一种三维矢量方向图获取方法以及平面近场天线测量方法

摘要

本发明属于天线测量技术领域，公开了一种三维矢量方向图获取方法，包括：获取测量探头的剖分几何模型；基于所述剖分几何模型，采用高阶矩量法计算其在近区包围球面上的电场分布；基于所述电场分布，通过球面近远场变换得到探头的远场任意点的三维矢量方向图。本发明提供一种能够在保证三维矢量方向图精度的情况下，缩小计算量的方法。

权利要求

1.一种三维矢量方向图获取方法，其特征在于，包括：获取测量探头的剖分几何模型；

基于所述剖分几何模型，基于奈奎斯特定理，在测量探头的近区球面上选取采样测量点；

采用高阶基函数展开剖分几何模型的导线和导体面片上的电流分布，获得电磁场的积分方程；

将所述积分方程转化为矩阵方程求解电流展开系数；

基于所述电流展开系数计算采样测量点处的电场分布；

基于所述电场分布，采用球面近远场变换得到测量探头的远场任意点的三维矢量方向图；

其中，相邻的所述采样测量点之间的间隔小于等于0.5倍的波长。

2.如权利要求1所述的三维矢量方向图获取方法，其特征在于，所述获取测量探头的剖分几何模型包括：对测量探头在两个相互垂直的方向上进行剖分。

3.如权利要求2所述的三维矢量方向图获取方法，其特征在于：进行剖分时，剖分面片的形状为矩形。

4.如权利要求3所述的三维矢量方向图获取方法，其特征在于：所述剖分面片的边长小于0.5倍的波长。

5.一种探头补偿方法，其特征在于：基于权利要求1～4任一项所述的三维矢量方向图获取方法得到测量探头的三维矢量方向图对测量探头的测量值进行补偿。

6.一种平面近场天线测量方法，其特征在于，基于权利要求5所述的探头补偿方法，并执行以下步骤：在平面近场测量系统中安置待测量天线和测量探头；

进行扫描测量，获取近场数据；

采用平面近远场变换算法转换得到初级测量数据；

基于测量探头的三维矢量方向图对所述初级测量数据进行补偿，得到待测天线的远场方向图。

说明书

一种三维矢量方向图获取方法以及平面近场天线测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及天线测量技术领域，特别涉及一种三维矢量方向图获取方法以及平面近场天线测量方法。

背景技术

[0002] 天线的近场测量的一般流程为：在暗室中放置待测天线，然后在距离待测天线3到10个波长的一个包围面上用一个已知特性的小探头进行扫描获取天线的近区电磁场数据，再经过近远场变换算法得到天线的远场特性。

[0003] 根据扫描的包围面的形状不同，一般将近场测量分为平面近场测量，柱面近场测量以及球面近场测量；且三种测量技术都需要采用复杂的探头补偿算法将待测天线的近场数据转换为准确的远场方向图。为了获得准确的远场方向图，探头在所测量的频点处的三维矢量方向图必须是准确的；现有获取三维矢量方向图的方法大概分为如下几种：

[0004] (1)采用探头的口面场近似计算出三维方向图；

[0005] (2)测量或者仿真计算探头的二维方向图，然后近似合成出三维方向图；

[0006] (3)测量或者仿真计算某些离散频点处的三维方向图，然后插值计算所需频点处的三维方向图；

[0007] (4)采用矩量法、有限元法或者其它数值方法得到任意频点处探头的三维方向图。

[0008] 上述方法(1)和(2)属于近似方法，在任何频点计算的探头方向图精度都不高；方法(3)在已经准确测量或者计算的某些频点上精度很高，但是在其它频点使用插值方法后精度不高；方法(4)采用常规的计算电磁学方法实时计算任意频点的方向图，精度较高，但是计算量巨大，速度慢，很难满足工程要求。也就是说，现有的获取探头在所测量的频点处的三维矢量方向图的方法在满足测量精度的情况下，计算量巨大，难以满足工程要求。

发明内容

[0009] 本发明提供一种三维矢量方向图获取方法以及平面近场天线测量方法，解决现有技术中在满足测量精度的情况下，获取测量探头在所测量的频点处的三维矢量方向图的计算量巨大，难以满足工程要求的技术问题。

[0010] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种三维矢量方向图获取方法，包括：

[0011] 获取测量探头的剖分几何模型；

[0012] 基于所述剖分几何模型，采用高阶矩量法计算其在近区包围球面上的电场分布；

[0013] 基于所述电场分布，通过球面近远场变换得到测量探头的远场任意点的三维矢量方向图。

[0014] 进一步地，所述采用高阶矩量法计算其在近区包围球面上的电场分布包括：

[0015] 基于奈奎斯特定理，在测量探头的近区球面上选取采样测量点；

[0016] 采用高阶矩量法计算所述采样测量点处的电场分布。

[0017] 进一步地，所述采用高阶矩量法计算所述采样测量点处的电场分布包括：

[0018] 采用高阶基函数展开剖分几何模型的导线和导体面片上的电流分布，获得电磁场的积分方程；

[0019] 将所述积分方程转化为矩阵方程求解电流展开系数；

[0020] 基于所述电流展开系数计算采样测量点处的电场分布。

[0021] 进一步地，相邻的所述采样测量点之间的间隔小于等于0.5倍的波长。

[0022] 进一步地，所述获取测量探头的剖分几何模型包括：

[0023] 对测量探头在两个相互垂直的方向上进行剖分。

[0024] 进一步地，进行剖分时，剖分面片的形状为矩形。

[0025] 进一步地，所述剖分面片的边长小于0.5倍的波长。

[0026] 一种探头补偿方法，基于所述的三维矢量方向图获取方法得到测量探头的三维矢量方向图对测量探头的测量值进行补偿。

[0027] 一种平面近场天线测量方法，基于所述的探头补偿方法，并执行以下步骤：

[0028] 在平面近场测量系统中安置待测量天线和测量探头；

[0029] 进行扫描测量，获取近场数据；

[0030] 采用平面近远场变换算法转换得到初级测量数据；

[0031] 基于测量探头的三维矢量方向图对所述初级测量数据进行补偿，得到待测天线的远场方向图。

[0032] 本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

[0033] 本申请实施例中提供的三维矢量方向图获取方法，将测量探头剖分得到剖分几何模型，而后通过高阶矩量法计算得到剖分几何模型在一个近区包围球面上的电场分布，相对常规电磁计算方法，级数更高，剖分面片数和未知数的个数大幅缩减，从而呈几何倍数的降低了计算量，大幅提升了计算效率，适于工程应用；并进一步，针对近区电场分布通过球面近远场转换得到远场电场分布，从而避免了大量的数据计算，使得计算量进一步缩减，提升计算效率。

附图说明

[0034] 图1为本发明实施例提供的获取三维矢量方向图的流程图；

[0035] 图2为本发明实施例提供的测量探头剖分几何模型示意图；

[0036] 图3为本发明实施例提供的高阶基函数示意图；

[0037] 图4为本发明实施例提供的喇叭的E面方向图；

[0038] 图5为本发明实施例提供的喇叭的H面方向图。

具体实施方式

[0039] 本申请实施例通过提供一种三维矢量方向图获取方法以及平面近场天线测量方法，解决现有技术中在满足测量精度的情况下，获取测量探头在所测量的频点处的三维矢量方向图的计算量巨大，难以满足工程要求的技术问题。

[0040] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

[0041] 本实施例提供一种三维矢量方向图获取方法，用于实现在保证精度的情况下，高效快速的得到三维矢量方向图，以适应工程应用。

[0042] 所述获取方法具体包括：

[0043] 获取测量探头的剖分几何模型；

[0044] 基于所述剖分几何模型，采用高阶矩量法计算其在近区包围球面上的电场分布；

[0045] 基于所述电场分布，通过球面近远场变换得到测量探头的远场任意点的三维矢量方向图。

[0046] 下面将具体说明上述方法步骤。

[0047] 参见图1，获取测量探头的剖分几何模型，对测量探头在两个相互垂直的方向上进行剖分，也就是通常所说的基于三维坐标系的x方向和y方向进行剖分。

[0048] 一般来说，测量探头需要用两种极化方向进行测量，通常是水平方向和垂直方向，因此进行剖分的时候也进行两个相互垂直的方向进行剖分，从而得到可靠的剖分几何模型。

[0049] 通常剖分可以通过软件工具实现，根据测量频率，选择相应的波长进行自动剖分。一般来说，测量探头多为标准的波导探头，结构规则，进行剖分时，采用矩形剖分，剖分面片的形状可选为矩形，一定程度上能够降低面片的数量，便于简化后续的计算。

[0050] 所述剖分面片的边长小于等于0.5倍的波长，从而能够保证获取的模型数据的完整性和可靠性。

[0051] 参见图2，以WR187探头为例得到的按照0.5倍波长剖分几何模型；规则且完整的反应了探头的结构特征。

[0052] 获得完整可靠的剖分几何模型之后，采用高阶矩量法进行展开计算其在近区包围球面上的电场分布。

[0053] 通常在得到具体的剖分几何模型之后，设定工作频率和激励源之后就可以利用高级矩量法计算其辐射场。

[0054] 参见图3，具体来说，采用高阶基函数展开剖分几何模型的导线和导体面片上的电流分布，将电磁场的积分方程转化为矩阵方程，通过求解得到电流展开系数，进而可以计算得到近区包围球面上的任意离散点上的电场。

[0055] 值得说明的是，对于规则的测量探头，采用高阶矩量法计算其在近区包围球面上的电场分布，具体可基于奈奎斯特定理，在测量探头的近区球面上选取采样测量点；采用高阶矩量法计算所述采样测量点处的电场分布。

[0056] 具体来说，在满足奈奎斯特定理，且最大间隔保持在0.5倍的波长的情况下，在近区包围球面上选择离散的点，计算这些离散点的近场电场分布。而后通过球面近远场转换的算法，计算得到任意点的远场电场分布。

[0057] 一方面，相对于纯计算电磁学方法，速度更快；另一方面，相对于直接计算测量探头的三维矢量方向图，由于采用了奈奎斯特定理结合近远场变换的方式，能够呈几何级的缩小计算的点的规模，大大缩小了计算量，提升了计算效率，以适应工程应用。

[0058] 以WR187探头为例，每间隔一度取一个点时，一共需要取360×180个点；相对的，采用高阶矩量法结合球面近远场变换的方法，仅需要计算满足奈奎斯特定理的36×18个离散点，计算时长缩减100倍，计算速度呈几何级缩短。而后通过球面近远场转换得到360×180个点的远场电场分布。整个过程时间大幅降低。

[0059] 一般来说，会根据测量探头的测量带宽，选择多个离散的频点，依次重复上述方法步骤，获得不同频点条件下的远场三维矢量方向图。

[0060] 当获取了三维矢量方向图之后，可直接应用在探头补偿算法中，用于天线测量过程。

[0061] 相应的，本实施例提供一种基于上述补偿算法的平面近场天线测量方法。

[0062] 在平面近场测量系统中安置待测量天线和测量探头；

[0063] 进行扫描测量，获取近场数据；

[0064] 采用平面近远场变换算法转换得到初级测量数据；

[0065] 基于测量探头的三维矢量方向图对所述初级测量数据进行补偿，得到待测天线的远场方向图。

[0066] 参见图4和图5，以待测喇叭为例说明。

[0067] 将待测喇叭和测量探头安置在平面近场测量暗室中，工作频率5.7Ghz，采用上述补偿方法得到的喇叭在E面和H面的方向图与标准结果的对照。可以发现几乎完全一致，最大误差不到0.3dB。

[0068] 本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

[0069] 本申请实施例中提供的三维矢量方向图获取方法，将测量探头剖分得到剖分几何模型，而后通过高阶矩量法计算得到剖分几何模型在一个近区包围球面上的电场分布，相对常规电磁计算方法，级数更高，剖分面片数和未知数的个数大幅缩减，从而呈几何倍数的降低了计算量，大幅提升了计算效率，适于工程应用；并进一步，针对近区电场分布通过球面近远场转换得到远场电场分布，从而避免了大量的数据计算，使得计算量进一步缩减，提升计算效率。

[0070] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。