一种平面近场暗室散射的测试与补偿方法与流程

本发明涉及一种暗室散射测试方法，特别是一种平面近场暗室散射的测试与补偿方法，属于天线测量技术领域。

背景技术：

暗室散射是平面近场测量最主要的误差源之一，对暗室散射进行全面和精确的测试，是提高天线测试精度的重要手段。该方法是在通信、导航卫星天线平面近场测量校准方法研究过程中，在对误差源——暗室散射进行测试评估时进行方法设计与验证的。暗室散射是平面近场测试18项误差源中最重要、评估难度最大的误差源之一，对天线增益、旁瓣等参数的测试结果会产生重要的影响。

目前最常用的暗室散射测试方法有两种，一种是通过测试天线与目标天线之间的距离不断拉大，采集两个天线的传输参数S21，通过计算空间驻波的方式解算出该区域某一处的反射波大小，估算暗室散射量级。另外一种是利用平面近场固有的数据采集系统，在暗室不同位置进行常规方向图测试，比对测试结果的不同，以结果的差异作为暗室散射的量级大小。

第一种方法对暗室散射测试的范围较小，如果需要对较大区域内进行该工作，工作量巨大，需要移动水平方向移动测试天线与测试天线很多次，每次水平移动完毕后还需要垂直方向移动来进行测试，水平方向移动的距离又必须保证足够小，对于较大面积的测试工作的难度与数量就让人难以接受。同时在水平移动时，如果没有特殊装置进行移动平面度的保证，测试就会引入很大的位置误差，导致最终的结果异常。

第二种方法在一定程度可以反映平面近场暗室散射对于方向图测试带来的影响，但是结果不够确切。该方式可以找出相对于其他位置较好的一块区域，即暗室散射较小的区域，但是对于散射较为恶劣的区域无法进行修正和补偿。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有暗室散射测试技术工作量大，结果不能应用于修正的不足，提供一种平面近场暗室散射的测试与补偿方法，分析对天线各参数测试结果的影响，提高天线测试精度。

本发明技术解决方案：

暗室散射的测试与补偿方法主要包括三部分内容：暗室散射测试方法设计、测试工装设备的设计与实施、暗室散射的补偿与校正。

本发明的技术解决方案是：一种平面近场暗室散射的测试与补偿方法，步骤如下：

(1)测试天线采用标准喇叭，目标天线采用开口波导，分别安装于T型导轨上与扫描架探头安装位置。T型导轨放置在需要进行平面近场暗室散射测试的区域内。

(2)目标天线从扫描架零位开始移动，在二维平面内，激光跟踪仪每隔一定间距测量一次目标天线的中心三维坐标值，通过平面最小二乘拟合，建立扫描架标定坐标系；

(3)测试天线从T型导轨的零位出发，移动一个间距后，利用激光跟踪仪测量天线中心的三维坐标值，当测量位置数大于等于3时，即可解算得到测试天线的轨迹方程；

(4)计算测试天线轨迹方程与扫描架标定坐标系X轴或Y轴、XOY平面的夹角，调整T型导位置与姿态，使得测试天线与X轴平行且与XOY面平行，此状态即为测试天线的初始状态；

(5)测试天线从T型导轨的零位出发，每移动间距Δ后(保证Δ接近0.25个波长，Δ由激光跟踪仪测量得到)，计算测试天线中心，此时即可得到测试天线中心和目标天线中心的坐标差值ΔX、ΔY，将该值反馈给扫描架后，扫描架驱动目标天线运动到和测试天线中心重合的位置，利用平面近场固有的数据采集系统进行幅度相位的采集，然后继续移动目标天线，直到T型导轨末端，完成所有位置的幅度相位的采集。

(6)将T型导轨沿垂直与导轨方向移动0.25个波长，重复步骤(5)测试直至将整个需要的测试暗室散射区域面积内所有的散射场幅度相位分布全部采集完毕，采集到的数据矩阵记为ΔB′；

(7)将测试天线旋转90度，同时目标天线旋转90度，重复(5)与(6)，采集到的数据记为ΔB″；

(8)通过修正算法利用步骤(6)和步骤(7)所得到测试结果对使用平面近场固有的数据采集系统进行常规天线测试所得结果进行修正，得到补偿暗室散射后的方向图数据F_θ、

所述步骤(8)修正算法实现为：

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表示近远场变换中的傅里叶变换，F_θ′、表示使用平面近场固有的数据采集系统进行常规天线测试所得的天线方向图测试结果，f_θ′表示在平面近场测试时第一极化测试探头的两个极化分量方向图，f_θ″表示在平面近场测试时第二极化测试探头的两个极化分量方向图，F_θ、表示补偿暗室散射后的两个分量的方向图数据，即所求结果。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)与平面近场常规天线测试状态保持高度一致，更加准确的标定平面近场暗室散射。传统暗室散射测试方法都与常规天线状态有差别，或多或少会对暗室测试结果产生一定的影响，增大暗室散射测试误差。

(2)修正算法可以在一定程度上消除暗室散射对平面近场天线测试带来的影响，在平面近场暗室散射测试的基础上提高平面近场天线测试精度，降低由于暗室环境不同对天线测试带来的差异性。

(3)采用T型导轨，减轻了平面近场暗室散射工作量与工作难度。不但对于位置机械精度有了很好的保证，而且利于实现平面近场暗室散射测试的自动化，T型导轨采用丝杠驱动，加上电机马达即可达到自动化移动的功能。

(4)T型导轨采用全玻璃钢材料制作，对于暗室散射测试工作影响极低，暗室散射测试工作除开机械校准工作需要激光跟踪仪外，其余数据采集工作利用平面近场固有的数据采集系统，无需增加其他的射频设备。

附图说明

图1本发明的方法的实现流程图；

图2为本发明的测试示意图；

图3为T型导轨三维模型侧视图；

图4为T型导轨三维模型俯视图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明天线做详细的说明，

如图1、2所示，本发明具体实现如下：

一、详细步骤

(1)测试天线采用标准喇叭3，目标天线采用开口波导2，分别安装于T型导轨4上与扫描架1探头安装位置。T型导轨4放置在需要进行平面近场暗室散射测试的区域内。

(2)目标天线从扫描架零位开始移动，在二维平面内，激光跟踪仪每隔一定间距测量一次目标天线的中心三维坐标值，通过平面最小二乘拟合，建立扫描架标定坐标系；

(3)测试天线从T型导轨的零位出发，移动一个间距后，利用激光跟踪仪测量天线中心的三维坐标值，当测量位置数大于等于3时，即可解算得到测试天线的轨迹方程；

(4)计算测试天线轨迹方程与扫描架标定坐标系X轴或Y轴、XOY平面的夹角，调整T型导位置与姿态，使得测试天线与X轴平行且与XOY面平行，此状态即为测试天线的初始状态；

(5)测试天线从T型导轨的零位出发，每移动间距Δ后(保证Δ接近0.25个波长，Δ由激光跟踪仪测量得到)，计算测试天线中心，此时即可得到测试天线中心和目标天线中心的坐标差值ΔX、ΔY，将该值反馈给扫描架后，扫描架驱动目标天线运动到和测试天线中心重合的位置，利用平面近场固有的数据采集系统进行幅度相位的采集，然后继续移动目标天线，直到T型导轨末端，完成所有位置的幅度相位的采集。

(6)利用带有轮子5的部分，将T型导轨沿垂直与导轨方向移动0.25个波长，重复步骤(5)测试直至将整个需要的测试暗室散射区域面积内所有的散射场幅度相位分布全部采集完毕，采集到的数据矩阵记为ΔB′；

(7)将测试天线旋转90度，同时目标天线旋转90度，重复步骤(5)与(6)，采集到的数据记为ΔB″；

(8)通过修正算法利用步骤(6)和步骤(7)所得到测试结果对使用平面近场固有的数据采集系统进行常规天线测试所得结果进行修正，得到补偿暗室散射后的方向图数据F_θ、

二、算法简介

根据平面波谱的近远场变换理论，远场方向图是不同方向平面波谱的叠加，如式1所表示。

为远场场强分布，为平面波谱函数。平面近场测试通过采集天线口面近场分布，计算取得天线平面波谱函数，得到天线远场方向图。一般测试采用探头两次正交极化测试得到待测天线的方向图，考虑探头补偿以坐标系为例待测天线方向图可以通过式2与式3表示。

为待测天线方向图，与为探头坐标系下探头两次正交测试时使用探头的远场方向图。b′(x,y,d)和b″(x,y,d)为近场测试系统探头两次正交极化所采集的近场分布，d为扫描面距天线口面距离，λ波长，C₁和C₂为与待测天线方向图无关的常数。

通常探头方向图为已知值，联立式2、3、4即可解出待测天线方向图两个极化分量方向图。

为了讨论简便，可以将式2右端的傅里叶变换记为一个整体算子fft，近场由于暗室散射干扰引入一个近场干扰分布Δb′和Δb″分别为探头两个极化正交时的暗室散射干扰分布。在发射天线固定下，不考虑探头与天线间耦合，均为场地坐标的函数。则带有暗室散射干扰的天线远场方向图可以由式5、式6联立求解。

其中为待测天线方向图，与为探头坐标系下探头两次正交测试时使用探头的方向图，b′为没有暗室干扰情况下的平面近场第一极化采集数据，b″为没有暗室干扰情况下的平面近场第二极化采集数据，Δb′和Δb″分别为暗室散射第一极化与第二极化的近场分布。

通过傅里叶变换的线性性质，即fft(b+Δb)＝fft(b)+fft(Δb)。联立式2、式3、式4，以坐标系为例，可以求解得：

其中为待测天线θ分量方向图，其中为待测天线分量方向图，与为探头坐标系下探头两次正交测试时使用探头的方向图，Δb′和Δb″分别为暗室散射第一极化与第二极化的近场分布。

通过式7、式8，可以求解出去除暗室散射干扰源的远场方向图F_θ、

在前面步骤(6)(7)测得的ΔB′与ΔB″为包含有暗室散射近场与标准喇叭与开口波导无暗室散射的场的叠加值，一般认为暗室散射在足够大面积下是以空间驻波形式存在，所以对ΔB′与ΔB″进行平均运算可消除大部分的暗室散射引起的幅度与相位起伏。

故所求的单纯的暗室散射近场分布为：

Δb′＝ΔB′-mean(ΔB′)(式9)

Δb″＝ΔB″-mean(ΔB″)(式10)

再结合式(7)与(8)得到补偿暗室散射影响后的天线方向图。mean(ΔB′)表示ΔB′的矢量平均，mean(ΔB″)表示ΔB″的矢量平均。Δb′表示暗室散射第一极化分量，Δb″表示暗室散射第二极化分量。

总之，本发明采用一种T型导轨，通过对扫描面区域内暗室散射的检测，得到该扫描区域的暗室散射场分布。利用算法补偿该区域内天线测试由于暗室散射带来的影响。本发明与传统暗室散射测试方法相比较，更好的检测指定区域内暗室散射分布情况，并且利用算法补偿了暗室散射对于天线测试的影响。

三、T型导轨简介

如图3所示，T型导轨采用纯玻璃钢材料制作，使其在暗室散射测试时的影响降至最低。包括导轨41、天线支撑板42、支撑杆43、支撑筒44和丝杠45。支撑筒44位于整个装置最下方，导轨41与支撑筒44相连接，支撑杆43连接导轨41与支撑筒44，起到一定的支撑形变保持作用。天线支撑板42与导轨41连接，丝杠45与支撑筒44与天线支撑板42相连，丝杠45可驱动天线支撑板42在导轨41上来回运动。图4为T型导轨俯视图，丝杠45、导轨46、天线支撑板47。

导轨41的直线度与平面度有一定的要求，保证RMS均小于0.5mm。目标天线支撑板42是T型导轨的运动部分，支撑杆43保证导轨的稳定度与刚度。支撑筒44支撑整体T型导轨以及与地面其他设备相连接的作用。丝杠45是运动部分的驱动装置，图3、图4中为手动转盘，可以改装为马达与齿轮驱动，实现测试自动化控制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。