吳燕民
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學;中國電波傳播研究所（中國電子科技集團公司第二十二研究所）
• 主分類號: G01R29/10
• 分類號: G01R29/10;G06F17/16
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發明屬于天線技術領域，公開了一種天線方向圖快速測量和預估方法、系統、設備及終端，所述天線方向圖快速測量和預估方法包括：通過計算獲取待測天線的特征模及每個模式對應的3維場強數據；對天線在與特征模個數對應的少量離散方向的輻射場通過收發系統進行測量，通過測量結果反演各個特征模式激勵系數；通過模式疊加獲得天線的3維方向圖，借助少量離散方向的電場測試結果進行驗證。本發明只需進行幾個離散點測試，而不需要探頭進行過天線頂部的大范圍的弧形運動或者大面積二維測量面掃描，大大降低了測試的成本和難度；通過有限點的測試獲取3維方向圖數據，提升系統的測試能力；該方法原則上可以通過單極化的測試預估全極化的測試結果。

技術領域

本發明屬于天線技術領域，尤其涉及一種天線方向圖快速測量和預估方法、系統、設備及終端。

背景技術

目前，作為能量轉換裝置的天線在基于無線電的各種電子設備中具有無可替代的重要作用。例如，在雷達、通信、電子對抗、電子偵察、甚至醫療設備等各種應用中都需要借助天線作為能量的發射或者接收裝置。而這在這種天線對電磁能量的發射或接收過程中，因為不同的需求，需要天線滿足不同的方向性要求。例如衛星通信天線就需要高增益的波束將能量集中在某一個特性方向，形成針狀波束達到遠距離定向通信的目的；而廣播信號發射天線則希望產生全方向覆蓋的波束，達到全向廣播的效果。描述天線方向性的指標參數為方向函數，對應的圖形表示為方向圖。為滿足不同的應用需求，人們設計了具有各種方向特性的天線來適應對應的方向性要求，如反射面高增益天線、對稱陣子寬波束天線等。進一步，在工程應用中，在這些天線被實際安裝在設備系統之前，人們需要對天線的方向性進行實際的測試，用來檢驗天線的方向性設計是否滿足要求，這就是通常所說的天線方向圖測試。天線方向圖測試是天線研發中必不可少的一個環節，也是天線研究領域的一個獨立的學科。

典型天線的天線方向圖測試方法首先需要建立收發鏈路：即將信號能量通過發射天線轉變為電磁波，電磁波經過空間傳播后到達接收天線，接收天線將電磁波轉換為接收端的信號，進一步處理后獲得接收端信號和發射端信號的幅度相位比例。當固定收發天線中的一個天線的指向，而讓另一個天線的指向通過機械伺服或其他手段做空間相對角度運動變化時，記錄下來的不同離散角度對應的幅度相位比例就會體現出旋轉天線的發射或者接收能力隨著空間不同角度的變化，形成方向函數或者方向圖的部分離散采樣點上的數值。如果這些采樣點覆蓋了天線的2個主要切面，如E面或者H面，構成了切面2維方向圖曲線。如果進行大量的測量獲取了天線半空間甚至全空間不同方向的方向性采樣點數據，就可以形成3維方向性數據。考慮到極化特性時，3維方向圖的測試具有很大復雜度。

常規無線電應用中所提的天線方向圖是指遠場方向圖，即天線在輻射場占據主體的區域內對應的方向圖。因此對天線的遠場直接測試中需要收發天線間距滿足遠場條件。對于面天線而言，遠場條件所需的收發間距大于2D²/λ。對單極子或者偶極子類電小天線而言，遠場條件所需的收發間距大于為10λ。當收發間距大于這一距離時，可以采用遠場直接測試。另一類遠場方向圖間接測試方法為近場測試方法，即借助探頭在包圍待測天線的一個近場區域的面上進行離散的場采樣測試，并借助惠更斯原理和采樣定理進行近遠場變換獲取待測天線的遠場方向圖。

對于采用近場測試的方法，因為要使探頭在幾百米甚至上千米的2維采樣面范圍內精確移動和采樣，如果采用固定框架導軌，代價過大幾乎不可行；如果采用移動平臺如無人機攜帶探頭，又面臨定位精度不夠、續航能力不夠、受天氣影響過大等問題而無法保障測試精度測試覆蓋范圍。對于采用遠場測試的方法，由于將幾十米的地面環境進行移動或者轉動不可行，天線最多只具有方位維的旋轉能力，因此若接收探頭固定在遠距離的塔架上(如常規遠場測試所能提供的條件那樣)，隨著天線轉動，測試系統只能獲得某一固定俯仰角度的方向圖切線；若在塔架上搭設導軌，即使探頭只進行一維的弧線運動，也需要幾十米甚至近百米的弧形導軌塔架，造價和成本非常高昂。此外，要想獲得3維的全部方向圖數據，需要天線的旋轉和探頭在導軌上的運動反復。綜上所述，以獲取3維方向圖為目標的低頻段天線方向性測試，如果采用傳統方法，其成本、測試難度、測試時間都遠超過人們的預期，大大限制了其可行性。迫切需要研發新的測試策略和方法。