专利名称：波导中的天线的特性确定的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1所述的用于确定天线的至少一种特性的方法和根据权利要求16所述的用于相同目的的优选测量装置。
背景技术：
天线的特性被理解为是指天线的例如个体参数、参数的时间曲线、或者诸如辐射图等的方向-频率相关特性等的任一种特性。已知的方法通常在频域内确定天线的这些特性数据。因而，利用频率发生器生成测试信号，以在待测的特定频率范围内进行所谓的频率扫描。因而，各频率在较短的时间段内保持恒定，直到该天线达到稳态条件为止。然后，对天线执行测量，以确定特性数据。已知有例如基准天线法的方法，其需要诸如开口波导探测器或喇叭天线等的绝对定义辐射天线作为基准。这种方法的缺点在于由于通常需要提供并连续测量多个基准天线，而这些基准天线表现出受限且相对较窄的有效带宽，因而测量相对耗时和/或成本高。另外，为了提供高纯度的极化，需要被精确制造且具有绝对特性的基准天线，因此成本相对高昂。因此，在很多情况下，这种支出是不合理的。另外，还已知有双天线法，其中，必须在无反射空间中以规定距离彼此相对地配置设计完全相同的两个天线。该方法存在个别情况下难以获得设计完全相同的两个天线的问题。另外，还已知有三天线法，其尽管能够得到良好的结果，但相对耗时、费力。
发明内容
因此，本发明是基于如下问题而作出的，即提供一种更合理的用于确定天线的至少一种特性的方法以及用于同样目的的测量装置。该问题通过权利要求1和16所述的发明得以解决。从属权利要求描述了本发明优选的进一步发展。本发明可具有实现方式简单的优势。在可应用于诸如波导等的广泛使用的测量装置方面也具有优势。本质上，只要能够提供足够的天线布置用空间并且至少有时在天线位置处提供TEM场，各种波导均可被认为适合应用本发明。TEM场是用来描述横向电磁场的术语，在该横向电磁场中，电场的场矢量与磁场的场矢量互相垂直并且这两个场矢量均垂直于传播方向。因此，对于能够有利地用于进行本发明的方法的波导，可以考虑各种配置，例如包括上金属板和下金属板的平行板线，上金属板和下金属板包围能够放置待测天线的特定空间。为了进行本发明的方法，由波导所包围的空间不必是封闭空间；侧面部分地开口的空间也是可行的，在这种情况下，与诸如恒定宽度的同轴波导或纵向加宽的同轴波导等的封闭波导相比，所提供的对外部干扰的遮蔽相对较少。TEM波导特别适合应用本发明，这是因为其有助于在天线位置处传播TEM场，这对于本发明的方法是有利的。特别地，使用TEM室也是有利的，TEM室是诸如广泛用于例如EMC测量(EMC =电磁兼容性)领域的室。例如，可以使用Crawford室作为TEM室。使用GTEM室(GTEM=千兆赫兹横向电磁模式)同样可以是特别有利的，这是因为其具有扩展的可用频率范围。这是一种加宽同轴波导形式的密闭金属遮蔽测量装置。GTEM室还以各种结构尺寸广泛地用于例如EMC测量，因此可容易地将其应用于本发明的应用中。利用本发明，TEM室、尤其是GTEM室的应用范围扩展到包括可以确定天线的特性。本发明提出一种与在背景技术中所描述的已知方式相比完全不同的方法。根据本发明，将电激励信号馈送到波导的馈送连接器中。例如利用示波器或诸如频谱分析仪或网络分析仪(NWA)等的信号分析仪来记录作为激励信号的结果而由天线所发射的电响应信号。所述激励信号本质上可以是任意类型，例如单个激励脉冲、多个激励脉冲或与上述频率扫描中一样的频率序列。根据本发明，使用响应信号的至少一部分和激励信号的相应部分来确定天线的至少一种特性。由于该目的，使用响应信号的特定部分、即在时域内所估计出的满足以下条件的时间段i)在天线位置处仅存在由激励信号所引起并从馈送连接器向着天线传播的电磁场的一种或几种波(在下文中还称之为传播波)；ii)在天线位置处的电磁场为TEM场。TEM场可以沿着平面的和/或球面弯曲的波阵面(phase front)进行传播。因此，推荐使用在时域内所估计出的满足上述条件i)和ii)的时间段，这可以通过例如使用诸如GTEM室等的适当波导以及例如通过实验确定响应信号的适当时间段来实现。通过上述条件i)，确保了分析用的响应信号部分不包含由诸如来自GTEM室后壁的反射等的反射波所引起的任意失真叠加。代替地，使用在天线位置处仅存在电磁场的传播波的时间段。这使得可以实现对天线特性的高精度测量和再现。此外，根据上述条件ii)，使用在天线位置处的电磁场为TEM场的时间段。通过定义该时间段，可以从测量结果中消除由TEM特性引起的场的间歇性偏差所导致的测量失真，从而避免了测量结果的失真。场具有TEM特性这一情况的优点在于该测量建立了与待测天线通常位于基准天线的远场的传统基准天线测量的场条件相对应的等同场条件。在待测天线位置处，基准天线远场是一种略微球面弯曲的TEM场，因而大致等同于自由空间测量中的实际平面条件。由于插片(s印turn)的抬角，GTEM室内的TEM场的波阵面也略微球面弯曲。使用GTEM室的优点在于简化了对测量结果的分析，这归结于其特殊的性质。GTEM室具有作为脉冲响应的第一分量的狄拉克函数(参见IEEE出版物“Pulse Propagation inGigahertz Transverse Electromagnetic Cells，，, Thye,Armbrecht,Koch)。因此，GTEM 室没有因其自身的特性而使天线的响应信号产生失真。特别地，无需考虑GTEM特性与响应信号的卷积的影响。因而，响应信号变换为天线位置处的信号是在无失真(无分散)的情况下进行的。在天线测量中使用GTEM室已经在过去得到了考虑和研究。尽管如此，在利用GTEM室所获得的测量结果与在自由空间中所获得的测量结果之间并没有建立足够精确的相关性。其原因一方面在于当待测天线用作发射天线时，其产生激励并且由于GTEM室内的场模式较高而导致寄生谐振，该寄生谐振在GTEM室的同轴连接器处转换成不确定的电压。另一方面，当待测天线用于接收时，又由于位于GTEM室后壁的室连接器的非理想吸收属性所引起的多模谐振现象，在待测天线位置处同样不可能提供在待测频率范围的绝大部分内保持恒定的场强。因而，最多仅可以获得对简单参数的粗略估计。利用本发明，现在可将GTEM室用于更精确的天线特性的确定。本质上，电激励信号与响应信号一样是时变信号。根据本发明优选的进一步改进，频域信号可用作激励信号。频域信号是这样一种信号，在该信号中，由频率发生器生成测试信号，以使得在待测的特定频率范围内进行所谓的频率扫描，即相继设置离散的频率，由此各频率在短暂的时间段内保持恒定，直到天线达到稳态条件为止。优选地，在激励信号的两个频率值的设置之间设置短暂的暂停，其中，对该暂停的长度进行设置，以使得波导内的电磁波可以衰减到不对下一次测量产生影响。然后，设置下
一频率。当频域信号用作激励信号时，将天线在施加激励信号期间的完整电压响应作为响应信号进行记录。例如通过逆傅立叶变换将当前所获得的包含多个馈送频率的响应信号从频域变换为时域。使用如下时间段来进一步确定时域内当前所存在的响应信息的特性，其中，在该时间段内，在天线位置处仅存在电磁场的传播波并且这些波作为TEM场而存在。例如，由于该目的，使用时域内位于时间轴的开始处的一部分响应信息，由此以实验方法来确定满足上述条件的持续时间。例如，可以基于天线相对于波导的反射性后壁的距离、电磁场的传播速度以及从在反射波到达之前的响应信息中所切出的分析用时间段，来估计反射波的预期时刻。根据本发明优选的进一步改进，推荐将电激励脉冲、尤其是具有高频带宽的激励脉冲作为激励信号而馈送，并且将天线的响应信号作为时间曲线而进行记录。这允许在时域内直接确定出天线的特性，即时域内已存在分析响应信号所需的信息，从而无需进行时域内的变换。这意味着本发明的方法的实施特别简单。使用具有高频带宽的激励脉冲的优点在于当使用单个脉冲(也可能是多个脉冲)时，可以在较宽的频率范围、例如在天线的整个期望的接收范围内检测天线。通过使用激励脉冲，将多个频率、即包含在激励脉冲的频谱内的频率同时发射至天线。与已知的需要多个基准天线的天线特性确定方法相比，利用本发明的方法确定单个天线的特性要快得多。有利地，通过多次发射脉冲波形相同的脉冲，能够增加可达到的测量动态范围，例如通过对多次测量的结果进行平均化来消除噪声的影响。根据本发明优选的进一步改进，高斯脉冲被作为激励脉冲而进行馈送。高斯脉冲是这样一种脉冲波形，在该脉冲波形中，振幅-时间曲线对应于或者至少类似于高斯正态分布曲线。高斯脉冲的优点在于使具有高频带宽的激励成为可能。根据本发明优选的进一步改进，激励脉冲的上升沿相对陡峭。在激励脉冲的上升沿处，在小于Ins(纳秒)的时间内通过了激励脉冲的振幅的80%。上升沿陡峭使得能够实现激励脉冲的高频带宽。这样，甚至可以利用单个激励脉冲来测量整个频域具有至少500MHz带宽的超宽带天线(UWB天线)。这意味着本发明的方法特别省时。实际上，本发明的方法使得快速可靠的天线测量成为可能，并且可以使用已在使用的尤其是工业应用中的诸如GTEM室等的波导来经济地执行这些天线测量。例如，可以使用存储示波器来记录测量数据。另外，仅需要一个具有未知特性数据的待测天线的样例，即不再需要额外的精确校准的基准天线。特别地，在天线原型更加复杂的情况下，这避免了耗费过大成本安装多个样例。本发明的方法的进一步的优点包括由于以在时域内分析时间段的形式对响应信号的一部分进行分析，使测量精度固有地得到了提升。对波在GTEM室内的传播的研究已经显示，尽管存在高频吸收器，仍会发生来自室后壁的非可忽略不计的反射，从而引起反射波(参见 IEEE 出版物"Pul se Propagation in Gigahertz Transverse ElectromagneticCells”，Thye, Armbrecht, Koch)。对于在每个单独的测量频率都必须至少在较短的时间段内保持恒定的频域内测量，在天线处必然发生传播波和反射波之间的叠加，这会使测量结果失真。通过本发明所推荐的时域内分析，可以在反射波到达天线之前记录关于天线的测量数据。这样，即使将频域信号用作激励信号，也可以避免由反射所引起的不期望的干扰影响。根据本发明优选的进一步改进，在时域内记录响应信号。例如，可以使用存储示波器来执行所述记录。在时域内直接进行记录的优点在于使对信号的分析以及对天线特性的确定变得简单。例如，响应信号可以直接表征天线的特性。在这种情况下，响应信号是例如电压-时间等的二维曲线，而天线领域的技术人员可从该曲线中推导出待测天线的特性。进一步的优点在于由于仅需要将时间曲线形式的振幅值作为来自天线的响应信号进行发送并且无需参考相位，所推荐的时域内测量使得可以使用电光转换器来将响应信号从天线发送至测量装置。反过来，与传统的金属线缆相比，可以与光纤相结合地使用电光转换器的优点在于减小了天线附近的寄生场失真。根据本发明优选的进一步改进，使用频域信号作为激励信号。这样做的优点在于可以继续使用现有的用于天线测量的矢量网络分析仪。根据本发明优选的进一步改进，使用网络分析仪来实施本发明的方法，即使用网络分析仪来生成激励信号并记录和分析响应信号。例如，网络分析仪可以通过软件功能的扩展来进行具体设置以实施本发明的方法。根据本发明优选的进一步改进，在频域内以相位形式记录响应信号。这样，有利地，可直接记录天线的复数形式的响应变量的振幅和相位(矢量测量)。然后，频域内记录的响应信号可经由逆傅立叶变换变换至时域，并且用于进一步的分析。根据本发明优选的进一步改进，可以进一步分析响应信号以确定特性。例如，可以根据响应信号来确定天线的频域特性。由于该目的，可将在时域内分析的天线响应的时间段变换至频域。例如，可以以这种方式来确定天线的诸如增益、方向特性和/或效率等的特性。与已知的在频域内确定天线特性的方法相比，根据本发明，可以利用一次测量来确定极宽的频带内、即非常宽的频率范围内的这些特性，尤其是在天线已由于电激励脉冲而同时被高频带宽所激发的情况下。根据本发明优选的进一步改进，根据来自天线的响应信号来确定天线的发射特性。响应信号自身表示天线的接收特性的特点，这是因为响应信号关系到对由激励脉冲所触发的波的接收。然而，应用洛伦兹互易定理，还可以根据来自天线的响应信号、尤其是接收脉冲响应hrx(t, Cp1, θ)来推导出发射信号、尤其是发射脉冲响应htx(t, Cp1, Θ0。这使得无需进行复杂的附加测量就可确定天线的发射性能。可以如下根据接收脉冲响应来确定发射脉冲响应
权利要求
1.一种用于确定天线(8)的至少一种特性的方法，包括以下步骤a)将要确定至少一种特性的天线(8)放置在由波导(1)所包围的空间内；b)将电激励信号(utx(t))馈送至所述波导⑴的馈送连接器⑷；c)获取作为所述激励信号(utx(t))的结果而由所述天线(8)所发射的电响应信号(urx ⑴)；d)根据所述响应信号(UM(t))的至少一部分和所述激励信号(Utx (t))的相应部分来确定所述天线的至少一种特性，其中，所述响应信号(Un(t))的该部分是时域内所估计出的满足以下条件的时间段i)在所述天线(8)的位置处仅存在由所述激励信号(Ufa￡(t))所引起并从所述馈送连接器向着所述天线(8)传播的电磁场的一种或几种波；以及ii)在所述天线(8)的位置处的电磁场为TEM场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用激励脉冲作为所述激励信号(utx(t))，优选使用例如高斯脉冲的具有高频带宽的激励脉冲作为所述激励信号(utx(t))。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在时域内记录所述响应信号(un(t))。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用频域信号作为所述激励信号(utx (t))。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在频域内以相位形式记录所述响应信号(urx (t))。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述响应信号(uM(t))来确定所述天线(8)的频域特性，优选确定所述天线(8)的增益、方向特性和/或效率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述响应信号(uM(t))来确定所述天线(8)的发射特性。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述激励信号(utx(t))的频带宽等于或大于待测的所述天线(8)的频带宽。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述天线(8)的待测特性是能够确定的、与所述响应信号(uM(t))和所述激励信号(utx(t))的反卷积成比例的特性(hrx (t))。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述波导是TEM波导，优选为TEM室或GTEM室。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述天线(8)是超宽带天线，优选为具有至少500MHz频带宽的天线。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述天线(8)以能够在至少一个空间维度内移动或围绕至少一个转动轴转动的方式配置在所述波导(1)内，并且在第一天线位置处确定所述天线(8)的特性的第一值，以及至少在第二天线位置处确定所述天线(8)的该特性的第二值。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，根据确定期望的特性所需的所述响应信号(t))的持续时间和/或所述天线⑶的尺寸来选择所述波导⑴的尺度和/或所述天线(8)沿所述波导(1)的纵向在所述波导内的位置。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，将所述天线(8)配置在所述波导(1)内的如下位置处，在该位置处，笛卡尔双分量TEM场的相互正交的电场强度分量和磁场强度分量之间的比值尽可能地接近自由空间固有阻抗，其中，所述电场强度分量和磁场强度分量均与所述波导中的电磁场的主传播方向正交。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量确定所述波导(1)的特性数据，并且根据利用所述波导的特性数据进行了数学校正的所述响应信号(urx (t))来确定所述天线的特性。
16.一种用于确定天线的至少一种特性的测量装置，其中，所述测量装置被配置为进行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及确定天线(8)的至少一种特性的方法，包括a)将要确定至少一种特性的天线(8)放置在由波导(1)所包围的空间内；b)将电激励信号(utx(t))馈送至波导(1)的馈送连接器(4)；c)获取根据激励信号(utx(t))而由天线(8)所发射的电响应信号(urx(t))；d)根据响应信号(urx(t))的至少一部分和激励信号(utx(t))的相应部分来确定天线的至少一种特性，其中，响应信号(urx(t))的该部分是时域内所估计出的满足以下条件的时间段i)在天线位置处仅存在由激励信号(utx(t))所引起并从馈送连接器(4)向着天线(8)传播的电磁场的一种或几种波；ii)在天线(8)的位置处的电磁场为TEM场。这使得能够节省时间又节约成本地确定天线的至少一种特性。本发明还涉及执行上述方法的测量装置。
文档编号G01R29/08GK102576044SQ201080046371
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月10日 优先权日2009年8月14日
发明者G·阿姆布雷希特, H·赛伊, S·多特蒙得, S·斯凯伊斯洛 申请人:罗森伯格高频技术有限及两合公司