一种天线的极化参数测量装置及方法与流程

本申请涉及一种天线的远场(farfield)测试技术，特别是涉及一种用于测量天线或天线阵列作为发射天线使用时的极化特性的装置及方法。

背景技术：

天线的极化特性常见的有线极化(linearpolarization)和圆极化(circularpolarization)。其中，线极化根据极化的方向又分为垂直极化(verticalpolarization)、水平极化(horizontalpolarization)、斜极化(slantpolarization)；圆极化根据旋向的不一样又有左旋圆极化(left-handcircularpolarization)、右旋圆极化(right-handcircularpolarization)。

工程实现的线极化天线很难实现绝对的垂直极化、水平极化。例如，垂直极化天线一定会存在一些水平极化分量而导致合成的极化形式呈现为一定程度的斜极化，甚至椭圆极化(ellipticalpolarization)。工程实现的圆极化天线也很难实现标准的左旋圆极化、右旋圆极化，其一定是一个椭圆极化，并且椭圆的长轴的方向有可能呈垂直、水平、或倾斜状态。

工程实现的天线通常作为接收和发射两种用途。远场测试系统测试时，通常将待测天线作为接收天线进行测量。由于天线原理中的互易原理，可以将发射天线作为接收天线测试，并将测试得到的天线参数如增益、方向图、极化特性等作为发射天线的指标测试结果。

当前采用远场测试方法对线极化天线的极化参数进行测量时，通常测量极化纯度(polarizationpurity)，也称极化隔离度(polarizationisolation)。采用极化纯度较高的线极化天线作为信标天线(beaconantenna)，先将信标天线设置为与待测天线一致的极化方式发射，将待测天线作为接收天线进行测试。再将信标天线或待测天线旋转90度，使待测天线与信标天线呈正交极化，仍将待测天线作为接收天线进行测试。最终评估待测天线对于要求的线极化的特性。

当前采用远场测试方法对圆极化天线的极化参数进行测量时，通常采用极化纯度较高的线极化天线作为信标天线。第一种方法是通过将信标天线安装在可连续旋转的转台上，使信标天线呈360°的线极化旋转发射，将待测天线作为接收天线进行测试获取待测天线的圆极化方向图，这种方法通常只可以得出待测天线的轴比(axialratio)和轴比方向图。第二种方法是将信标天线呈水平状态、垂直状态发射(即正交极化发射)，将待测天线作为接收天线进行测试，并通过矢量接收机(vectorreceiver)分别测量水平状态的幅度、相位方向图和垂直状态的幅度、相位方向图，通过极化合成的方式计算得到待测天线的极化参数，如轴比、极化倾角(polarizationangle，也称极化角)、轴比方向图、交叉极化(crosspolarization)等极化参数。第二种方法需要通过矢量接收机进行数据采集，通常考虑兼顾收发同步的测试要求，而采用较为昂贵的矢量网络分析仪(vectornetworkanalyzer，vna)，这使得测试成本很高。

当前采用远场测试方法测量天线的极化参数的方法具有如下缺点。

其一，需要预先了解待测天线是线极化还是圆极化，再采取不同的测试方案。实际应用的天线很可能由于耦合或者发射设备的影响而使得极化类型发生变化，例如有可能垂直极化变成斜极化、圆极化变成线极化等，所以无法准确地预知待测天线的极化信息，这将严重影响测试效率和测试的准确性。

其二，待测天线作为接收天线，对于单元天线本身而言可以，测试得到的极化特征可以代表其作为发射天线时的极化特性。但实际上很多发射天线内部具有耐受功率的器件，这些器件在耐受功率的情况下表现出来的性能会与接收状态有所差别。因此，接收状态的测试并不能完全表征发射状态的性能。

其三，当发射天线作为大功率发射天线时，发射设备自身带出的谐波、杂散等参数会影响天线辐射出来的电磁波特性。这些参数并非天线自身的参数，但是却是天线作为发射系统的一部分使用时，其必然表现出来的辐射特性。对于这种辐射特性，是通过天线作为接收天线测试时无法测试出来的。

技术实现要素：

本申请所要解决的技术问题是提供一种天线发射状态的极化参数测量装置，无需预知待测天线的极化信息，可在耐受功率的情况下测试发射天线的极化性能，考虑了发射机的谐波和耦合等情况对发射天线的极化参数的影响。为此，本申请还要提供一种天线发射状态的极化测量方法。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种天线极化参数测量装置，包括两个天线、两个iq矢量调制器、开关网络、频谱分析仪和控制器。所述两个天线分别是垂直极化天线、水平极化天线，两者构成的一对正交线极化天线作为接收天线；将待测天线作为发射天线与其他发射设备连接后构成一个完整的发射系统。所述两个iq矢量调制器分别连接两个天线的输出端；每个iq矢量调制器通过一对控制电压形成的正交的i值和q值来实现对其输出的射频信号的幅度和相位的连续调制。所述天线一及其连接的iq矢量调制器一称为测试通道一；所述天线二及其连接的iq矢量调制器二称为测试通道二；通过两个iq矢量调制器对两个测试通道进行校准，以使两个测试通道在相同的测试频率下具有相同的幅度和相位值；所述两个测试通道包括垂直测试通道和水平测试通道。所述开关网络同时连接两个iq矢量调制器的输出端，其具有三个状态，状态一为仅连接测试通道一，状态二为仅连接测试通道二，状态三为同时连接测试通道一和测试通道二。所述频谱分析仪连接开关网络的输出端。所述控制器进一步包括切换单元、第一调整单元、第二调整单元、第三调整单元和计算单元。所述切换单元用来切换开关网络的状态，使频谱分析仪首先仅连接到垂直测试通道、然后仅连接到水平测试通道、最后同时连接到垂直测试通道和水平测试通道。所述第一调整单元用来在频谱分析仪仅连接到垂直测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3。所述第二调整单元用来在频谱分析仪仅连接到水平测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p4；所述第二调整单元还通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3和p4相等；此时水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为py/px，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。所述第三调整单元用来在频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5；所述第三调整单元还保持水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数；从该过程中获取频谱分析仪的读数最大值p5max，并获取水平测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为水平极化天线和垂直极化天线的相位差，其中分别为垂直极化天线和水平极化天线的相位。所述计算单元用来根据py/px和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比。

上述天线极化参数测量装置为本申请提供的实施例一，是以垂直测试通道作为基准，将水平测试通道与垂直测试通道的幅度比值py/px以及水平测试通道与垂直测试通道的相位差用来计算待测天线的极化参数。

进一步地，所述控制器改为进一步包括切换单元、第四调整单元、第五调整单元、第六调整单元和计算单元。所述切换单元用来切换开关网络的状态，使频谱分析仪首先仅连接到水平测试通道、然后仅连接到垂直测试通道、最后同时连接到水平测试通道和垂直测试通道。所述第四调整单元用来在频谱分析仪仅连接到水平测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3'。所述第五调整单元用来在频谱分析仪仅连接到垂直测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p4'；所述第五调整单元还通过调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3'和p4'相等；此时垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为px/py，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。所述第六调整单元用来在频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5；所述第六调整单元还保持垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数；从该过程中获取频谱分析仪的读数最大值p5max，并获取垂直测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为垂直极化天线和水平极化天线的相位差，其中分别为垂直极化天线和水平极化天线的相位。所述计算单元用来根据px/py和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比。

上述天线极化参数测量装置为本申请提供的实施例二，是以水平测试通道作为基准，将垂直测试通道与水平测试通道的幅度比值px/py以及垂直测试通道与水平测试通道的相位差用来计算待测天线的极化参数。

以上天线极化参数测量装置的两个实施例的原理相同，可任意选择其中之一实施。

进一步地，所述对两个测试通道进行校准是采用校正天线作为发射天线；通过调整一对控制电压将两个iq矢量调制器的i值均置于1、q值均置于0；先将开关网络切换为仅连接垂直测试通道，将校正天线调整至垂直极化，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪的读数p1；再将开关网络切换为仅连接水平测试通道，将校正天线调整至水平极化，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪的读数p2；通过调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度将两个测试通道的频谱分析仪的读数调整为一致；再将开关网络切换为同时连接垂直测试通道和水平测试通道，将校正天线调整至斜45°极化，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，保持垂直测试通道中的iq矢量调制器输出的幅值不变，只调整垂直测试通道中的iq矢量调制器输出的相位，使相位连续变化360°，记录频谱分析仪的连续结果中的最大读数值，并获取此时垂直测试通道中的iq矢量调制器的一对i、q值作为在该频点校准后的i、q值，这便完成了该频点下对两个测试通道的校准；通过同步改变信号源和频谱分析仪的工作频率值，重复上述过程即可完成不同频点下对两个测试通道的校准。这是对两个测试通道进行校准的第一种实现方式。

进一步地，所述对两个测试通道进行校准是采用校正天线作为发射天线；通过调整一对控制电压将两个iq矢量调制器的i值均置于1、q值均置于0；先将开关网络切换为仅连接水平测试通道，将校正天线调整至水平极化，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪的读数p1'；再将开关网络切换为仅连接垂直测试通道，将校正天线调整至垂直极化，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪的读数p2'；通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度将两个测试通道的频谱分析仪的读数调整为一致；再将开关网络切换为同时连接垂直测试通道和水平测试通道，将校正天线调整至斜45°极化，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，保持水平测试通道中的iq矢量调制器输出的幅值不变，只调整水平测试通道中的iq矢量调制器输出的相位，使相位连续变化360°，记录频谱分析仪的连续结果中最大读数值，并获取此时水平测试通道中的iq矢量调制器的i、q值作为在该频点校准后的i、q值，这便完成了该频点下对两个测试通道的校准；通过同步改变信号源和频谱分析仪的工作频率值，重复上述过程即可完成不同频点下对两个测试通道的校准。这是对两个测试通道进行校准的第二种实现方式。

本申请还提供了一种天线极化参数测量方法，包括如下步骤：步骤s302：将待测天线作为发射天线与其他发射设备连接后构成一个完整的发射系统，将一个垂直极化天线和一个水平极化天线构成的一对正交线极化天线作为接收天线。步骤s304：切换开关网络的状态，使频谱分析仪仅连接到垂直测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3。步骤s306：切换开关网络的状态，使频谱分析仪仅连接到水平测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p4；通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3和p4相等；此时水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为py/px，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。步骤s308：切换开关网络的状态，使频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5。步骤s310：保持水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整水平测试通道中的iq矢量调制器的的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数的最大值p5max，并获取水平测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为水平极化天线和垂直极化天线的相位差，其中分别为垂直极化天线和水平极化天线的相位。步骤s312：根据py/px和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比。通过同步改变信号源和频谱分析仪的工作频率值，重复步骤s302至步骤s312完成不同频点下对天线极化参数的测量。

上述天线极化参数测量方法为本申请提供的实施例一，是以垂直测试通道作为基准，将水平测试通道与垂直测试通道的幅度比值py/px以及水平测试通道与垂直测试通道的相位差用来计算待测天线的极化参数。

进一步地，所述步骤s312中，当为0或π时，判断发射天线为线极化；当为±π/2时，判断发射天线为圆极化；当不是0或π或±π/2时，判断发射天线为椭圆极化。这是根据来判定待测天线的极化类型的一种优选实现方式。

进一步地，所述步骤s312中，发射天线的极化倾角的计算公式如下，

其中这是根据py/px以及来计算待测天线的极化倾角的一种优选的实现方式。

进一步地，所述步骤s312中，发射天线的轴比的计算公式如下，

其中这是根据py/px以及来计算待测天线的轴比的一种优选的实现方式。

本申请还提供了一种天线极化参数测量方法，包括如下步骤：步骤s902：将待测天线作为发射天线与其他发射设备连接后构成一个完整的发射系统，将一个垂直极化天线和一个水平极化天线构成的一对正交线极化天线作为接收天线。步骤s904：切换开关网络的状态，使频谱分析仪仅连接到水平测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3'。步骤s906：切换开关网络的状态，使频谱分析仪仅连接到垂直测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p4'；通过调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3'和p4'相等；此时垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为px/py，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。步骤s908：切换开关网络的状态，使频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5。步骤s910：保持垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数的最大值p5max，并获取垂直测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为垂直极化天线和水平极化天线的相位差，其中分别为垂直极化天线和水平极化天线的相位。步骤s912：根据px/py和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比。通过同步改变信号源和频谱分析仪的工作频率值，重复步骤s902至步骤s912完成不同频点下对天线极化参数的测量。

上述天线极化参数测量方法为本申请提供的实施例二，是以水平测试通道作为基准，将垂直测试通道与水平测试通道的幅度比值px/py以及垂直测试通道与水平测试通道的相位差用来计算待测天线的极化参数。

以上天线极化参数测量方法的两个实施例的原理相同，可任意选择其中之一实施。

本申请取得的技术效果包括如下几个方面。

其一，通过远场测试方法，采用极化纯度较高的正交线极化天线作为接收天线的方式来测量发射天线(待测天线)的极化参数，无需预知待测天线的极化信息，可以通过测试直接给出待测天线的极化类型、极化倾角、轴比等完整的极化参数，当然也可以通过测试获取其他远场参数例如天线增益、辐射方向图等。

其二，可在发射天线接入耐受功率的器件(例如功率放大器)的情况下，对发射天线(待测天线)进行天线极化参数的测试。

其三，可在发射天线(待测天线)接入发射系统的情况下测试发射天线的工作情况，这便考虑了发射系统中的发射设备的谐波和耦合等因素对发射天线的辐射电磁波的极化参数的影响。

其四，无需采用较为昂贵的矢量网络分析仪，仅需标量检测仪器如频谱分析仪(spectrumanalyzer)便可进行天线极化参数的测试。

附图说明

图1是本申请提供的天线的极化参数测量装置的结构示意图。

图2是iq矢量调制器的结构示意图。

图3是本申请提供的天线的极化参数测量方法的实施例一的流程图。

图4是天线辐射的电磁波在远场区近似为平面波的示意图。

图5是线极化波的合成电场轨迹曲线示意图。

图6是圆极化波的合成电场轨迹曲线示意图。

图7是椭圆极化波的合成电场轨迹曲线示意图。

图8是计算极化倾角的坐标关系示意图。

图9是本申请提供的天线的极化参数测量方法的实施例二的流程图。

图中附图标记说明：10为天线极化参数测量装置；102为天线一；104为天线二；106为iq矢量调制器一；108为iq矢量调制器二；110为开关网络；112为频谱分析仪；150为控制器。

具体实施方式

请参阅图1，本申请的天线极化参数测量装置10包括天线一102、天线二104、iq矢量调制器一106、iq矢量调制器二108、开关网络110、频谱分析仪112和控制器150。

所述天线一102、天线二104分别是垂直极化天线、水平极化天线；或者，两者的极化类型互换。将待测天线作为发射天线与其他发射设备连接后构成一个完整的发射系统，待测天线用于将信号源输出信号对外发射。天线一102和天线二104构成的一对正交线极化天线作为接收天线。

所述iq矢量调制器一106、iq矢量调制器二108分别连接天线一102、天线二104的输出端。请参阅图2，每个iq矢量调制器通过一对控制电压形成的正交的i值和q值来实现对其输出的射频信号的幅度a和相位的连续调制。具体而言，一对控制电压通过压控衰减器、90°电桥来形成i值和q值。i值和q值是一组正交分量，可以控制iq矢量调制器输出任意幅度和相位。

所述天线一102及其连接的iq矢量调制器一106称为测试通道一。所述天线二104及其连接的iq矢量调制器二108称为测试通道二。例如，测试通道一为垂直测试通道，测试通道二为水平测试通道；或者，两者变为相反。通过两个iq矢量调制器106、108对两个测试通道进行校准，以使两个测试通道在相同的测试频率下具有相同的幅度和相位值。

所述对两个测试通道进行校准例如采用如下方式。采用极化纯度较高的线极化天线作为校正天线，校正天线作为发射天线用于将信号源输出信号对外发射。通过调整一对控制电压将两个iq矢量调制器的i值均置于1(归一化)、q值均置于0，即使得两者输出的射频信号的幅度最大化、相位为零。先将开关网络110切换为仅连接垂直测试通道，将校正天线调整至垂直极化，将频谱分析仪112的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪112的读数p1。再将开关网络110切换为仅连接水平测试通道，将校正天线调整至水平极化，将频谱分析仪112的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪112的读数p2。通过调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度将两个测试通道的频谱分析仪的读数调整为一致。再将开关网络110切换为同时连接垂直测试通道和水平测试通道，将校正天线调整至斜45°极化，将频谱分析仪112的参数设置为与信号源匹配，保持垂直测试通道中的iq矢量调制器输出的幅值不变，只调整垂直测试通道中的iq矢量调制器输出的相位，使相位连续变化360°，记录频谱分析仪112的连续结果中的最大读数值，并获取此时垂直测试通道中的iq矢量调制器的i、q值。将垂直测试通道中的iq矢量调制器在该频点校准后的i、q值设置为最新获取的i、q值，这便完成了该频点下对两个测试通道的校准。通过同步改变信号源和频谱分析仪112的工作频率值，重复上述过程即可完成不同频点下对两个测试通道的校准。

所述将频谱分析仪112的参数设置为与信号源匹配是指：将频谱分析仪112接收频率范围设置为覆盖信号源的发射频率范围，将频谱分析仪112的接收信号带宽设置为覆盖信号源的发射信号带宽。

所述对两个测试通道进行校准也可采用先将开关网络110切换为仅连接水平测试通道，将校正天线调整至水平极化，将频谱分析仪112的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪112的读数p1'。再将开关网络110切换为仅连接垂直测试通道，将校正天线调整至垂直极化，将频谱分析仪112的参数设置为与信号源匹配，读取频谱分析仪112的读数p2'。通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度将两个测试通道的频谱分析仪的读数调整为一致。再将开关网络110切换为同时连接垂直测试通道和水平测试通道，将校正天线调整至斜45°极化，将频谱分析仪112的参数设置为与信号源匹配，保持水平测试通道中的iq矢量调制器输出的幅值不变，只调整水平测试通道中的iq矢量调制器输出的相位，使相位连续变化360°，记录频谱分析仪112的连续结果中的最大读数值，并获取此时水平测试通道中的iq矢量调制器的i、q值。将水平测试通道中的iq矢量调制器在该频点校准后的i、q值设置为最新获取的i、q值，这便完成了该频点下对两个测试通道的校准。通过同步改变信号源和频谱分析仪112的工作频率值，重复上述过程即可完成不同频点下对两个测试通道的校准。

所述开关网络110同时连接iq矢量调制器一106、iq矢量调制器二108的输出端。所述开关网络110具有三个状态，状态一为仅连接测试通道一，状态二为仅连接测试通道二，状态三为同时连接测试通道一和测试通道二(两通道的合路状态)。其中，测试通道一和测试通道二经过校准后具有基本相同的幅度和相位值，两通道的合路为等幅同相。

所述频谱分析仪112连接开关网络110的输出端，用来读取接收功率值。

所述控制器150根据上位机(未图示)的指令对两个iq矢量调制器106、108的一对控制电压进行调整控制，还对开关网络110的状态进行切换，还对信号源和频谱分析仪112的频率、带宽参数等进行调整控制。

请参阅图3，本申请的天线极化参数测量方法的实施例一包括如下步骤。

步骤s302：将待测天线作为发射天线与其他发射设备连接后构成一个完整的发射系统，待测天线用于将信号源输出信号对外发射；将一个垂直极化天线和一个水平极化天线构成的一对正交线极化天线作为接收天线。

步骤s304：切换开关网络的状态，使频谱分析仪连接到垂直测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3。

步骤s306：切换开关网络的状态，使频谱分析仪连接到水平测试通道，将频谱分析仪的频率、带宽参数等均设置为与信号源一致，此时由频谱分析仪记录读数p4。通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3和p4相等。此时水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为py/px，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。

步骤s308：切换开关网络的状态，使频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5。

步骤s310：保持水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整水平测试通道中的iq矢量调制器的的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数。从该过程中获取频谱分析仪的读数最大值p5max，并获取水平测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为水平极化天线和垂直极化天线的相位差，其中分别为垂直极化天线和水平极化天线的相位。

在同时连接水平测试通道和垂直测试通道时，只有接收天线和发射天线(待测天线)的极化参数相同时，其接收的功率才最大。在步骤s306中确定了接收天线水平分量和垂直分量的功率比值(即幅度比值的平方)，这一步确定其相位差。通过调整水平测试通道的相位，当频谱分析仪的读数最大时，也就是接收天线与发射天线极化参数相同时，而矢量调制器当时的输出相位就为接收天线水平分量和垂直分量的相位差。

步骤s312：根据py/px和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比等极化参数。

当为0或π时，判断发射天线为线极化。当为±π/2时，判断发射天线为圆极化。当不是0或π或±π/2时，判断发射天线为椭圆极化。

发射天线的极化倾角的计算公式如下，其中

发射天线的轴比的计算公式如下，其中

通过同步改变信号源和频谱分析仪112的工作频率值，重复步骤s302至步骤s312即可完成不同频点下对天线极化参数的测量。

与图3所示的天线极化参数测量方法的实施例一相对应地，本申请的天线极化参数测量装置的实施例一在图1的基础上细化了控制器150。所述控制器150进一步包括切换单元、第一调整单元、第二调整单元、第三调整单元和计算单元。

所述切换单元用来切换开关网络的状态，使频谱分析仪首先仅连接到垂直测试通道、然后仅连接到水平测试通道、最后同时连接到垂直测试通道和水平测试通道。

所述第一调整单元用来在频谱分析仪仅连接到垂直测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3。

所述第二调整单元用来在频谱分析仪仅连接到水平测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p4。所述第二调整单元还通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3和p4相等。此时水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为py/px，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。

所述第三调整单元用来在频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5。所述第三调整单元还保持水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整水平测试通道中的iq矢量调制器的的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数。从该过程中获取频谱分析仪的读数最大值p5max，并获取水平测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为水平极化天线和垂直极化天线的相位差，其中分别为垂直极化天线和水平极化天线的相位。

所述计算单元用来根据py/px和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比等极化参数。

请参阅图4，天线辐射的电磁波为球面波，但在以天线上某点为圆心、远场距离r为半径的一个球面上，取天线最大指向方向邻近范围的一小块面积(图中阴影部分)，在此小块面积上的电磁波可近似为平面波。

在球坐标系下，天线远场区辐射电场一般由eθ和eφ表示，θ和φ在球坐标系中的位置可参见图4。

或者，天线远场区辐射电场也可用沿z轴方向传播的平面波来表示，即ex和ey，合成电场如公式一所示。其中，和为单位矢量，和分别为电场分量ex和ey的相位，e0x和e0y分别为电场分量ex和ey的振幅。

其中，β为相位常数，单位为弧度/米(rad/m)，表示波传播单位距离的相位变化。z表示波传播方向的位移，单位为米(m)。β×z表示空间相位，单位为弧度(rad)。

将公式一两边同乘以时间因子e^-jωt并取其实部，得瞬时合成电场在z＝0处的表达式如公式二所示。

此时的瞬时合成电场的分量如公式三所示。

设即为电场分量ex和ey的相位差，则公式三可化为公式四。

进一步地，若只测量极化参数，可将幅度信息进一步归一化，消去公式四中含ωt的项，可得公式五。公式五为两个电场分量ex和ey的相位差。下面根据公式五讨论在位置z＝0处合成电场矢量的取向随时间变化的轨迹。

由以上公式可知，这表示以垂直测试通道的幅度为1，那么水平测试通道的幅度为da。则表示水平测试通道与垂直测试通道的相位差。

所述步骤s312中之所以根据为0或π来判断发射天线为线极化，是由于线极化天线具有如下特性。

若为0或π，公式四和公式五可化成公式六和公式七。

由公式六和公式七可见，当电场分量ex和ey的相位相同或相差π相位时，合成电场表现为线极化波。合成电场强度如公式八所示。

合成电场与x轴的夹角τ如公式九所示。

由公式八和公式九可见，合成电场的大小随时间变化，但其轨迹与x轴的夹角始终保持为常数(constant)。线极化波的合成电场轨迹如图5所示。

所述步骤s312中之所以根据为±π/2来判断发射天线为圆极化，是由于圆极化天线具有如下特性。

若为±π/2，且e0x＝e0y时，公式四和公式五分别可化成公式十和公式十一。

由公式十和公式十一可见，当电场分量ex和ey的幅度相等、相位相差±π/2时，合成电场表现为圆极化波。合成电场强度如公式十二所示。

合成电场与x轴的夹角τ如公式十三所示。

由公式十三可知，τ＝mωt。

由公式十二和公式十三可知，合成电场的大小不随时间改变，但方向随时间改变，合成电场的矢端轨迹在一个圆上以角速度ω旋转。圆极化波的合成电场轨迹如图6所示。

请参阅图6，角速度ω是有方向的，如公式十三中的“±”号。以四指随ω方向转动，拇指指向波的传播方向，若满足右手螺旋法则，则传播的是右旋圆极化波，反之是左旋圆极化波。当为－π/2时，传播方向垂直纸面向外，为右旋圆极化波，如图6所示。当为π/2时，为左旋圆极化波。

所述步骤s312中之所以根据不是0或π或±π/2来判断发射天线为椭圆极化，是由于椭圆极化天线具有如下特性。

通常，电场分量ex和ey的幅度和相位都不相等，这样就构成了椭圆极化波，其表达式可见公式四和公式五。公式五的方程是一个一般的椭圆方程，合成电场的矢端轨迹随时间变化轨迹为椭圆，如图7所示。

图7也叫做极化椭圆，图中的a和b分别为极化椭圆的短轴和长轴。当时，辐射右旋椭圆极化波；当时，辐射左旋椭圆极化波。

关于椭圆极化波的旋向也可以根据电场在空间的变化特性来判断，电场总是往滞后的方向变化，以公式四中电场分量ex和ey的表达式为例，ey分量与ex分量的相位差当时，ey分量滞后于ex分量，则极化轨迹相对于传播方向呈逆时针转动，辐射右旋圆极化波；当时，ey分量超前于ex分量，则极化轨迹相对于传播方向呈顺时针转动，辐射左旋圆极化波。

由以上极化理论可知，和分别为电场分量ex和ey的相位，e0x和e0y分别为电场分量ex和ey的振幅。只要这4个量已知，便可以形成任意的椭圆极化。

本申请的极化参数测试方法的实施例一在步骤s306中通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度、在步骤s310中通过调整水平测试通道中的iq矢量调制器的输出相位，可以自由生成瞬时合成电场分量ex和ey的幅值比e0y/e0x和相位差因此可以生成任意的极化类型。

所述步骤s312中之所以能够计算出发射天线的极化倾角，是基于以下分析。

椭圆极化波的极化倾角定义为：极化椭圆的长轴与平行于平面的x轴之间的夹角，用σ表示，参见图8。将图7中的x-y坐标系旋转角度σ，使得长轴a在x轴上、短轴b在y轴上，椭圆极化波的倾角σ＝0°。此时建立了新的坐标系x'-y'，其与老的x-y坐标系的关系如公式十四所示，坐标系x'-y'的示意图如图8所示。

老的x-y坐标系中的合成电场分量ex(t)和ey(t)在图8所示的新坐标系中可用e'x(t)和e'y(t)来分别表示，如公式十五所示。

将公式十五代入公式五，并将e'x²(t)、e'x(t)e'y(t)和e'y²(t)三项分别提出，可得公式十六。

若椭圆极化波的极化椭圆的长轴与短轴分别与新坐标x'和y'重合，则公式十六应为该标准椭圆方程表达式，即e'x(t)e'y(t)项的系数应为0，则有公式十七。

求解公式十七可得公式十八和公式十九。

公式十九表明了椭圆极化倾角与线极化波矢量之间的关系。已知两正交线极化矢量的振幅和相位差，便可计算出其极化椭圆的倾角。线极化通常不说极化倾角的概念。纯圆极化因为是一个标准的圆，不存在极化倾角的概念

所述步骤s312中之所以能够计算出发射天线的轴比，是基于以下分析。

请参阅图7，极化椭圆的长轴b与短轴a之比称为轴比，记为ar。由公式十六可知，当e'x(t)e'y(t)项的系数为0时，可改写为公式二十。

公式二十可表示成标准椭圆方程形式，如公式二十一所示。

公式二十一中假定极化椭圆的长轴b与x'重合、短轴a与y'重合。

根据公式二十和公式二十一，可推导得到轴比r的表达式，如公式二十二所示。

轴比r的取值范围为1≤r≤∞，工程上常用分贝表示，如公式二十三所示。

ar＝20lgr(公式二十三)

当ar＝1(0db)时为圆极化，ar＝∞时为线极化。

请参阅图9，本申请的天线极化参数测量方法的实施例二包括如下步骤。

步骤s902：将待测天线作为发射天线与其他发射设备连接后构成一个完整的发射系统，待测天线用于将信号源输出信号对外发射；将一个垂直极化天线和一个水平极化天线构成的一对正交线极化天线作为接收天线。

步骤s904：切换开关网络的状态，使频谱分析仪连接到水平测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3'。

步骤s906：切换开关网络的状态，使频谱分析仪连接到垂直测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p4'。通过调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3'和p4'相等。此时垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为px/py，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。

步骤s908：切换开关网络的状态，使频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5。

步骤s910：保持垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数。从该过程中获取频谱分析仪的读数最大值p5max，并获取垂直测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为垂直极化天线和水平极化天线的相位差，其中分别为垂直极化天线和水平极化天线的相位。

步骤s912：根据px/py和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比等极化参数。

当为0或π时，判断发射天线为线极化。当为±π/2时，判断发射天线为圆极化。当不是0或π或±π/2时，判断发射天线为椭圆极化。

发射天线的极化倾角的计算公式如下，其中

发射天线的轴比的计算公式如下，其中

通过同步改变信号源和频谱分析仪112的工作频率值，重复步骤s902至步骤s912即可完成不同频点下对天线极化参数的测量。

图3所示的天线极化参数测量方法的实施例一中，以垂直测试通道的幅度为1，水平测试通道的幅度为表示水平测试通道与垂直测试通道的相位差。图9所示的天线极化参数测量方法的实施例二中，以水平测试通道的幅度为1，垂直测试通道的幅度为表示垂直测试通道与水平测试通道的相位差。两者具有相同的技术原理，对于实施例二不再赘述。

与图9所示的天线极化参数测量方法的实施例二相对应地，本申请的天线极化参数测量装置的实施例二在图1的基础上细化了控制器150。所述控制器150进一步包括切换单元、第四调整单元、第五调整单元、第六调整单元和计算单元。

所述切换单元用来切换开关网络的状态，使频谱分析仪首先仅连接到垂直测试通道、然后仅连接到水平测试通道、最后同时连接到垂直测试通道和水平测试通道。

所述第四调整单元用来在频谱分析仪仅连接到水平测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p3'。

所述第五调整单元用来在频谱分析仪仅连接到垂直测试通道时，将频谱分析仪的参数设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p4'。所述第五调整单元还通过调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度，使p3'和p4'相等。此时垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅度为px/py，其中px表示垂直极化天线的接收功率，py表示水平极化天线的接收功率。

所述第六调整单元用来在频谱分析仪同时连接到垂直测试通道和水平测试通道时，将频谱分析仪的参数均设置为与信号源匹配，此时由频谱分析仪记录读数p5。所述第六调整单元还保持垂直测试通道中的iq矢量调制器的输出幅值不变，调整垂直测试通道中的iq矢量调制器的的输出相位轨迹沿着单位圆转动360°，采集整个过程中的频谱分析仪的读数。从该过程中获取频谱分析仪的读数最大值p5max，并获取垂直测试通道中的iq矢量调制器当时对应的输出相位为垂直极化天线滞后于水平极化天线的时间-相位角。

所述计算单元用来根据px/py和获取发射天线的极化类型、极化倾角、轴比等极化参数。

通过对各种极化类型的特性分析以及极化参数的计算分析可知，本申请提供的天线的极化参数测量装置及方法无需预知待测天线(发射天线)的极化信息，可以通过测试直接给出待测天线的极化类型、极化倾角、轴比等完整的极化参数；可在发射天线接入耐受功率的器件的情况下，对发射天线进行天线极化参数的测试；可在发射天线接入发射机的情况下进行测试，从而囊括了发射机的谐波和耦合等因素对发射天线的辐射电磁波的极化参数的影响；无需采用较为昂贵的矢量网络分析仪，仅需标量检测仪器如频谱分析仪便可进行天线极化参数的测试。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。