专利名称：基于移动参考点的天线相位中心测量方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，特别是一种涉及天线相位中心的测量方法， 可用于对天线相位中心进行精确测量。
技术背景随着通信、雷达、人造卫星和宇航技术的发展，对天线的跟踪、定位精 确度要求越来越高，单靠幅度波束来搜索定位己不能满足要求，必须以天线 的相位中心为基准进行精确定位或测量。而天线的相位中心问题在其相位测 量应用、形成波束侦收应用、作为干涉仪阵列单元和作为抛物面天线的馈源 使用等诸多方面都很重要。所谓天线相位中心，就是天线的等效辐射中心。 对绝大多数天线来说可能没有这样一个确定的相位中心，但是许多天线可以 找到这样一个参考点，使得在主瓣某一范围内辐射场的相位保持相对恒定，则这个参考点就被称为"视在相位中心"。在GPS及雷达定位、测量、导航时， 常以视在相位中心为基准，但作业时，天线的安装却是以几何中心为基准， 这样就会产生几何中心和视在相位中心的误差，而这种误差必然会给实际应 用带来不良影响，因此必须对天线相位中心进行精确标定。目前，关于如何方便、精确标定天线相位中心主要有以下几种研究1.美国学者Schupler等人1994年在Journal of The Institute of Navigation 杂志发表《Signal characteristics of GPS user ante皿as》的论文，首次 提出在微波暗室内迸行天线相位中心标定的方法。但是该标定方法需要不断 手动调整天线位置直到相位中心方向图比较对称为止，不但费时费力，而且 不易操作，校准误差大。2. 西安电子科技大学毛乃宏教授等人著的《天线测量手册》和成都电子科 技大学林昌碌教授著的《天线测量技术》书籍上介绍的相位中心测试方法。 这些方法同样需要通过人为的不断观察来调整天线位置，校准误差大。3. 2002年美国学者A. Prata在IPN Progress R印ort发表((Misaligned antenna phase—center determination using measured phase patterns》的论文提出另一种天线相位中心的标定方法，该方法建立了相位方向图测量 与相位中心偏差的函数关系式，利用求解方程组来求解相位中心偏差。但该 方法有一定局限性，只适合于存在确定相位中心的天线校准。 发明内容本发明的目的在于解决现有标定天线相位中心的方法需要不断手动调整 天线位置、人为观察判断，费时费力、不易操作和校准误差大的问题，提出 了一种基于移动参考点的天线相位中心测量方法，以实现对天线的精确标定。本发明的目的是这样实现的1.天线相位中心测量机理对任意天线，其远区辐射场的某个分量在球坐标系可写如下形式一 i 2;r式1)中，《W,"为幅度方向图，函数pp，"为相位方向图函数，^ = 7。天线在进行相位中心测量时或在使用时，它的相位中心偏离了几何中心，如图1所示，即天线的参考点从o移动到o'，根据远场近似，得到以O'为参考点的远场表达式令A^0X^"-，天线的相心与转动中心的偏差用小矢量F'表示为<formula>formula see original document page 5</formula>而单位矢f可表示为r = sin夕cos 0;+sin (9 sin妙+ cos 4)此5)式为以。'为参考点的相位方向图函数，而p(《^)为参考中心与旋转向图函数，相位中心测定就是通过改变Ax， A少，Az即移 动参考点o'，使"A"-"A"的变化率最小，从而寻找相位中心。该5)式表明测量的相位^e,"只对该测量面内的相位中心偏移比较敏感， 也就是说当- = 0°，测量的相位"《0。)只受Ax， Az变化的影响，而—90°的测 量面的相位-p,90。)只受A;;， A2的影响，基于这个关系可用来测定Ax ， A少，Az 。 当被测天线是理想的球面波源时，则^(^,"=常数，而实际天线多数不是 理想的球面波源，而是有相散的。但可以认为在某一截面内，在主瓣某范围 内"《"=常数，来测量视在相心。现假设相位方向图测量定在^ = 0°和^ = 90°面进行，贝U 5)式简化为 ) = ^((9)-A:(A/sin"Azcosi9) 6) 式中，"代表Ax或Ay，当0-O。代表Ax，当^ = 90°代表4>;。由6)式可得到某截面A,、 Az与相位偏差的关系，即某方向上的远场相位与最大辐射方向上远场相位之差= /t(A"in"Azcosi9) 7)对该7)式应用最小二乘法，可求出相位中心偏差A/、 Az，在0 = 0°和0 = 90° 时可分别测得Az值，而且它们可能不相同，实践表明选择Az = ^(Q°) (9Q°)可 获得较高的精度。本发明基于上述测量机理，提出测量天线相位中心的测量方法，包括如下过程(1).在测量系统上安装被测天线及源天线，调整被测天线和源天线对准， 作为测量角的零点；(2) 运行计算机子系统的控制及数据处理软件，控制二维平动装置的横向 和纵向复位，保证方位旋转轴和接收极化器旋转轴垂直正交，并将该垂直正交 点作为相位中心测试的基准参考点；(3) 输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制 及数据处理软件自动控制各运动轴运动，并控制接收发射子系统完成对被测天线某一截面的幅度、相位数据采集；(4)根据所采集的幅度、相位数据，应用最小二乘法，通过天线相位偏差 公式(D(0卜v/("-A(A"ine + Azc。s0)，求出该被测截面的相位中心横向偏差A 和纵 向偏差Az，其中，O("为某方向上的远场相位与最大辐射方向上远场相位之差；"。为参考中心与旋转中心重合时的远场相位与最大辐射方向上位置偏差引 起的远场相位误差之差，A为自由空间的波数，"2^;(5)由求出的横向偏差A 和纵向偏差Az，判断该偏差是否满足天线设计相 位中心的偏差要求，若不符合偏差要求，由控制及数据处理软件根据偏差值 自动调整二维平动装置的横向、纵向坐标，以改变天线的参考点；(6) 重复步骤(3) ~ (5)，直到横向偏差A,和纵向偏差Az符合偏差设计要 求为止，此时改变后的参考点为被测天线该测试截面的相位中心；(7) 通过控制及数据处理软件改变接收极化器和发射机极化器的角度以改 变被测天线和源天线的截面，重复步骤(3) (6)，完成对被测天线其它截 面的相位中心测试。上述的测量方法，其中步骤(5)所述的判断横向偏差Af和纵向偏差Az， 若第一次测量符合天线设计相位中心的偏差要求，则将步骤(2)确定的基准 参考点作为被测天线该测试截面的相位中心。上述的测量方法，其中步骤(3)所述的对被测天线某一截面的幅度、相 位数据釆集，按如下过程进行；首先，输入频率、测量的角度范围、测量的步进角的参数信息； 其次，由控制计算机按预定被测天线某截面相位中心测试的运动轨迹控 制各运动轴运动，根据测量的步进角向矢量网络分析仪发触发信号，控制矢 量网络分析仪完成被测天线某一截面的幅度、相位数据采集；然后，将该采集数据以文本方式存成数据文件，以便后续数据处理调用。 上述的测量方法，其中步骤(5)所述的控制及数据处理软件根据偏差值自 动调整二维平动装置的横向、纵向坐标，以改变天线的参考点，按如下过程 进行；(5a)若横向偏差A/大于天线设计相位中心的偏差要求，由控制及数据处理 软件给伺服驱动数显子系统发位置移动指令，伺服驱动器控制伺服电机驱动横向传动机构，使二维平动装置的横向移动偏差A/;(5b)若纵向偏差Az大于天线设计相位中心的偏差要求，由控制及数据处 理软件给伺驱动数显子系统发位置移动指令，伺服驱动器控制伺服电机驱动 第二传动机构，使二维平动装置的纵向移动偏差Az;(5c)将横向移动偏差Ar和纵向移动偏差Az所在的位置作为新的参考点。 本发明由于采用通过计算机自动控制调整被测天线的参考点，重新测试 并计算相位中心偏差的技术方案，克服了手动调整天线位置和人为观察判断， 其测量结果准确性差的问题；测试结果和误差分析表明天线安装偏差所引 入的模型近似误差是主要误差源，本发明的测试方法通过2-3次对参考点的 改动，就可减少此项误差，得到较高相位中心测试精度，其实测结果优于lmm。 该方法不仅可以精确测量天线相位中心位置偏差，而且测量过程程序化、自 动化，不需要手动操作、人为判断。本发明的特征和效果可通过以下附图和实例进一步说明。
图1是被测天线移动参考点示意图；图2是本发明测试系统框图；图3是本发明的测试过程框图；图4是本发明实验测试一次的天线相位中心结果图； 图5是本发明实验测试二次的天线相位中心结果图； 图6是本发明实验测试三次的天线相位中心结果图。
具体实施方式
参照图2，本发明的测试系统主要包括天线接收转台子系统、发射极化器 子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统五个部分。 其中，所述的天线接收转台子系统，它是测量系统的关键部件之一，其作用 是安装待测天线，精确改变天线在空间的机械指向，调整天线与转轴的相对 位置，以便准确的确定天线的相位中心。该天线接收转台子系统主要由方位 转台、二维平动装置和天线极化器组成，该二维平动装置位于方位转台上， 通过支架与天线极化器连接，用于自动调节天线与方位转台转轴的位置，使 被测天线的相位中心与转台的旋转轴轴心接近，且保证在方位转台转动时方位转台转轴与天线极化器转轴之间的位置相对稳定。该方位转台、天线极化 器和二维平动装置均由计算机自动控制。所述的发射极化器子系统，包括发 射器和发射支架，用于架设发射天线，通过计算机程控来改变发射天线极化， 通过手动调整发射天线的高度。所述的发射接收子系统，由矢量网络分析仪 组成，用于产生高频测试信号，并对待测天线接收的场强的幅度和相位信息 进行显示与读取。所述的伺服驱动数显子系统，包括位置控制器和位置显示 器，用于各位置控制轴的驱动及各运动轴的位置实时显示。所述的计算机子 系统，是测量系统的指挥中心，各运动轴在计算机子系统的统一指挥下，按 照预定轨迹进行运动，同时控制矢量网络分析仪进行采样。该计算机子系统 包括控制计算机、数显控制卡、GPIB卡、多轴可编程控制卡和控制及数据 处理软件，所述的这些控制卡插在控制计算机的接口插槽里。控制计算机通 过数显控制卡在位置显示器上实时显示各运动轴的位置信息；控制计算机通 过GPIB卡控制发射接收子系统并完成幅度、相位数据采集；控制计算机通过 多轴可编程控制卡向伺驱动数显子系统发位置移动指令，实现各运动轴的位 置控制。控制及数据处理软件完成测试方式下对被测天线及参考天线各轴的 驱动控制，通过GPIB卡对发射接收子系统的设定和控制及在测试状态下对幅 度、相位信息的采集和存储，以及对测量所获得的辐射特性进行分析处理， 并进行结果显示或打印、绘图输出。以上五个子系统的连接关系为天线接收转台子系统分别与发射接收子系统 和伺服驱动数显子系统连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱 动数显子系统连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统 连接，其中二维平动装置与位置控制器双向连接，发射极化器与位置控制器双向 连接，发射极化器与网络分析仪单向连接。 参照图3，本发明测试相位中心的过程如下 步骤l，.确定测量角的零点。在测量系统上安装被测天线及源天线，调整被测天线和源天线使其对准， 并将该对准点作为测量角的零点。步骤2，确定测试相位中心的基准参考点。运行计算机子系统的控制及数据处理软件，使二维平动装置的横向、纵向分别复位，以保证方位旋转轴和接收极化器旋转轴垂直正交，并将该垂直正交 点作为相位中心测试的基准参考点。步骤3，采集被测天线一个截面的幅度、相位数据。 首先，输入频率、测量的角度范围、测量的步进角的参数信息； 其次，由控制计算机按预定被测天线某截面相位中心测试的运动轨迹控 制各运动轴运动，根据测量的步进角向矢量网络分析仪发触发信号，控制矢 量网络分析仪完成被测天线某一截面的幅度、相位数据采集；然后，将该采集数据以文本方式存成数据文件，以便后续数据处理调用。 步骤4，求出被测截面的相位中心横向偏差A,和纵向偏差Az。 由控制及数据处理软件根据所采集的幅度、相位数据，应用最小二乘法， 通过天线相位偏差公式0(^hv/(^H(A,sh^ + Azc。s力，求出该被测截面的相位中 心横向偏差"和纵向偏差&，并将该偏差值显示在程序界面上；其中，①("为 某方向上的远场相位与最大辐射方向上远场相位之差；"。为参考中心与旋转 中心重合时的远场相位与最大辐射方向上位置偏差引起的远场相位误差之 差，A为自由空间的波数，"2^。步骤5，判断求出的相位中心偏差是否满足天线设计相位中心的偏差要求。 根据天线设计的相位中心偏差要求，对所求出的横向偏差"和纵向偏差Az 进行判断，若横向偏差&大于天线设计相位中心的偏差要求，通过控制及数 据处理软件给伺服驱动数显子系统发位置移动指令，由驱动器控制伺服电机 驱动横向传动机构，使二维平动装置的横向移动偏差A/;若纵向偏差Az大于 天线设计相位中心的偏差要求，通过控制及数据处理软件给伺驱动数显子系 统发位置移动指令，由伺服驱动器控制伺服电机驱动纵向传动机构，使二维 平动装置的纵向移动偏差Az，以改变天线的参考点；重复步骤(3) 步骤(5)， 直到横向偏差"和纵向偏差Az符合偏差设计要求为止。 步骤6，确定测试截面的相位中心。将传动机构最终累计的横向移动和纵向移动所在的位置作为最终的参考 点，该最终的参考点为被测天线该测试截面的相位中心。 步骤7，完成对被测天线其它截面的相位中心测试。当被测天线一个截面的相位中心测试完后，如果需要测试其他截面的相位中心，则先通过控制及数据处理软件改变接收极化器和发射机极化器的角度， 以改变被测天线和源天线的截面，再重复步骤(3) ~ (6)，完成对被测天线 其它截面的相位中心测试。需要说明的是,如果步骤5中第一次判断横向偏差zy和纵向偏差Az符合天 线设计相位中心的偏差要求，则将步骤2确定的基准参考点作为被测天线该测试截面的相位中心。本发明的效果可通过实测结果进一步说明。按照本发明的测试过程对被测天线一个截面的相位中心进行实际测试，测 试结果为.-第一次测量出幅度、相位方向图如图4a，根据幅度、相位数据，计算角 域范围[-60° ， 60° ]内相位中心偏移量为A^-6.656ww， Az = 99.635otw，如图 4b。按上述= -6.656附w ， Az = 99.635附m的偏移量自动控制二维平动装置移动 后，第二次测量出幅度、相位方向图如图5a，计算角域范围[-60° ， 60° ] 内相位中心偏移量为Ak-7.724mw， Az = -0.558mm，如图5b。按= -7.724ww ， Az = -0.558ww的偏移量自动控制二维平动装置移动后， 第三次测量出幅度、相位方向图如图6a，计算角域范围[-60。 ， 60° ]内相位 中心偏移量为A"0.059ww ， Az = -0.455mw，该偏差小于±1 附，符合天线设计 相位中心的偏差要求，如图6b，从图6b可以看出相位方向图近似为一等相面。将上述移动三次偏移量进行累计后的位置作为最终的参考点，该最终的参 考点就是被测天线该测试截面的相位中心。从测量图形、计算结果可以看出经过最多三次测量可获得较好的结果。
权利要求
1.一种基于移动参考点的天线相位中心的测量方法，包括如下过程(1)在测量系统上安装被测天线及源天线，调整被测天线和源天线对准，作为测量角的零点；(2)运行计算机子系统的控制及数据处理软件，控制二维平动装置的横向和纵向复位，保证方位旋转轴和接收极化器旋转轴垂直正交，并将该垂直正交点作为相位中心测试的基准参考点；(3)输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制及数据处理软件自动控制各运动轴运动，并控制接收发射子系统完成对被测天线某一截面的幅度、相位数据采集；(4)根据所采集的幅度、相位数据，应用最小二乘法，通过天线相位偏差公式Φ(θ)＝ψ(θ)-k(Δtsinθ+Δzcosθ)，求出该被测截面的相位中心横向偏差Δt和纵向偏差Δz，其中，Φ(θ)为某方向上的远场相位与最大辐射方向上远场相位之差；ψ(θ)为参考中心与旋转中心重合时的远场相位与最大辐射方向上位置偏差引起的远场相位误差之差，k为自由空间的波数，k＝2π/λ；(5)由求出的横向偏差Δt和纵向偏差Δz，判断该偏差是否满足天线设计相位中心的偏差要求，若不符合偏差要求，由控制及数据处理软件根据偏差值自动调整二维平动系统的横向、纵向坐标，以改变被测天线的参考点；(6)重复步骤(3)～(5)，直到横向偏差Δt和纵向偏差Δz符合偏差设计要求为止，此时改变后的参考点为被测天线该测试截面的相位中心；(7)通过控制及数据处理软件改变接收极化器和发射机极化器的角度以改变被测天线和源天线的截面，重复步骤(3)～(6)，完成对被测天线其它截面的相位中心测试。
2. 根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤(5)所述的判断横向偏 差&和纵向偏差Az，若第一次测试符合天线设计相位中心的偏差要求时，则 将步骤(2)确定的基准参考点作为被测天线该测试截面的相位中心。
3. 根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤(3)所述的对被测天线某 一截面的幅度、相位数据采集，按如下过程进行；首先，输入频率、测量的角度范围、测量的步进角的参数信息；其次，由控制计算机按预定被测天线某截面相位中心测试的运动轨迹控 制各运动轴运动，根据测量的步进角向矢量网络分析仪发触发信号，控制矢量网络分析仪完成被测天线某一截面的幅度、相位数据采集；然后，将该采集数据以文本方式存成数据文件，以便后续数据处理调用。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤(5)所述的控制及数据处理软件根据偏差值自动调整二维平动系统的横向、纵向坐标，以改变天线的参考点，按如下过程进行；(5a)若横向偏差"大于天线设计相位中心的偏差要求，由控制及数据处 理软件给伺服驱动数显子系统发位置移动指令，伺服驱动器控制伺服电机驱动横向传动机构，使二维平动系统的横向移动偏差&;(5b)若纵向偏差Az大于天线设计相位中心的偏差要求，由控制及数据处 理软件给伺驱动数显子系统发位置移动指令，伺服驱动器控制伺服电机驱动 第二传动机构，使二维平动系统的纵向移动偏差Az;(5C)将横向移动偏差A,和纵向移动偏差Az所在的位置作为新的参考点。
全文摘要
本发明公开了一种基于移动参考点的天线相位中心测量方法，主要解决手动操作、人为判断的测量问题，其过程是在测量系统上调整被测天线和源天线对准，作为测量角的零点；控制二维平动装置的横向和纵向复位，作为相位中心测试的基准参考点；输入相关参数信息，自动控制各运动轴，完成对被测天线的幅度、相位数据采集；应用最小二乘法，求出该相位中心横向偏差和纵向偏差；判断其是否符合天线设计相位中心的偏差要求，若不符合，根据偏差值自动调整二维平动系统的横向、纵向坐标，改变天线的参考点；重复进行测试直到横向偏差和纵向偏差符合设计要求为止，并将最终改变后的参考点作为被测天线的相位中心。本发明可实现对天线相位中心的自动精确测量。
文档编号G01R29/10GK101320062SQ200810150400
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月21日 优先权日2008年7月21日
发明者付德民, 尚军平 申请人:西安电子科技大学