使用时频分析测量的单道天线远场天线因子估计方法
【专利摘要】本发明提出一种使用时频分析测量的单通道天线远场天线参数估计方法，该方法应用于对数周期偶极数组天线，天线之间的间距为10米，该方法应用时间频率分析方法从而有效抑制一些该单一天线方法中出现的非期望反射，并且利用由时间频率方法所估计的天线距离估计远场天线因子，另外，使用天线辐射中心距离修正共识来估计对数周其偶极数组天线的远场天线因子，与其他方法所估计的远场天线因子相比，所估计的天线因子具有更好的远场增益相容性，天线距离为5米的地方，在频率范围从300兆赫兹到1000兆赫兹的范围内频率差异低于0.3dB。
【专利说明】
使用时频分析测量的单道天线远场天线因子估计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种天线因子估计的方法，特别是采用时间-频率方法测量的针对单 道远场天线的因子估计方法。
【背景技术】
[0002] 目前的远场天线因子测量方法存在如下的缺陷，首先不能使用时间域的减法将地 面反射波和待测天线的固有自反射波分开测量；另外，之前所提出的测量方法是用固定的 天线具有，由此，远场天线因子估计的主要的测量不确定度大部分和天线的距离有关，因此 不能降低测量的不确定度;第三，不能确定每个频率下的天线距离，从而不能有效地确定估 计方法来估计远场天线因子;第四，不能有效利用时域分析方法和时频分析方法，并使用其 中的短时傅立叶变换技术进行天线因子的确定，从而估计精度不高。
[0003] 由此提出一种使用时频分析测量的单通道天线远场天线参数估计方法，该方法应 用于对数周期偶极数组天线，天线之间的间距为10米，该方法应用时间频率分析方法从而 有效抑制一些该单一天线方法中出现的非期望反射，并且利用由时间频率方法所估计的天 线距离估计远场天线因子，另外，使用天线辐射中心距离修正共识来估计对数周其偶极数 组天线的远场天线因子，与其他方法所估计的远场天线因子相比，所估计的天线因子具有 更好的远场增益相容性，天线距离为5米的地方，在频率范围从300兆赫兹到1000兆赫兹的 范围内频率差异低于〇.3dB。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的通过如下方案实现：
[0005] -种使用时频分析测量的单通道天线远场天线因子估计方法，该方法用于标定对 数周期偶极数组天线，包括如下步骤：
[0006] (1)在消声室内的地面上设置所有的测量对象，将对数周期偶极距天线阵列作为 被测对象，天线垂直于地面并位于地面之上的间距为1米到5米之间的范围；
[0007] (2)通过矢量网络分析仪测量频域的反射系数sn(co)，并且将其转换为相应的时 域反射系数sn(t);
[0008] (3)通过公式（1)计算Sll(t)，其中公式使用傅立叶逆变换以及汉宁频域窗 W(?)，其中公式(1)为：
[0009] sn(t)=F_1(ff( ? )sn( ? )) (1)
[0010] 其中Sll(t)包括sllintrinsic(t)，s llgr_d_ref(t)以及其他非期望的波形，其中 Sllintrinsi。( t )为天线内部结构的固有反射，Sllgroimd_:ref ( t)为地面的垂直入射反射反射波，其 他非期望反射波形具有非期望的环境反射波，如天线罩等；
[0011] (4)拾取垂直地面入射的反射波从而估计自由空间天线因子，采用将Sll(t)平均的 方式估计Smntnr^cXt)，随着垂直对天线进行扫描将 Sll(t)平均，保留不变的部分Slllntrlnsl。 (0，并将其从811(〇提取出；
[0012] (5)通过公式（2)将smntrinslc(t)从时域的sn(t)中减去可以得到直接反射波 Sllgroimd_ref(t)，公式(2)如下：
[001 3] Sllgroundref ( t)-Sll (t ) -S11 intrinsic ( t) (2);
[0014] (6)使用短时傅立叶变换以及汉宁时间窗的方法计算Sllgrciund_ ref(t)的时间-频率 响应，从而确定每个频率的天线距离D = z(co)，其中，汉宁窗时域宽度为20ns，傅立叶变换 的次数为8196;
[0015] (7)使用公式(3)由估计的天线距离估计天线因子：
[0016] af2( w,z)=rio, [Zo?A0?D(co) * Sllgroundref ( ^ ,z)] ( 3 )
[0017] 其中，no = 12031 Q为自由空间特征阻抗，Zo = 50 Q为同轴线缆的特征阻抗，并且入0 为相应的自由空间波长，D( CO )为待测对象幅射点到地面的双向距离，在对数周期偶极数组 天线为测量对象的情况下，该双向距离的公式如公式(4)所示：
[0018] D(?)=z+2Xdi-f-A (4)
[0019]其中，z为从待测对象的顶部到地面的双向距离，cU-f为天线顶部到对数周期偶极 数组天线辐射点的距离；
[0020] (8)将天线的幅值中心位置应用于公式(4)获得远场天线因子估计值的公式(5):
[0022] 其中，affar(?)为远场天线因子。
【附图说明】
[0023] 附图1为根据本发明实施例使用天线子标定方法建立天线因子测量值的示意图；
[0024] 附图2为根据本发明实施例的对数周期偶极数组天线sn(t)的标定结果示意图；
[0025] 附图3为根据本发明实施例的对数周期偶极数组天线的S11_grciund_re3f(t)估计值示 意图；
[0026] 附图4为采用本发明实施例方法估计的远场天线因子与使用其它方法估计的天线 因子之间的差异值示意图。
[0027] 附图标记:1_待测天线2-地面3-网络分析仪
【具体实施方式】
[0028] -种使用时频分析测量的单通道天线远场天线因子估计方法，首先该方法用于标 定对数周期偶极数组天线，其实验建立方法示意性的如图1所示。所有的测量都是建立在消 声室内的地面上，将对数周期偶极距天线阵列作为被测对象，天线垂直于地面并位于地面 之上的间距为1米到5米之间的范围；通过矢量网络分析仪测量频域的反射系数sn( co )，并 且将其转换为相应的时域反射系数sn(t);通过公式（1)计算sn(t)，其中公式使用傅立叶 逆变换? )以及汉宁频域窗W( ? )，公式(1)如下所示：
[0029] sii(t)=F_1(ff(?)sn(?)) (1)
[0030] 其中SH(t)包括SHintrinsicU)，Sllgr_d_ref(t)以及其他非期望的波形，其中 Sllintrinsic;( t )为天线内部结构的固有反射，Sllground+ref ( t)为地面的垂直入射反射反射波，其 他非期望反射波形具有非期望的环境反射波，如天线罩等，所估计的时域波形如图2所示。 为了估计自由空间天线因子，我们必须拾取垂直地面入射的反射波，首先采用将sn(t)平均 的方式估计Smntnr^U)，这是因为Smntnr^U))的相位不会变化，即使距离地面的位置 高度变化了，而相反的是，随着相对地面的双向传播，S llgrciund_rrf ( t )的相位会发生变化，随 着垂直对天线进行扫描将sn(t)平均，保留不变的部分并将其从sn(t)提取 出，也就是说，在时间轴上以固定的延迟时间出现不变的Sllintrinsijt)。
[0031] 通过公式（2)将从时域的sn(t)中减去可以得到直接反射波 Sllground_ref ( t)，公式(2 )如下所7]^ :
[0032] Sllgroundref ( t)-Sll (t ) -S11 intrinsic ( t) (2);
[0033] 所估计的Sllground_ref ( t)如图3所示。
[0034] 使用短时傅立叶变换以及汉宁时间窗的方法计算s llgr_d_ref (t)的时间-频率响 应，从而确定每个频率的天线距离D = z( ?)，其中，汉宁窗时域宽度为20ns，傅立叶变换的 次数为8196;使用公式(3)由估计的天线距离估计天线因子，其中公式(3)如下所示：
[0035] af2( w,z)=rio, [Zo?A0?D(co) * Sllgroundref ( ^ ,z)] ( 3 )
[0036] 其中，n〇=12〇3T Q为自由空间特征阻抗，Zo = 50 Q为同轴线缆的特征阻抗，并且入0 为相应的自由空间波长，D( co )为待测对象幅射点到地面的双向距离，在对数周期偶极数组 天线为测量对象的情况下，该双向距离的公式如公式(4)所示：
[0037] D(co)=z+2X di-f-A (4)
[0038]其中，z为从待测对象的顶部到地面的双向距离，cU-f为天线顶部到对数周期偶极 数组天线辐射点的距离；
[0039]将天线的幅值中心位置应用于公式(4)获得远场天线因子估计值的计算公式(5):
[0041 ] 其中，affar( 〇 )为远场天线因子。
[0042]附图4表示使用本发明所述方法所估计的天线因子和相应的其他方法估计的远场 天线因子之间的差值。三种测量情况分别是固定长度，短时傅立叶变换，以及短时傅立叶变 换-单元长度。结果发现，采用本发明的方法，天线距离为5米的地方，在频率范围从300兆赫 兹到1000兆赫兹的范围内频率差异低于0.3dB。
【主权项】
1.使用时频分析测量的单通道天线远场天线因子估计方法，该方法用于标定对数周期 偶极数组天线，其特征在于包括如下步骤： (1) 在消声室内的地面上设置所有的测量对象，将对数周期偶极距天线阵列作为被测 对象，天线垂直于地面并位于地面之上的间距为1米到5米之间的范围； (2) 通过矢量网络分析仪测量频域的反射系数sn( co )，并且将其转换为相应的时域反 射系数sii(t); (3) 通过公式（1)计算sn(t)，其中公式使用傅立叶逆变换F<( co)以及汉宁频域窗W (? )，其中公式(1)为： sn(t) =F_1(W( w )sn( w )) (1) 其中 Sll(t)包括 Sllint rinsic(t)，Sllground_ref(t)以及其他非期望的波形，其中 Sllint rinsic (t)为天线内部结构的固有反射，Sllg_nd_rrf(t)为地面的垂直入射反射反射波，其他非期望 反射波形具有非期望的环境反射波，如天线罩等； (4) 拾取垂直地面入射的反射波从而估计自由空间天线因子，采用将sn(t)平均的方式 估计SmntnnsUt);(因为slllnt rlnslc(t))的相位不会变化，即使距离地面的位置高度变化 了，而相反的是，随着相对地面的双向传播，S llgrciund_rrf(t)的相位会发生变化），随着垂直对 天线进行扫描将sn(t)平均，保留不变的部分 Sllint rinslc；(t)，并将其从sn(t)提取出；（也就 是说，在时间轴上以固定的延迟时间出现不变的Sllint rinsic^t)); (5) 通过公式（2)将Slllnt rlnslc；(t)从时域的S11(t)中减去可以得到直接反射波 Sllgroimd_ref(t)，公式(2)如下： Sllgroundref (t ) - Sll ( t) -Sllint rinsic(t) ( 2 ); (6) 使用短时傅立叶变换以及汉宁时间窗的方法计算Sllgr_d_ref (t)的时间-频率响应， 从而确定每个频率的天线距离D = z( ?)，其中，汉宁窗时域宽度为20ns，傅立叶变换的次数 为8196; (7) 使用公式(3)由估计的天线距离估计天线因子： af2( 〇 ,z) =n〇 ? [Zo ? A〇 ? D( 〇 ) * Sllground ref( ^ , Z ) ] (3) 其中，％ = 12031 Q为自由空间特征阻抗，Zo = 50 Q为同轴线缆的特征阻抗，并且为相 应的自由空间波长，D( co )为待测对象幅射点到地面的双向距离，在对数周期偶极数组天线 为测量对象的情况下，该双向距离的公式如公式(4)所示： D(co) = z+2X di-f-A (4) 其中，Z为从待测对象的顶部到地面的双向距离，cU-f为天线顶部到对数周期偶极数组 天线辐射点的距离； (8) 将天线的幅值中心位置应用于公式(4)获得远场天线因子估计值的公式(5):其中，affar( ? )为远场天线因子。
【文档编号】G01R29/10GK106053968SQ201610388610
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】张丛
【申请人】深圳市樊溪电子有限公司