一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端与流程

1.本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端。


背景技术：

2.目前，作为能量转换装置的天线在基于无线电的各种电子设备中具有无可替代的重要作用。例如，在雷达、通信、电子对抗、电子侦察、甚至医疗设备等各种应用中都需要借助天线作为能量的发射或者接收装置。而这在这种天线对电磁能量的发射或接收过程中，因为不同的需求，需要天线满足不同的方向性要求。例如卫星通信天线就需要高增益的波束将能量集中在某一个特性方向，形成针状波束达到远距离定向通信的目的；而广播信号发射天线则希望产生全方向覆盖的波束，达到全向广播的效果。描述天线方向性的指标参数为方向函数，对应的图形表示为方向图。为满足不同的应用需求，人们设计了具有各种方向特性的天线来适应对应的方向性要求，如反射面高增益天线、对称阵子宽波束天线等。进一步，在工程应用中，在这些天线被实际安装在设备系统之前，人们需要对天线的方向性进行实际的测试，用来检验天线的方向性设计是否满足要求，这就是通常所说的天线方向图测试。天线方向图测试是天线研发中必不可少的一个环节，也是天线研究领域的一个独立的学科。
3.典型天线的天线方向图测试方法首先需要建立收发链路：即将信号能量通过发射天线转变为电磁波，电磁波经过空间传播后到达接收天线，接收天线将电磁波转换为接收端的信号，进一步处理后获得接收端信号和发射端信号的幅度相位比例。当固定收发天线中的一个天线的指向，而让另一个天线的指向通过机械伺服或其他手段做空间相对角度运动变化时，记录下来的不同离散角度对应的幅度相位比例就会体现出旋转天线的发射或者接收能力随着空间不同角度的变化，形成方向函数或者方向图的部分离散采样点上的数值。如果这些采样点覆盖了天线的2个主要切面，如e面或者h面，构成了切面2维方向图曲线。如果进行大量的测量获取了天线半空间甚至全空间不同方向的方向性采样点数据，就可以形成3维方向性数据。考虑到极化特性时，3维方向图的测试具有很大复杂度。
4.常规无线电应用中所提的天线方向图是指远场方向图，即天线在辐射场占据主体的区域内对应的方向图。因此对天线的远场直接测试中需要收发天线间距满足远场条件。对于面天线而言，远场条件所需的收发间距大于2d2/λ。对单极子或者偶极子类电小天线而言，远场条件所需的收发间距大于为10λ。当收发间距大于这一距离时，可以采用远场直接测试。另一类远场方向图间接测试方法为近场测试方法，即借助探头在包围待测天线的一个近场区域的面上进行离散的场采样测试，并借助惠更斯原理和采样定理进行近远场变换获取待测天线的远场方向图。
5.对于采用近场测试的方法，因为要使探头在几百米甚至上千米的2维采样面范围内精确移动和采样，如果采用固定框架导轨，代价过大几乎不可行；如果采用移动平台如无人机携带探头，又面临定位精度不够、续航能力不够、受天气影响过大等问题而无法保障测
试精度测试覆盖范围。对于采用远场测试的方法，由于将几十米的地面环境进行移动或者转动不可行，天线最多只具有方位维的旋转能力，因此若接收探头固定在远距离的塔架上(如常规远场测试所能提供的条件那样)，随着天线转动，测试系统只能获得某一固定俯仰角度的方向图切线；若在塔架上搭设导轨，即使探头只进行一维的弧线运动，也需要几十米甚至近百米的弧形导轨塔架，造价和成本非常高昂。此外，要想获得3维的全部方向图数据，需要天线的旋转和探头在导轨上的运动反复。综上所述，以获取3维方向图为目标的低频段天线方向性测试，如果采用传统方法，其成本、测试难度、测试时间都远超过人们的预期，大大限制了其可行性。迫切需要研发新的测试策略和方法。
6.对于频率较低的天线而言，例如工作在几十mhz的天线，工作波长较大。这就导致，一方面天线系统本身的尺寸非常庞大；另一方面远场收发间距要求也很大。此外要使测试的结果与实际的使用相一致，天线周边的环境要和实际一致，尤其是地面的反射效应所需要考虑的区域也非常大；例如30mhz的对称振子天线，典型尺寸达到5m左右，影响天线辐射特性的“地面”区域直径也达到几十米；远场收发间距达到100m。此时无论采用近场还是远场都面临很大的挑战。
7.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
8.(1)对于采用近场测试的方法，如果采用固定框架导轨，代价过大几乎不可行；如果采用移动平台如无人机携带探头，又面临定位精度不够、续航能力不够、受天气影响过大等问题而无法保障测试精度测试覆盖范围。
9.(2)对于采用远场测试的方法，若接收探头固定在远距离的塔架上，测试系统只能获得某一固定俯仰角度的方向图切线；若在塔架上搭设导轨，需要几十米甚至近百米的弧形导轨塔架，造价和成本非常高昂。
10.(3)以获取3维方向图为目标的低频段天线方向性测试，如果采用传统方法，其成本、测试难度、测试时间都远超过人们的预期，大大限制了其可行性。
11.(4)现有频率较低的天线工作波长较大，一方面会导致天线系统本身的尺寸非常庞大，另一方面远场收发间距要求也很大。
12.(5)现有频率较低的天线，要使测试的结果与实际的使用相一致，天线周边的环境要和实际一致，尤其是地面的反射效应所需要考虑的区域也非常大，无论采用近场还是远场都面临很大的挑战。
13.解决以上问题及缺陷的难度为：
14.(1)对于采用近场测试的方法，因为要使探头在几百米甚至上千米的2维采样面范围内精确移动和采样，如果采用固定框架导轨，代价过大几乎不可行；如果采用移动平台如无人机携带探头，又面临定位精度不够、续航能力不够、受天气影响过大等问题而无法保障测试精度测试覆盖范围。
15.(2)对于采用远场测试的方法，由于将几十米的地面环境进行移动或者转动不可行，天线最多只具有方位维的旋转能力，因此若接收探头固定在远距离的塔架上(如常规远场测试所能提供的条件那样)，随着天线转动，测试系统只能获得某一固定俯仰角度的方向图切线；若在塔架上搭设导轨，即使探头只进行一维的弧线运动，也需要几十米甚至近百米的弧形导轨塔架，造价和成本非常高昂。此外，要想获得3维的全部方向图数据，需要天线的旋转和探头在导轨上的运动反复。综上所述，以获取3维方向图为目标的低频段天线方向性
测试，如果采用传统方法，其成本、测试难度、测试时间都远超过人们的预期，大大限制了其可行性。迫切需要研发新的测试策略和方法。
16.解决以上问题及缺陷的意义为：如果可以降低低频段天线的测试系统的硬件尺寸、复杂度成本和相关的场地要求，并同时降低天线测试的工作时间和控制复杂度，形成简单可行的测试方法，可以大大推动和加速人们对低频段天线的研发和实用。同时，如果新的测试方法可以提供3维的全极化方向图测试结果，则可以为基于低频天线的各种设备平台提供更加完备的数据基础，形成对系统整体特性更加清晰和完备的预估和认识，提升低频段无线电系统的各种应用设备技术水平。


技术实现要素：

17.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端，尤其涉及一种基于特征模的天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端。
18.本发明是这样实现的，一种天线方向图快速测量和预估方法，所述天线方向图快速测量和预估方法包括：
19.首先通过计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；然后对天线在与特征模个数对应的少量离散方向的辐射场通过收发系统进行测量，并通过测量结果反演各个特征模式激励系数；接着通过模式叠加获得天线的3维方向图；进一步借助少量离散方向的电场测试结果进行验证。
20.进一步，所述天线方向图快速测量和预估方法包括以下步骤：
21.步骤一，基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；在低频段，天线结构通常较为简单，虽然几何尺寸笨重，但电气结构相对较小，因此有效模式数目有限且场结构相对简单，模式场理论可以清晰地解释天线方向图的生成机理。
22.步骤二，通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数；该步骤只需进行几个离散点的测试，而不需要探头进行过天线顶部的大范围的弧形运动或者大面积二维测量面扫描，大大降低了测试的成本和难度。
23.步骤三，通过模式叠加获得天线的3维方向图。通过有限点的测试获取了3维方向图数据，提升了系统的测试能力；此外，该方法原则上可以通过单极化的测试预估全极化的测试结果。这种多重改进必将大大提升低频天线测试系统的应用范围。
24.进一步，步骤一中，所述基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据，包括：
25.对于一个给定的天线结构，对天线进行建模，并基于仿真计算获取待测天线的所有有效特征模个数m及每个模式对应的3维场强数据；选定特征模贡献度相对差异较大的方向n为方向个数，根据特征模电场的特性暂取m＝9；导出所述方向的各个特征模场强某指定极化的数据其中m为特征模编号，n为方向编号，组成矩阵[e]待用；其中，所述矩阵[e]的表达式如下：
[0026][0027]
将天线实体依假设在典型的简化版远场进行各个单角度的远场指定极化测试，获取这些离散角度上的指定极化辐射场
[0028]
进一步，步骤二中，所述通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数，包括：
[0029]
借助所述测试和计算结果获得各个特征模激励系数，包括：
[0030]
由天线特征模理论可知，本征模场和天线辐射场满足如下关系：
[0031][0032]
其中，αm,n∈[1,m]为特征模的激励系数。
[0033]
基于测试获取的和计算获取的利用以下公式求解出αm,n∈[1,m]：
[0034][0035]
进一步，步骤三中，所述通过模式叠加获得天线的3维方向图，包括：
[0036]
通过特征模理论和叠加定理，获取任意角度的3维辐射场分布函数以及对应的方向图：
[0037][0038]
在所述天线单角度测试中额外选择若干其他测试方向，对获取的叠加结果进行验证。
[0039]
在所述测试过程中，选择n》m，采用最小二乘法拟合出最优的αm,n∈[1,m]作为叠加的参数。
[0040]
在所述测试过程中选择任意一个极化分量作为参数进行操作，而3维结果生成用于其他极化的计算，即原则上用单一极化的测试获得全极化的测试结果。
[0041]
进一步，所述天线方向图快速测量和预估方法依托于简化版典型测试系统，用于对发射天线在给定激励下的一些离散指定方向辐射场的测试。
[0042]
所述典型测试系统，包括待测发射天线、转台、网络分析仪、接收探头、工装及电
缆；其中，所述待测发射天线架设于转台上，通过电缆与网络分析仪发射端连接；所述接收天线架设于工装上，通过电缆与网络分析仪接收端连接。
[0043]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的天线方向图快速测量和预估方法的天线方向图快速测量和预估系统，所述天线方向图快速测量和预估系统，包括：
[0044]
待测天线数据获取模块，用于基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；
[0045]
模式激励系数获取模块，用于通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数；
[0046]
天线方向图获取模块，用于通过模式叠加获得天线的3维方向图。
[0047]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0048]
首先通过计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；然后对天线在与特征模个数对应的少量离散方向的辐射场通过收发系统进行测量，并通过测量结果反演各个特征模式激励系数；接着通过模式叠加获得天线的3维方向图；进一步借助少量离散方向的电场测试结果进行验证。
[0049]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0050]
首先通过计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；然后对天线在与特征模个数对应的少量离散方向的辐射场通过收发系统进行测量，并通过测量结果反演各个特征模式激励系数；接着通过模式叠加获得天线的3维方向图；进一步借助少量离散方向的电场测试结果进行验证。
[0051]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的天线方向图快速测量和预估系统。
[0052]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的天线方向图快速测量和预估方法，测试系统只需进行几个离散点的测试，而不需要探头进行过天线顶部的大范围的弧形运动或者大面积二维测量面扫描，大大降低了测试的成本和难度；另一方面通过有限点的测试获取了3维方向图数据，提升了系统的测试能力；该方法原则上可以通过单极化的测试预估全极化的测试结果，降低低频段天线的测试系统的硬件尺寸、复杂度成本和相关的场地要求，并同时降低天线测试的工作时间和控制复杂度，形成简单可行的测试方法，可以大大推动和加速人们对低频段天线的研发和实用。同时，如果新的测试方法可以提供3维的全极化方向图测试结果，则可以为基于低频天线的各种设备平台提供更加完备的数据基础，形成对系统整体特性更加清晰和完备的预估和认识，提升低频段无线电系统的各种应用设备技术水平。
[0053]
这种多重改进必将大大提升低频天线测试系统的应用范围。
附图说明
[0054]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0055]
图1是本发明实施例提供的天线方向图快速测量和预估方法流程图。
[0056]
图2是本发明实施例提供的天线方向图快速测量和预估方法原理图。
[0057]
图3是本发明实施例提供的天线方向图快速测量和预估系统结构框图；
[0058]
图中：1、待测天线数据获取模块；2、模式激励系数获取模块；3、天线方向图获取模块。
[0059]
图4是本发明实施例提供的典型天线单元模式场及模式权重系数计算结果示意图。
[0060]
图5是本发明实施例提供的模拟测试生成的带有误差的电场示意图。
[0061]
图6是本发明实施例提供的通过模式场求解合成的电场示意图。
[0062]
图7是本发明实施例提供的通过模式场合成的3d电场示意图。
[0063]
图8是本发明实施例提供的简化远场测试系统示意图。
[0064]
图9是本发明实施例提供的比对远场测试系统示意图。
具体实施方式
[0065]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0066]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0067]
如图1所示，本发明实施例提供的天线方向图快速测量和预估方法包括以下步骤：
[0068]
s101，基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；
[0069]
s102，通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数；
[0070]
s103，通过模式叠加获得天线的3维方向图。
[0071]
本发明实施例提供的天线方向图快速测量和预估方法原理图如图2所示。
[0072]
如图3所示，本发明实施例提供的天线方向图快速测量和预估系统包括：
[0073]
待测天线数据获取模块1，用于基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；
[0074]
模式激励系数获取模块2，用于通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数；
[0075]
天线方向图获取模块3，用于通过模式叠加获得天线的3维方向图。
[0076]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0077]
实施例1
[0078]
本发明实施例提供的基于特征模的天线方向图快速测量和预估方法，基于的测试系统由待测发射天线、转台、网络分析仪、接收探头、工装及电缆构成。待测天线既可以是发射天线，也可以是接收天线。所述方法首先通过计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；然后对天线在与特征模个数对应的少量离散方向的辐射场通过收发系统进行测量，并通过测量结果反演各个特征模式激励系数；接着通过模式叠加获得天线的3
维方向图；进一步可借助少量离散方向的电场测试结果进行验证。本发明通过在有限的几个离散方向测试获取天线的3维方向图，适用于尺寸较大的低频天线，简化低频天线测试系统、降低测试难度、提升测试效率。
[0079]
本发明实施例提供的基于特征模的天线方向图快速测量和预估方法包含3个基本步骤：
[0080]
基于计算获取待测天线的特征模及每个模式对应的3维场强数据；通过少量离散方向的辐射场测量，获取各个特征模式激励系数；通过模式叠加获得天线的3维方向图；
[0081]
本发明实施例提供的基于特征模的天线方向图快速测量和预估方法依托于简化版测试系统，用于对发射天线在给定激励下的一些离散指定方向辐射场的测试。典型测试系统包括：待测发射天线、转台、网络分析仪、接收探头、工装及电缆。所述待测发射天线架设于转台上，通过电缆与网络分析仪发射端连接，所述接收天线架设于工装上，通过电缆与网络分析仪接收端连接。
[0082]
本发明实施例提供的基于特征模的天线方向图快速测量和预估方法，进一步可以借助少量离散方向的电场测试结果进行验证。增强测试系统可信度。
[0083]
实施例2
[0084]
本发明是这样实现的，对于一个给定的天线结构：
[0085]
对天线进行建模，并基于仿真计算获取待测天线的所有有效特征模个数m及每个模式对应的3维场强数据；并选定特征模贡献度相对差异较大的几个方向n为方向个数，根据特征模电场的特性这里暂取m＝9。导出这几个方向的各个特征模场强某指定极化的数据其中m为特征模编号，n为方向编号。组成矩阵[e]待用。
[0086][0087]
进一步将天线实体依假设在典型的简化版远场进行各个单角度的远场指定极化测试，获取这些离散角度上的指定极化辐射场
[0088]
进一步借助上述测试和计算结果可以获得各个特征模激励系数。具体如下：
[0089]
由天线特征模理论可知，本征模场和天线辐射场满足如下关系：
[0090][0091]
其中αm,n∈[1,m]为特征模的激励系数。因此基于(2)式，基于测试获取的和计算获取的可以利用(3)式求解出αm,n∈[1,m]。
[0092][0093]
进一步，通过特征模理论和叠加定理，可以获取任意角度的3维辐射场分布函数以及对应的方向图：
[0094][0095]
进一步在上述的天线单角度测试中可以额外选择若干其他测试方向，对基于(4)式的叠加结果进行验证。
[0096]
进一步在上述的测试过程中，也可以选择n》m，采用最小二乘法拟合出最优的αm,n∈[1,m]作为(4)式叠加的参数。
[0097]
进一步在上述的测试过程中可以选择任意一个极化分量作为参数进行操作，而(4)式的3维结果生成可以用于其他极化的计算。即原则上可以用单一极化的测试来获得全极化的测试结果。
[0098]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：一方面，测试系统只需进行几个离散点的测试，而不需要探头进行过天线顶部的大范围的弧形运动或者大面积二维测量面扫描，大大降低了测试的成本和难度；另一方面通过有限点的测试获取了3维方向图数据，提升了系统的测试能力；此外，该方法原则上可以通过单极化的测试预估全极化的测试结果。
[0099]
实施例3
[0100]
如图2所示，本发明的测试步骤如下：
[0101]
首先基于计算获取了待测天线的15个特征模及每个模式对应的3维场强数据。图4给出了一个典型低频天线带地面模型的各个模式场切面分布以及模式加权系数。可以看出，该天线的有效特征模个数m＝5；每个模式在不同方向的场贡献各不相同；
[0102]
选定如下的方向作为测试方向,θn＝[-90
°
,-80
°
，-53
°
，-30
°
，0
°
，30
°
，53
°
，80
°
，90
°
]，在这些方向各个模式的模式场为：
[0103][0104]
接着，模拟实体天线在这些方向的测试结果为：
[0105][0106]
为了贴合真实测试情况，对该场加入随机的幅相误差，结果如图5所示，通过模式场求解合成结果如图6所示。
[0107]
进一步借助上述测试和计算结果，通过求解矩阵penrose广义逆，进一步可以获得各个特征模激励系数。具体如下：
[0108][0109]
通过仿真所得的方向图如图7(a)所示。最后，通过特征模理论和叠加定理获取任意角度的3维辐射场分布函数以及对应的方向图。结果如图7(b)所示。
[0110]
可以看出，由于在低频段，天线结构通常较为简单，虽然几何尺寸笨重，但电气结构相对较小，因此有效模式数目有限且场结构相对简单。因此模式场理论可以清晰地解释天线方向图的生成机理，本方法也可以清晰地给出3维方向图的生成过程。
[0111]
图8给出了在上述测试过程中所需要的简化测试系统，可以看出，在测试过程中，首先即将仪表中的发射模块31产生的信号通过电缆62馈送给架设在转台2上的待测天线1，该天线将信号能量转变为辐射电磁波，电磁波经过空间传播后到达架设在塔架5上的接收探头4，接收天线将电磁波转换为接收端的信号经过电缆62送到仪表接收模块32，进一步处理后获得接收端信号和发射端信号的幅度相位比例。图9给出了作为比对的测试系统，该系统的接收探头位于大型导轨5上，并需要经过伺服机构精确控制步进移动，并通过待测天线天顶方向。
[0112]
通过比对可以看出，一方面，本发明的测试系统因只需进行几个离散点的测试，而
不需要探头进行过天线顶部的大范围的弧形运动或者大面积二维测量面扫描，大大降低了测试的成本和难度；另一方面通过有限点的测试获取了3维方向图数据，提升了系统的测试能力；此外，该方法原则上可以通过单极化的测试预估全极化的测试结果。这种多重改进必将大大提升低频天线测试系统的应用范围。
[0113]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0114]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。