一种基于混合屏蔽室的抗干扰天线方向图测量方法与流程

1.本发明属于微波测量技术领域，具体涉及一种基于混合屏蔽室的抗干扰天线方向图测量方法。


背景技术：

2.混合屏蔽室通过在室内放置负载或吸收体从而形成静态、各向异性以及多路径的环境，并能模拟出特定的空间信道模型。而在无线通信测试中，每个新提出的应用模型均需要在定向信道的环境下进行测试，对此混合屏蔽室提供了必要的测试基础和标准化方法，并且混合屏蔽室因其自身的构建成本、可操作性以及系统的灵活性使其在无线通信产业中具有广泛的应用前景和潜力。相关微波测量研究已经证明混合屏蔽室在创建样本空间信道环境方面的可行性。
3.在考虑混合屏蔽室测量环境及特性的前提下，通过借鉴暗室及混响室对天线效率、方向图以及辐射功率等参数测量的方法，可以看出混合屏蔽室具有在多径环境下完成天线相关参数及性能测试的应用前景。其中，天线方向图是判断并衡量待测天线的方向性、半功率波束宽度以及增益等参数的重要指标和参考，因此在混合屏蔽室中实现对待测天线方向图的测量是一项具有重要意义的工作。
4.在理想暗室环境下可以通过多探头球面近场测试系统得到待测天线的球面近场数据，并利用球面波理论得到天线的辐射方向图；而在理想混响室环境下由于存在视线传输距离及多反射径干扰的影响，因此很难直接对待测天线方向图进行测量。目前，南京航空航天大学的徐千团队提出了利用混响室测量待测天线自相关系数反向重构出天线辐射方向图的方法，该方法从视线传输距离以及搅拌响应中提取待测天线的三维方向信息，其中传输天线不需要指向待测天线，利用混响室的丰富多径环境，通过旋转搅拌器或移动待测天线来提取混响室内未搅拌部分的信息。
5.但是传统微波暗室或混响室无法满足在特定信道环境下天线方向图的测试工作，并且在实际测试环境中，非理想暗室或混响室会因吸波材料、腔室尺寸以及测量器件等因素而无法满足理想测试环境的要求，从而造成测试结果上的误差。对此，在混合屏蔽室的测试环境下，可以通过调整室内吸波负载位置及数量的方式完成在特定空间信道模型下的测试任务需求，此外由于混和屏蔽室引入了多径效应的问题，因此需要通过借鉴重构及补偿的方法对混和屏蔽室的特定信道环境下的方向图进行恢复。
6.现有的补偿或重构的方法主要包括测试区域场补偿方法、反卷积方法、天线方向图校准方法以及相关系数重构方法，但上述方法都只针对非理想暗室或非理想混响室的其中一种测试场景具有较好的方向图补偿和重构效果。例如在非理想暗室测试环境中，当室内吸波材料性能较差或在某些角落未安装吸波结构且球面近场测试还存在球面反射径干扰的问题时，就会导致在天线辐射方向图的测量结果上出现由腔室内多反射径所造成的干扰，并损害方向图的主瓣、旁瓣以及方向性等特性参数，此时用传统的测试区域场补偿方法就无法较好地补偿待测天线的辐射特性；此外，在非理想混响室中，如果转台上的待测天线
未能按照既定角度进行旋转或室内搅拌不均匀，则会引起球面散射信号不完整或缺损的问题，进而通过矢量网络分析仪所得到的s参数就无法准确计算出待测天线的相关性系数，因此用相关系数重构的方法只能得到含有反射径干扰的待测天线方向图，而无法反向重构出完整的天线远场辐射特性。


技术实现要素：

7.为了克服以上技术问题，本发明提出一种基于混合屏蔽室的抗干扰天线方向图测量方法，能够降低测试场景中多反射径干扰并能重构和补偿待测天线球面波系数以及辐射特性，本方法将测试区域场补偿技术应用于混合屏蔽室当中，利用区域补偿方法和相关性系数反向重构矩阵解决多反射径干扰的影响，从而改善混合测试环境下的待测天线辐射方向图。
8.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.一种基于混合屏蔽室的抗干扰天线方向图测量方法，包括以下步骤；
10.步骤1.选取两个天线，将其中一个天线作为待测天线105，另一个天线作为校准天线106，在标准暗室环境下测量校准天线106的辐射方向图并求得校准天线106的传输系数；
11.步骤2.在混合屏蔽室环境下，先将待测天线105放置在室内的转台103上，控制待测天线105进行旋转，得到待测天线105的s参数矩阵；再将校准天线106放置在转台上进行旋转，得到校准天线106的s参数矩阵；
12.步骤3.计算待测天线105和校准天线106的相关性系数矩阵和校准天线106的自相关系数矩阵；
13.步骤4.利用所述球面波系数矩阵和相关性系数矩阵重构出待测天线的方向图，同时利用步骤1所述的校准天线106传输系数来补偿待测天线方向图，完成待测天线105重构和补偿工作。
14.所述步骤2中，转台103能够控制待测天线105和校准天线106沿x、y和z方向进行旋转，三个方向的旋转范围是0
°‑
360
°
，角度间隔是1度；
15.混合屏蔽室环境内的待测天线105近场测试数据通过多探头测量方法得到球面近场切向数据，将沿θ和方向的近场切向电场分量代入式(1)中，从而得到含有多径反射干扰的待测天线远场辐射特性；
[0016][0017]
其中a
mn
和b
mn
表示由近场测量数据推导出的待测天线105球面波系数，和表示球面波生成函数，表示待测天线远场电场分量；
[0018]
根据测试区域场补偿理论，利用式(2)将混合屏蔽室中含反射径干扰的待测天线105远场分量表示为传输系数与信源相乘的形式：
[0019]
[0020]
其中v表示待测天线上的发射信源，t
mn
表示待测天线的传输系数，与式(1)中的和等价，均表示球面波生成函数。同理，通过式(1)(2)的求解同样可以得到所述校准天线106的远场电场分量以及球面波系数a
mn
和b
mn
；
[0021]
将待测天线105在含多径反射影响下计算得到的球面波系数记为a'
aut,mn
和b'
aut,mn
，而待求的理论无干扰的待测天线球面波系数记为a
aut,mn
和b
aut,mn
，待求的理论无干扰的待测天线传输系数记为t
aut,mn
；将所述已知的校准天线106传输系数记为t
ref,mn
，含多径反射影响的校准天线106球面波系数记为a'
ref,mn
和b'
ref,mn
，已知无干扰的信源信号记为v，含多径反射影响的信源信号记为v'；
[0022]
通过式(1)(2)可以看出，含多径反射影响的信源信号v'可以表示为式(3)的形式：
[0023]
(a'
ref,mn
,b'
ref,mn
)＝t
ref,mn
v' (3)
[0024]
而待测天线105和校准天线106是在相同的混合屏蔽室环境下进行的测试，故两种天线测试结果下的信号v'一致，因此通过式(4)可以根据所述已知的校准天线106传输系数t
ref,mn
和计算得到的校准天线106球面波系数a'
ref,mn
和b'
ref,mn
推得待测天线的理论传输系数t
aut,mn
：
[0025]
t
aut,mn
＝(a'
aut,mn
,b'
aut,mn
)((t
ref,mn
)

·
(a'
ref,mn
,b'
ref,mn
))
(4)
[0026]
其中 表示矩阵的广义逆矩阵。
[0027]
所述步骤3中根据式5计算旋转待测天线105与校准天线106之间的相关性系数以及校准天线106自身的自相关系数：
[0028][0029]
其中a
mn1
和b
mn1
表示含反射径影响的待测天线105的球面波系数，a
mn2
和b
mn2
表示含反射径影响的校准天线106的球面波系数，t(α,β,γ)表示待测天线105的旋转矩阵，通过t(α,β,γ)与a
mn2
和b
mn2
的矩阵相乘，得到校准天线106的旋转方向图，利用式(5)得到旋转校准天线106与待测天线105之间的相关系数，记为ρ1；同理，将式(5)中的待测天线105换成校准天线106，即a
mn1
和b
mn1
用a
mn2
和b
mn2
替换，得到校准天线106的旋转方向图以及校准天线106与其自身旋转方向图之间的自相关系数，记为ρ2；
[0030]
为了在混响室中得到所述ρ1和ρ2，通过测量不同旋转位置处的待测天线105和校准天线106的s参数，并计算s参数之间的相关性，从而得到对应的相关系数ρ1和自相关系数ρ2，如式(6)所示：
[0031]
[0032]
其中，s
21,k,ref
和s
21,k,aut
是发射天线到校准天线106与待测天线105之间的s参数，<s
21,ref
>和<s
21,aut
>则对应上述两种参数的所有采样值的平均值，利用(6)式即可得到相关系数ρ1；若将(6)式中的s
21,k,aut
和<s
21,aut
>用s'
21,k,ref
和<s'
21,ref
>进行替换，其中s'
21,k,ref
和<s'
21,ref
>表示校准天线106在未旋转状态下的s参数和对应的平均值，则可得到自相关系数ρ2。
[0033]
利用上述已知的ρ1和ρ2相关性系数以及旋转矩阵t(α,β,γ)，通过式(7)所示的反向重构法，得到校准天线106和待测天线105的含反射径干扰的球面波系数：
[0034][0035]
其中t
α
，t
β
和t
γ
分别对应所述旋转矩阵t(α,β,γ)在x，y和z上的投影矩阵，ρ
s,α
，ρ
s,β
和ρ
s,γ
分别表示相关性系数ρ1(下标s取1)或自相关系数ρ2(下标s取2)在x，y和z上的投影矩阵，利用广义逆矩阵的方法反向推导出待测天线105在含球面反射径干扰时的方向图，同理，将式(7)中的待测天线105和校准天线106互换，便可得到含反射径干扰的校准天线方向图。
[0036]
所述步骤4中，对已求得的待测天线方向图进行补偿，在混合屏蔽室的条件下，待测天线105和校准天线106的测试环境保持一致，应用测试区域场补偿，即将式(3)(4)中的信号v'看作混合屏蔽室中因球面反射径干扰所产生的信源信号，进而通过式(8)的逆矩阵补偿方式得到去除球面反射径干扰的待测天线传输系数：
[0037]
t
aut,mn
＝(a
mn1
,b
mn1
)((t
ref,mn
)

·
(a
mn2
,b
mn2
))
(8)
[0038]
式(8)中利用了上述计算所得的含反射径干扰的待测天线球面波系数a
mn1
和b
mn1
，以及含反射径干扰的校准天线球面波系数a
mn2
和b
mn2
，并利用所述已知的校准天线传输系数t
ref,mn
补偿得到改善后的待测天线方向图。
[0039]
本发明的有益效果：
[0040]
本发明所述的球面波系数重构和补偿方法将测试区域场补偿技术引入到了混合屏蔽室测试当中，通过球面近场模式敏感度和校准天线传输系数测量，补偿待测天线在混合屏蔽室中因近场球面反射径干扰所造成的方向图测量损害。
[0041]
本发明所述的球面波系数重构和补偿方法将混合测试环境下的多反射径干扰进行了划分，其中通过传统混响室测试方案得到的重构球面波系数解决了反射径干扰的影响，而测试区域场补偿方法则改善了球面近场反射对方向图的影响，相比于传统单一的测试区域补偿和重构算法，本发明所述方法更加有效地划分了混合环境下的干扰特性，并用针对性的方法有效地重构并补偿了待测天线辐射方向图。
[0042]
本发明所述的球面波系数重构和补偿方法适用于混合屏蔽室的测试环境，相比于传统的测试区域场补偿方法所应用的非理想暗室及其他复杂环境，所述测试方法的应用测试环境在设计结构、成本以及操作性上都具有显著优势，整体测试过程只需通过旋转转台来控制待测天线和校准天线沿不同轴向进行旋转，从而得到待补偿的待测天线重构球面波系数，最后利用测试区域补偿算法即可得到改善后的待测天线远场辐射方向图。
附图说明
[0043]
图1是本发明实施例采用的整体混合屏蔽室测试环境结构示意图。
[0044]
图2是本发明实施例将混合屏蔽室测试环境下利用传统测试区域场补偿方法得到的待测天线方向图与理想待测天线方向图在三维及phi等于0
°
和90
°
的二维切面上进行对比的示意图。
[0045]
图3是本发明实施例采用的球面波系数重构和补偿方法的算法流程图。
[0046]
图4是本发明实施例将混合屏蔽室测试环境下利用本发明所提出的球面波系数重构补偿方法得到的待测天线方向图与理想待测天线方向图在三维及phi等于0
°
和90
°
的二维切面上进行对比的示意图。
[0047]
图5是本发明实施例将理想待测天线辐射方向图与利用传统测试区域场补偿方法和利用所提出的球面波系数重构补偿方法得到的待测天线辐射方向图在phi等于0
°
和90
°
的二维切面上进行对比的示意图。
[0048]
图6是本发明实施例分别将传统测试区域补偿法和本发明所述方法所得待测天线方向图与理论待测天线辐射方向图在phi＝(0
°‑
360
°
)和theta在phi＝(0
°‑
180
°
)的整个二维平面上进行误差对比的示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0050]
本发明实施例的整体测试环境如图1所示，混合屏蔽室配置有两个机械搅拌器101、102和一个转台103，转台可以进行旋转，从而使安装在转台上的天线沿x、y和z进行旋转。以天线自身建立三维直角坐标系，当天线的z轴垂直转台放置并转动转台时，天线可以完成绕z轴旋转的效果，同理当天线的y轴和x轴垂直转台放置并转动转台时，天线可以实现绕y和x轴的旋转效果。同时在测试环境中，安装有负载吸收体104，待测天线105和校准天线106，并且校准天线106的传输系数已知。
[0051]
为验证所述球面波系数重构和补偿方法的有效性，本发明实施例对混合屏蔽室环境下的传统测试区域场补偿方法以及所述球面波系数重构和补偿方法分别进行验证：
[0052]
1.对测试区域边界为电壁的多探头球面近场系统所得的数据进行传统测试区域场补偿算法处理，得到补偿后的待测天线方向图；
[0053]
2.对混合屏蔽室内的待测天线进行旋转，得到待测天线与校准天线间的相关系数，通过重构球面波系数和测试区域场补偿处理，得到改善后的待测天线方向图。
[0054]
所述验证内容所需的数据包括混合屏蔽室内待测天线近场采样数据、待测天线与校准天线间的相关性系数矩阵以及待测天线和校准天线经过旋转后的球面波系数矩阵。
[0055]
混合屏蔽室内的待测天线105近场测试数据可以通过多探头测量方法得到球面近场切向数据，将沿θ和方向的近场切向电场分量代入式(1)中，从而得到含有多径反射干扰的待测天线远场辐射特性。
[0056][0057]
其中a
mn
和b
mn
表示由近场测量数据推导出的待测天线105球面波系数，和表示球面波生成函数，表示待测天线远场电场分量；
[0058]
根据测试区域场补偿理论，可以利用式(2)将混合屏蔽室中含反射径干扰的待测天线105远场分量表示为传输系数与信源相乘的形式：
[0059][0060]
其中v表示待测天线上的发射信源，t
mn
表示待测天线的传输系数，与式(1)中的和等价，均表示球面波生成函数。同理，通过式(1)(2)的求解同样可以得到所述校准天线106的远场电场分量以及球面波系数a
mn
和b
mn
。
[0061]
现将待测天线105在含多径反射影响下计算得到的球面波系数记为a'
aut,mn
和b'
aut,mn
，而待求的理论无干扰的待测天线球面波系数记为a
aut,mn
和b
aut,mn
，待求的理论无干扰的待测天线传输系数记为t
aut,mn
；将所述已知的校准天线106传输系数记为t
ref,mn
，含多径反射影响的校准天线106球面波系数记为a'
ref,mn
和b'
ref,mn
，已知无干扰的信源信号记为v，含多径反射影响的信源信号记为v'。
[0062]
通过式(1)(2)可以看出，含多径反射影响的信源信号v'可以表示为式(3)的形式：
[0063]
(a'
ref,mn
,b'
ref,mn
)＝t
ref,mn
v' (3)
[0064]
而待测天线105和校准天线106是在相同的混合屏蔽室环境下进行的测试，故两种天线测试结果下的信号v'一致，因此通过式(4)可以根据所述已知的校准天线106传输系数t
ref,mn
和计算得到的校准天线106球面波系数a'
ref,mn
和b'
ref,mn
推得待测天线的理论传输系数t
aut,mn
：
[0065]
t
aut,mn
＝(a'
aut,mn
,b'
aut,mn
)((t
ref,mn
)

·
(a'
ref,mn
,b'
ref,mn
))
(4)
[0066]
其中 表示矩阵的广义逆矩阵。
[0067]
上述方法完成了传统测试区域场补偿算法，图2是传统补偿方法所得待测天线辐射方向图与理想待测天线辐射方向图进行对比的结果。
[0068]
在上述补偿算法的基础上，本发明提供了如图3所示的球面波系数重构和补偿方法的流程示意图。在混合屏蔽室的环境下首先将所述待测天线放置在转台上，并在待测天
线本身建立三维直角坐标系，分别在天线的x、y和z方向与转台水平面垂直时让转台转动360度，并且每一次的角度间隔为1度，同理将待测天线换成校准天线重复相同操作，就可得到如图3所述的待测天线和校准天线的旋转方向图。此时，需要根据式(5)计算旋转待测天线与校准天线之间的相关性系数以及校准天线自身的自相关系数：
[0069][0070]
其中a
mn1
和b
mn1
表示含反射径影响的待测天线的球面波系数，a
mn2
和b
mn2
表示含反射径影响的校准天线的球面波系数，t(α,β,γ)表示待测天线的旋转矩阵，通过t(α,β,γ)与a
mn2
和b
mn2
的矩阵相乘，就可以得到图3所述校准天线的旋转方向图，进而利用式(5)得到旋转校准天线与待测天线之间的相关系数，记为ρ1。同理，将式(5)中的待测天线换成校准天线，即a
mn1
和b
mn1
用a
mn2
和b
mn2
替换，则可以得到图3所述校准天线的旋转方向图以及校准天线与其自身旋转方向图之间的自相关系数，记为ρ2。
[0071]
为了在混响室中得到所述ρ1和ρ2，可以通过测量不同旋转位置处的待测天线和校准天线的s参数，并计算s参数之间的相关性，从而得到对应的相关系数ρ1和自相关系数ρ2，如式(6)所示：
[0072][0073]
其中，s
21,k,ref
和s
21,k,aut
是发射天线到校准天线与待测天线之间的s参数，<s
21,ref
>和<s
21,aut
>则对应上述两种参数的所有采样值的平均值，利用(6)式即可得到相关系数ρ1；若将(6)式中的s
21,k,aut
和<s
21,aut
>用s'
21,k,ref
和<s'
21,ref
>进行替换，其中s'
21,k,ref
和<s'
21,ref
>表示校准天线在未旋转状态下的s参数和对应的平均值，则可得到自相关系数ρ2。
[0074]
下面利用上述已知的ρ1和ρ2相关性系数以及旋转矩阵t(α,β,γ)，便可通过式(7)所示的反向重构法，得到对应图3所述的校准天线和待测天线的含反射径干扰的球面波系数：
[0075][0076]
其中t
α
，t
β
和t
γ
分别对应所述旋转矩阵t(α,β,γ)在x，y和z上的投影矩阵，ρ
s,α
，ρ
s,β
和ρ
s,γ
分别表示相关性系数ρ1(下标s取1)或自相关系数ρ2(下标s取2)在x，y和z上的投影矩阵。利用广义逆矩阵的方法就可以反向推导出待测天线在含球面反射径干扰时的方向图。同理，将式(7)中的待测天线和校准天线互换，便可得到含反射径干扰的校准天线方向图。
[0077]
现在通过测试区域场补偿的方法，对已求得的待测天线方向图进行补偿。在混合屏蔽室的条件下，待测天线和校准天线的测试环境保持一致，因此可以应用测试区域场补偿的思想，即将式(3)(4)中的信号v'看作混合屏蔽室中因球面反射径干扰所产生的信源信号，进而通过式(8)的逆矩阵补偿方式得到如图3所述的去除球面反射径干扰的待测天线传输系数：
[0078]
t
aut,mn
＝(a
mn1
,b
mn1
)((t
ref,mn
)

·
(a
mn2
,b
mn2
))
(8)
[0079]
式(8)中利用了上述计算所得的含反射径干扰的待测天线球面波系数a
mn1
和b
mn1
，以及含反射径干扰的校准天线球面波系数a
mn2
和b
mn2
，并利用所述已知的校准天线传输系数t
ref,mn
便可补偿得到改善后的待测天线方向图。
[0080]
图4是将利用本发明方法重构补偿所得的待测天线方向图与理想待测天线方向图进行对比的示意图，图5则是将利用传统补偿方法和本发明方法所得的待测天线方向图跟理想待测天线方向图进行对比的示意图，其中实线表示理想待测方向图，点线表示传统方法的效果，虚线表示本发明方法的效果，通过效果曲线对比，可以看出，本发明所述方法对待测天线的主瓣恢复效果明显，并且能够较好地补偿因球面反射径干扰所造成的方向图损害。最后将所述两种方法得到的待测天线方向图与理论方向图在整个球面上作差，并映射到俯仰角θ和方位角的取值范围为(0
°‑
180
°
)和(0
°‑
360
°
)的二维平面上，从而得到如图6所示的误差分析图。由图6的误差对比可以看出，本发明所述的球面波系数重构和补偿方法在整个球面上的误差要小于传统测试区域场补偿技术，同时通过计算两种重构补偿方法在整个球面上的误差总和，可知传统方法的整体误差为389.9402db，而本文所述方法的重构补偿误差为301.8276db，因此通过本发明所述方法所得的待测天线方向图与理论方向图之
间的误差更为准确。
[0081]
本发明在混合屏蔽室中通过反向重构的方法降低反射径的影响，同时将测试区域补偿方法应用到混和屏蔽室的待测天线方向图补偿问题中，相关研究内容将会对完善混和屏蔽室下的天线测量技术具有十分积极的意义。
[0082]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。