专利名称：一种均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测向天线的电磁干扰的测试方法，更特别地说，是指一种对测向设备中的均匀圆阵测向天线进行接收互阻抗测试、以及对测向设备中的均匀圆阵测向天线的互耦进行补偿的系统。
背景技术：
无线电测向是利用无线电定向设备确定正在工作的无线电辐射源方位的过程，是电磁频谱管理的重要内容，是对无线电信号进行分选、识别的重要依据。阵列天线尤其是均匀圆阵测向天线在无线电测向中具有广泛的应用，包括比幅、比相、相关干涉仪、空间谱估计等测向体制都是利用不同阵元之间的幅度、相位等信息估计来波方向。在这些测向体制中，通常都认为阵中各阵元是理想工作而互不干扰的。实际上，在阵列天线中，每一个阵元都是开放型电路，各阵元之间并不是完全隔离的，而是存在着相互影响，即互耦效应。互耦·效应是天线阵，尤其是小间距天线阵一个关键性问题，对测向设备的系统性的优劣具有决定性作用。由于互耦效应，当均匀圆阵测向天线处于接收时，每个阵元的接收信号不仅是对入射平面波的响应，而且包括对周围阵元引起散射场的响应，因此互耦效应的存在将增大测向设备的测向误差，降低测向精度，必须考虑采取相应的补偿措施来提高测向设备的测向精度。经对现有技术的文献检索发现，2004年，Hon Tai Hui在IEEEANTENNAS ANDWIRELESS PROPAGATION (天线和无线传播)LETTERS 第 3 卷发表了 “A New Definition ofMutual Impedance for Application inDipole Receiving Antenna Arrays (一种应用于偶极子接收天线阵列的新互阻抗定义)”，该文提出了区别于传统互阻抗定义的“接收互阻抗”的概念，基于此建立了精确的接收天线阵列的互耦模型，以及两阵元情况下的如何测试得到接收互阻抗。2004 年 5 月，Hon Tai Hui 在 IEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION (天线和传播)52 卷第 5 期发表了 “A Practical Approach to Compensatefor the MutualCoupling Effect in an Adaptive Dipole Array (一种补偿偶极子阵列互耦影响的实用方法)”，该文提出了基于接收互阻抗理论的阵列天线互耦补偿模型，可以实现多元阵列天线互耦的准确补偿，但需要对阵列天线的接收互阻抗数据精确已知。2010 年，H. S. Lui 在 IET Microw. Antennas Propag.第 4 卷发表了 “Improvedmutual coupling compensation in compact antenna arrays
耦补偿)”，该文提出了基于多角度测试得到阵列天线精确的互阻抗数据的方法，该方法的不足在于需要从阵元个数减一个方向设置水平方向来波，并需精确记录每次来波情况下各个阵元互耦和去除互耦的天线端口电压值，其测试步骤繁琐。西安电子科技大学出版社于2011年11月第I版出版的《无线电监测与测向定位》，作者张洪顺。在第五章的第一节的第二小节中公开了测向设备的组成，如图1所示，图中，测向设备包括有测向天线、测向信道接收机和测向终端处理机。
发明内容
为了解决测向设备中均匀圆阵测向天线的各个阵元的互耦效应对测向设备的测向精度造成的影响，本发明提出了一种适用于测向设备的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试以及互耦补偿系统。该均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试通过设置一个任意水平来波方向，测试得到的所有阵元互耦效应作用下的天线端口电压和去除互耦效应作用下的天线端口电压，根据接收互阻抗理论建立均匀圆阵接收互阻抗矩阵；然后利用均匀圆阵接收互阻抗矩阵在测向设备工作时，在测向终端处理机上在满足工作频点下进行互耦补偿，从而使得测向设备输出的示向度更精确。本发明的一种均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，该系统中的发射天线通过射频电缆与网络分析仪的输出端口连接，均匀圆阵测向天线中的任意一个阵元通过射频电缆与网络分析仪的输入端口连接，网络分析仪与计算机数据线连接；为了解决测向设备中均匀圆阵测向天线的各个阵元的互耦效应对测向设备的测向精度造成的影响，所述计算机内安装有能够对网络分析仪测试得到的S21参数进行计算处理的互阻抗测试及互耦补偿系统；所述互阻抗测试及互耦补偿系统包括有接收互阻抗模型建立单元、获取
阵元互耦下的天线端口电压单元、获取无阵元互耦下的天线端口电压单元、构建互耦电压矩阵单元、构建互耦电流矩阵单元、构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元；接收互阻抗模型建立单元一方面通过设置不同来波水平角Θ，另一方面获得在所述来波水平角Θ、在同一工作频点下对均匀圆阵测向天线进行测试时的接收互阻抗数值；获取阵元互耦下的天线端口电压单元通过对每个连接有假负载的阵元的电压值采集，构成相关S21参数的有负载端口电压VV = IV1, V2,…，VJ ；获取无阵元互耦下的天线端口电压单元通过对每个阵元的电压值采集，构成相关S21参数的无负载端口电压UU = IU1, U2,…，UJ ；构建互耦电压矩阵单元依据均匀圆阵测向天线个数的奇偶数构建不同的互耦电压矩阵；构建互耦电流矩阵单元依据均匀圆阵测向天线个数的奇偶数构建不同的互耦电流矩阵；构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元利用带状和循环特性获得均匀圆阵测向天线的接收互阻抗矩阵頂P = {IMP IWim}0本发明互阻抗测试及互耦补偿系统的优点在于①在存有接收互阻抗矩阵数据的相应频点，能够精确地对未知来波方向的信号在均匀圆阵测向天线产生的阵列接收信号进行互耦补偿。②仅需要设置一个任意来波水平角测试得到的所有阵元互耦作用下的天线端口电压和去除互耦作用下的天线端口电压就可得到该频点的接收互阻抗矩阵，测试工作量小。③使得均匀圆阵测向天线的间距可以变得很小，减小车载或便携式均匀圆阵测向天线体积。④本发明可用于均匀圆阵测向天线的互阻抗测试，也可用于比幅、比相、相关干涉仪、空间谱估计等测向体制可能使用的均匀圆阵测向天线的互耦补偿，提高测向精度。
图1是传统测向设备的组成结构框图。图2是本发明的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试结构的示意图。图2A是本发明的均匀圆阵测向天线的布局示意图。图3是本发明的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及补偿的流程图。图4是采用本发明方法进行互耦补偿与未进行互耦补偿的测向结果对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。本发明提出的方法是对现有测向设备，在进行测向时出现的测向天线互耦效应造成的影响进行的改进。为了实现对均匀圆阵测向天线的接收互阻抗进行测试，本发明搭建了能够满足一种均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试和互耦补偿的互阻抗测试系统，如图2所示，该系统包括有计算机、网络分析仪、均匀圆阵测向天线和发射天线；所述计算机内安装有能够对网络分析仪测试得到的S21参数进行计算处理的互阻抗测试及互耦补偿系统，该互阻抗测试及互耦补偿系统采用Matlab 2009b软件编程得到。所述计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU2GHZ，内存2GB，硬盘60GB ;操作系统为windows XP或以上版本。计算机能够运行Matlab 2009b软件。均匀圆阵测向天线为如图1所示的测向设备中的均匀圆阵测向天线。本发明设计的能够满足均匀圆阵测向天线，接收互阻抗测试和互耦补偿的系统包括有接收互阻抗模型建立单元、获取阵元互耦下的天线端口电压单元、获取无阵元互耦下的天线端口电压单元、构建互耦电压矩阵单元、构建互耦电流矩阵单元、构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元。接收互阻抗测试和互耦补偿系统按照图3所示的流程进行操作。(一)接收互阻抗模型建立单元参见图2所示，在本发明中，均匀圆阵测向天线包括有第一个阵元ele1、第二个阵
元ele2、......、最后一个阵元elei; i表示阵元的标识号(同时也是阵元的总数i彡2)。为
了方便说明下文表述，最后一个阵元elei也称为任意一个阵元。为了得到准确的接收互阻抗数值，除与网络分析仪连接的阵元外，其余阵元需要连接一阻抗匹配的假负载。第一个阵元elei连接的假负载记为ZM，第二个阵元ele2连接的假负载记为Z"，、……、最后一个阵元eiei连接的假负载记为\十对于所有阵元连接的假负载采用集合形式的表达为TL、={ZL-1，ZL_2, ...，ZL_j}。参见图2所示，在本发明中，网络分析仪选用安捷伦科技有限公司生产的型号为Agilent 8719D的分析仪。设置网络分析仪中信号发生器的任意一个工作频点记为/&(单位MHz)、信号输出功率记为Wna(单位dBm)。网络分析仪中信号发生器的第一个工作频点记为/^、网络分析仪中信号发生器的第二个工作频点记为/ …···、网络分析仪中信号发生器的第R个工作频点记为Jt4，R表示工作频点的个数。一般地，输出功率Wna = OdBm,也就是功率为 lmW。假定= 400MHz ,/；；, = 5ΜΗζ，···.··,/；；, = 900MHz。工作频点为依据测向设备的主要工作频段而选取。参见图2所示，在本发明中，发射天线可以选用IOkHz 220MHzEFG_3D电场发生器、200MHz IGHz AF4000喇叭天线或者IGHz 4. 2GHzAF4510喇叭天线。发射天线是依据接收互阻抗的频率来选取的。在本发明设计的互阻抗测试系统中，发射天线通过射频电缆与网络分析仪的输出端口连接，均匀圆阵测向天线中的任意一个阵元通过射频电缆与网络分析仪的输入端口连接，网络分析仪与计算机数据线连接。参见图2所示，发射天线与均匀圆阵测向天线之间的安装水平距离记为D间距，所述安装水平距离D—般为大于10倍的发射天线工作波长的位置。参见图2、图2A所示，所有天线阵元构成一个均匀圆阵测向天线阵列面，所述均匀圆阵测向天线阵列面的中心点O为坐标原点0，以中心点O指向第一阵元为X轴，在坐标原点O处垂直于均匀圆阵测向天线阵列面的轴为Z轴，在坐标原点O处垂直于X轴和Z轴为Y 轴。来波方向与Z轴的夹角记为来波仰角供，所述来波仰角f为固定设置一个角度，通常为90度(解决低仰角条件下来波引起的均匀圆阵测向天线互耦影响)。来波方向在均匀圆阵测向天线阵列面上的投影沿逆时针方向与X轴的夹角记为来波水平角θ，所述来波水平角Θ在同一工作频点/=下对均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试时为固定设置的一个角度，Θ为O度至360度任意选。在第一个工作频点/^下的来波水平角0记为Θ1 (简称为第一来波水平角Θ O、第二个工作频点下的来波水平角Θ记为Θ 2 (简称为第二来波水平角Θ2)、……、第R个工作频点/^下的来波水平角Θ记为θκ (简称为任意一来波水平角θκ)。在本发明中，接收互阻抗模型建立单元一方面通过设置不同来波水平角Θ，另一方面获得在所述来波水平角Θ、在同一工作频点下对均匀圆阵测向天线进行测试时的接收互阻抗数值。(二)获得阵元互耦下的天线端口电压获取阵元互耦下的天线端口电压单元通过对每个连接有假负载的阵元的电压值采集，构成相关S21参数的有负载端口电压VV= IV1, V2，…，VJ。为了获得各个阵元的电压值采用下面的处理步骤步骤201 :将第一个阵元elei连接在网络分析仪的输入端口上，其余阵元上连接阻抗匹配的假负载，发射天线连接在网络分析仪的输出端口上，网络分析仪与计算机数据线连接；步骤202 :调节发射天线；调节来波仰角来波水平角θ κ、工作频点/上和输出功率 Wna;用网络分析仪记录第一个阵元elei测试得到的S21参数记为，第一个阵元^le1天线纟而口的电压记为_ JQ 20 X \ jl0 10 X Z ■ ^na表不连接弟Iv阵兀Sle1时
IVL-1 9
网络分析仪输出的信号功率(单位dBm);Win表示功率单位dBm转换成dB单位的单位转换系数，ffin=30 表示第一个阵元e]^连接的假负载；S21-1表示连接第一个阵元时网络分析仪测试到的S21参数；
步骤203 :同理，将第二个阵元ele2连接在网络分析仪的输入端口上，其余阵元上连接阻抗匹配的假负载，发射天线连接在网络分析仪的输出端口上，网络分析仪与计算机数据线连接；步骤204 :调节发射天线，保持来波仰角炉为90度、来波水平角为Θ、工作频点为f用网络分析仪记录第二个阵元ele2测试得到的S21参数记为S21_2，第二个阵元ele2
天线端口的电压记为
权利要求
1.一种均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，该系统中的发射天线通过射频电缆与网络分析仪的输出端口连接，均匀圆阵测向天线中的任意一个阵元通过射频电缆与网络分析仪的输入端口连接，网络分析仪与计算机数据线连接，其特征在于为了解决测向设备中均匀圆阵测向天线的各个阵元的互耦效应对测向设备的测向精度造成的影响， 所述计算机内安装有能够对网络分析仪测试得到的S21参数进行计算处理的互阻抗测试及互耦补偿系统；所述互阻抗测试及互耦补偿系统包括有接收互阻抗模型建立单元、获取阵元互耦下的天线端口电压单元、获取无阵元互耦下的天线端口电压单元、构建互耦电压矩阵单元、构建互耦电流矩阵单元、构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元；接收互阻抗模型建立单元一方面通过设置不同来波水平角Θ，另一方面获得在所述来波水平角Θ、在同一工作频点下对均匀圆阵测向天线进行测试时的接收互阻抗数值；获取阵元互耦下的天线端口电压单元通过对每个连接有假负载的阵元的电压值采集， 构成相关S21参数的有负载端口电压VV = IV1, V2,…，VJ ；获取无阵元互耦下的天线端口电压单元通过对每个阵元的电压值采集，构成相关S21 参数的无负载端口电压UU = (U11U2, - ,UJ ；构建互耦电压矩阵单元依据均匀圆阵测向天线个数的奇偶数构建不同的互耦电压矩阵；构建互耦电流矩阵单元依据均匀圆阵测向天线个数的奇偶数构建不同的互耦电流矩阵；构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元利用带状和循环特性获得均匀圆阵测向天线的接收互阻抗矩阵頂P = {IMPIWim}0
2.根据权利要求1所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征在于所述获取阵元互耦下的天线端口电压单元为了获得各个阵元的电压值采用下面的处理步骤步骤201 :将第一个阵元elei连接在网络分析仪的输入端口上，其余阵元上连接阻抗匹配的假负载，发射天线连接在网络分析仪的输出端口上，网络分析仪与计算机数据线连接；步骤202 :调节发射天线；调节来波仰角来波水平角θ κ、工作频点/=和输出功率用网络分析仪记录第一个阵元elei测试得到的S21参数记为S2w，第一个阵元elei天线端口的电压记为
3.根据权利要求1所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征 在于获取无阵元互耦下的天线端口电压单元为了获得各个阵元在无负载时的电压值采用 下面的处理步骤步骤301 :将第一个阵元elei连接在网络分析仪的输入端口上，其余阵元从均匀圆阵 测向天线中卸下，发射天线连接在网络分析仪的输出端口上，网络分析仪与计算机数据线 连接；步骤302 :调节发射天线；调节来波仰角来波水平角eK、工作频点/丄和输出功率WNA；用网络分析仪记录第一个阵元elei测试得到的S21参数记为，则第一个阵元elei的天线端n m电压i己为
4.根据权利要求I所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征 在干当均匀圆阵测向天线中的阵元个数为奇数时，互耦电压矩阵
5.根据权利要求I所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征 在干当均匀圆阵测向天线中的阵元个数为偶数时，互耦电压矩阵
6.根据权利要求I所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征 在于互耦电流ん=^，因此当均匀圆阵测向天线中的阵元个数为奇数时，互耦电流矩阵
7.根据权利要求I所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征 在于互耦电流ん=因此当均匀圆阵测向天线中的阵元个数为偶数时，互耦电流矩阵
8.根据权利要求I所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征在于所有天线阵元构成一个均匀圆阵测向天线阵列面，所述均匀圆阵测向天线阵列面的中心点O为坐标原点0，以中心点O指向第一阵元为X轴，在坐标原点O处垂直于均匀圆阵测向天线阵列面的轴为Z轴，在坐标原点O处垂直于X轴和Z轴为Y轴。来波方向与Z轴的夹角记为来波仰角识。来波方向在均匀圆阵测向天线阵列面上的投影沿逆时针方向与X轴的夹角记为来波水平角Θ，所述来波水平角Θ在同一工作频点/ 下对均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试时为固定设置的一个角度，Θ为O度至360度任意选。
9.根据权利要求1所述的均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，其特征在于发射天线与均匀圆阵测向天线之间的安装水平距离记为D_，所述安装水平距离Dra @一般为大于10倍的发射天线工作波长的位置。
全文摘要
本发明公开了一种均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统，该系统包括有接收互阻抗模型建立单元、获取阵元互耦下的天线端口电压单元、获取无阵元互耦下的天线端口电压单元、构建互耦电压矩阵单元、构建互耦电流矩阵单元、构建均匀圆阵接收互阻抗矩阵单元。所述均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试通过设置一个任意水平来波方向，测试得到的所有阵元互耦效应作用下的天线端口电压和去除互耦效应作用下的天线端口电压，根据接收互阻抗理论建立均匀圆阵接收互阻抗矩阵；然后利用均匀圆阵接收互阻抗矩阵在测向设备工作时，在测向终端处理机上在满足工作频点下进行互耦补偿，从而使得测向设备输出的示向度更精确。
文档编号H01Q21/28GK103000996SQ201210479319
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者谢树果, 杜威, 李圆圆, 苏东林, 刘亚奇, 武明川, 陈少刚, 叶知秋 申请人:北京航空航天大学