本發(fā)明涉及一種暗室散射測(cè)試方法，特別是一種平面近場(chǎng)暗室散射的測(cè)試與補(bǔ)償方法，屬于天線測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

暗室散射是平面近場(chǎng)測(cè)量最主要的誤差源之一，對(duì)暗室散射進(jìn)行全面和精確的測(cè)試，是提高天線測(cè)試精度的重要手段。該方法是在通信、導(dǎo)航衛(wèi)星天線平面近場(chǎng)測(cè)量校準(zhǔn)方法研究過(guò)程中，在對(duì)誤差源——暗室散射進(jìn)行測(cè)試評(píng)估時(shí)進(jìn)行方法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的。暗室散射是平面近場(chǎng)測(cè)試18項(xiàng)誤差源中最重要、評(píng)估難度最大的誤差源之一，對(duì)天線增益、旁瓣等參數(shù)的測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生重要的影響。

目前最常用的暗室散射測(cè)試方法有兩種，一種是通過(guò)測(cè)試天線與目標(biāo)天線之間的距離不斷拉大，采集兩個(gè)天線的傳輸參數(shù)S21，通過(guò)計(jì)算空間駐波的方式解算出該區(qū)域某一處的反射波大小，估算暗室散射量級(jí)。另外一種是利用平面近場(chǎng)固有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在暗室不同位置進(jìn)行常規(guī)方向圖測(cè)試，比對(duì)測(cè)試結(jié)果的不同，以結(jié)果的差異作為暗室散射的量級(jí)大小。

第一種方法對(duì)暗室散射測(cè)試的范圍較小，如果需要對(duì)較大區(qū)域內(nèi)進(jìn)行該工作，工作量巨大，需要移動(dòng)水平方向移動(dòng)測(cè)試天線與測(cè)試天線很多次，每次水平移動(dòng)完畢后還需要垂直方向移動(dòng)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，水平方向移動(dòng)的距離又必須保證足夠小，對(duì)于較大面積的測(cè)試工作的難度與數(shù)量就讓人難以接受。同時(shí)在水平移動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有特殊裝置進(jìn)行移動(dòng)平面度的保證，測(cè)試就會(huì)引入很大的位置誤差，導(dǎo)致最終的結(jié)果異常。

第二種方法在一定程度可以反映平面近場(chǎng)暗室散射對(duì)于方向圖測(cè)試帶來(lái)的影響，但是結(jié)果不夠確切。該方式可以找出相對(duì)于其他位置較好的一塊區(qū)域，即暗室散射較小的區(qū)域，但是對(duì)于散射較為惡劣的區(qū)域無(wú)法進(jìn)行修正和補(bǔ)償。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有暗室散射測(cè)試技術(shù)工作量大，結(jié)果不能應(yīng)用于修正的不足，提供一種平面近場(chǎng)暗室散射的測(cè)試與補(bǔ)償方法，分析對(duì)天線各參數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響，提高天線測(cè)試精度。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：

暗室散射的測(cè)試與補(bǔ)償方法主要包括三部分內(nèi)容：暗室散射測(cè)試方法設(shè)計(jì)、測(cè)試工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)施、暗室散射的補(bǔ)償與校正。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種平面近場(chǎng)暗室散射的測(cè)試與補(bǔ)償方法，步驟如下：

(1)測(cè)試天線采用標(biāo)準(zhǔn)喇叭，目標(biāo)天線采用開口波導(dǎo)，分別安裝于T型導(dǎo)軌上與掃描架探頭安裝位置。T型導(dǎo)軌放置在需要進(jìn)行平面近場(chǎng)暗室散射測(cè)試的區(qū)域內(nèi)。

(2)目標(biāo)天線從掃描架零位開始移動(dòng)，在二維平面內(nèi)，激光跟蹤儀每隔一定間距測(cè)量一次目標(biāo)天線的中心三維坐標(biāo)值，通過(guò)平面最小二乘擬合，建立掃描架標(biāo)定坐標(biāo)系；

(3)測(cè)試天線從T型導(dǎo)軌的零位出發(fā)，移動(dòng)一個(gè)間距后，利用激光跟蹤儀測(cè)量天線中心的三維坐標(biāo)值，當(dāng)測(cè)量位置數(shù)大于等于3時(shí)，即可解算得到測(cè)試天線的軌跡方程；

(4)計(jì)算測(cè)試天線軌跡方程與掃描架標(biāo)定坐標(biāo)系X軸或Y軸、XOY平面的夾角，調(diào)整T型導(dǎo)位置與姿態(tài)，使得測(cè)試天線與X軸平行且與XOY面平行，此狀態(tài)即為測(cè)試天線的初始狀態(tài)；

(5)測(cè)試天線從T型導(dǎo)軌的零位出發(fā)，每移動(dòng)間距Δ后(保證Δ接近0.25個(gè)波長(zhǎng)，Δ由激光跟蹤儀測(cè)量得到)，計(jì)算測(cè)試天線中心，此時(shí)即可得到測(cè)試天線中心和目標(biāo)天線中心的坐標(biāo)差值ΔX、ΔY，將該值反饋給掃描架后，掃描架驅(qū)動(dòng)目標(biāo)天線運(yùn)動(dòng)到和測(cè)試天線中心重合的位置，利用平面近場(chǎng)固有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行幅度相位的采集，然后繼續(xù)移動(dòng)目標(biāo)天線，直到T型導(dǎo)軌末端，完成所有位置的幅度相位的采集。

(6)將T型導(dǎo)軌沿垂直與導(dǎo)軌方向移動(dòng)0.25個(gè)波長(zhǎng)，重復(fù)步驟(5)測(cè)試直至將整個(gè)需要的測(cè)試暗室散射區(qū)域面積內(nèi)所有的散射場(chǎng)幅度相位分布全部采集完畢，采集到的數(shù)據(jù)矩陣記為ΔB′；

(7)將測(cè)試天線旋轉(zhuǎn)90度，同時(shí)目標(biāo)天線旋轉(zhuǎn)90度，重復(fù)(5)與(6)，采集到的數(shù)據(jù)記為ΔB″；

(8)通過(guò)修正算法利用步驟(6)和步驟(7)所得到測(cè)試結(jié)果對(duì)使用平面近場(chǎng)固有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)天線測(cè)試所得結(jié)果進(jìn)行修正，得到補(bǔ)償暗室散射后的方向圖數(shù)據(jù)F_θ、

所述步驟(8)修正算法實(shí)現(xiàn)為：

Δb′＝ΔB′-mean(ΔB′)

Δb″＝ΔB″-mean(ΔB″)

mean(ΔB′)表示ΔB′的矢量平均，mean(ΔB″)表示ΔB″的矢量平均，fft表示近遠(yuǎn)場(chǎng)變換中的傅里葉變換，F(xiàn)_θ′、表示使用平面近場(chǎng)固有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)天線測(cè)試所得的天線方向圖測(cè)試結(jié)果，f_θ′表示在平面近場(chǎng)測(cè)試時(shí)第一極化測(cè)試探頭的兩個(gè)極化分量方向圖，f_θ″表示在平面近場(chǎng)測(cè)試時(shí)第二極化測(cè)試探頭的兩個(gè)極化分量方向圖，F(xiàn)_θ、表示補(bǔ)償暗室散射后的兩個(gè)分量的方向圖數(shù)據(jù)，即所求結(jié)果。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)與平面近場(chǎng)常規(guī)天線測(cè)試狀態(tài)保持高度一致，更加準(zhǔn)確的標(biāo)定平面近場(chǎng)暗室散射。傳統(tǒng)暗室散射測(cè)試方法都與常規(guī)天線狀態(tài)有差別，或多或少會(huì)對(duì)暗室測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，增大暗室散射測(cè)試誤差。

(2)修正算法可以在一定程度上消除暗室散射對(duì)平面近場(chǎng)天線測(cè)試帶來(lái)的影響，在平面近場(chǎng)暗室散射測(cè)試的基礎(chǔ)上提高平面近場(chǎng)天線測(cè)試精度，降低由于暗室環(huán)境不同對(duì)天線測(cè)試帶來(lái)的差異性。

(3)采用T型導(dǎo)軌，減輕了平面近場(chǎng)暗室散射工作量與工作難度。不但對(duì)于位置機(jī)械精度有了很好的保證，而且利于實(shí)現(xiàn)平面近場(chǎng)暗室散射測(cè)試的自動(dòng)化，T型導(dǎo)軌采用絲杠驅(qū)動(dòng)，加上電機(jī)馬達(dá)即可達(dá)到自動(dòng)化移動(dòng)的功能。

(4)T型導(dǎo)軌采用全玻璃鋼材料制作，對(duì)于暗室散射測(cè)試工作影響極低，暗室散射測(cè)試工作除開機(jī)械校準(zhǔn)工作需要激光跟蹤儀外，其余數(shù)據(jù)采集工作利用平面近場(chǎng)固有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無(wú)需增加其他的射頻設(shè)備。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2為本發(fā)明的測(cè)試示意圖；

圖3為T型導(dǎo)軌三維模型側(cè)視圖；

圖4為T型導(dǎo)軌三維模型俯視圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明天線做詳細(xì)的說(shuō)明，

如圖1、2所示，本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)如下：

一、詳細(xì)步驟

(1)測(cè)試天線采用標(biāo)準(zhǔn)喇叭3，目標(biāo)天線采用開口波導(dǎo)2，分別安裝于T型導(dǎo)軌4上與掃描架1探頭安裝位置。T型導(dǎo)軌4放置在需要進(jìn)行平面近場(chǎng)暗室散射測(cè)試的區(qū)域內(nèi)。

(2)目標(biāo)天線從掃描架零位開始移動(dòng)，在二維平面內(nèi)，激光跟蹤儀每隔一定間距測(cè)量一次目標(biāo)天線的中心三維坐標(biāo)值，通過(guò)平面最小二乘擬合，建立掃描架標(biāo)定坐標(biāo)系；

(3)測(cè)試天線從T型導(dǎo)軌的零位出發(fā)，移動(dòng)一個(gè)間距后，利用激光跟蹤儀測(cè)量天線中心的三維坐標(biāo)值，當(dāng)測(cè)量位置數(shù)大于等于3時(shí)，即可解算得到測(cè)試天線的軌跡方程；

(4)計(jì)算測(cè)試天線軌跡方程與掃描架標(biāo)定坐標(biāo)系X軸或Y軸、XOY平面的夾角，調(diào)整T型導(dǎo)位置與姿態(tài)，使得測(cè)試天線與X軸平行且與XOY面平行，此狀態(tài)即為測(cè)試天線的初始狀態(tài)；

(5)測(cè)試天線從T型導(dǎo)軌的零位出發(fā)，每移動(dòng)間距Δ后(保證Δ接近0.25個(gè)波長(zhǎng)，Δ由激光跟蹤儀測(cè)量得到)，計(jì)算測(cè)試天線中心，此時(shí)即可得到測(cè)試天線中心和目標(biāo)天線中心的坐標(biāo)差值ΔX、ΔY，將該值反饋給掃描架后，掃描架驅(qū)動(dòng)目標(biāo)天線運(yùn)動(dòng)到和測(cè)試天線中心重合的位置，利用平面近場(chǎng)固有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行幅度相位的采集，然后繼續(xù)移動(dòng)目標(biāo)天線，直到T型導(dǎo)軌末端，完成所有位置的幅度相位的采集。

(6)利用帶有輪子5的部分，將T型導(dǎo)軌沿垂直與導(dǎo)軌方向移動(dòng)0.25個(gè)波長(zhǎng)，重復(fù)步驟(5)測(cè)試直至將整個(gè)需要的測(cè)試暗室散射區(qū)域面積內(nèi)所有的散射場(chǎng)幅度相位分布全部采集完畢，采集到的數(shù)據(jù)矩陣記為ΔB′；

(7)將測(cè)試天線旋轉(zhuǎn)90度，同時(shí)目標(biāo)天線旋轉(zhuǎn)90度，重復(fù)步驟(5)與(6)，采集到的數(shù)據(jù)記為ΔB″；

(8)通過(guò)修正算法利用步驟(6)和步驟(7)所得到測(cè)試結(jié)果對(duì)使用平面近場(chǎng)固有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)天線測(cè)試所得結(jié)果進(jìn)行修正，得到補(bǔ)償暗室散射后的方向圖數(shù)據(jù)F_θ、

二、算法簡(jiǎn)介

根據(jù)平面波譜的近遠(yuǎn)場(chǎng)變換理論，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖是不同方向平面波譜的疊加，如式1所表示。

為遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布，為平面波譜函數(shù)。平面近場(chǎng)測(cè)試通過(guò)采集天線口面近場(chǎng)分布，計(jì)算取得天線平面波譜函數(shù)，得到天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。一般測(cè)試采用探頭兩次正交極化測(cè)試得到待測(cè)天線的方向圖，考慮探頭補(bǔ)償以坐標(biāo)系為例待測(cè)天線方向圖可以通過(guò)式2與式3表示。

為待測(cè)天線方向圖，與為探頭坐標(biāo)系下探頭兩次正交測(cè)試時(shí)使用探頭的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。b′(x,y,d)和b″(x,y,d)為近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)探頭兩次正交極化所采集的近場(chǎng)分布，d為掃描面距天線口面距離，λ波長(zhǎng)，C₁和C₂為與待測(cè)天線方向圖無(wú)關(guān)的常數(shù)。

通常探頭方向圖為已知值，聯(lián)立式2、3、4即可解出待測(cè)天線方向圖兩個(gè)極化分量方向圖。

為了討論簡(jiǎn)便，可以將式2右端的傅里葉變換記為一個(gè)整體算子fft，近場(chǎng)由于暗室散射干擾引入一個(gè)近場(chǎng)干擾分布Δb′和Δb″分別為探頭兩個(gè)極化正交時(shí)的暗室散射干擾分布。在發(fā)射天線固定下，不考慮探頭與天線間耦合，均為場(chǎng)地坐標(biāo)的函數(shù)。則帶有暗室散射干擾的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖可以由式5、式6聯(lián)立求解。

其中為待測(cè)天線方向圖，與為探頭坐標(biāo)系下探頭兩次正交測(cè)試時(shí)使用探頭的方向圖，b′為沒(méi)有暗室干擾情況下的平面近場(chǎng)第一極化采集數(shù)據(jù)，b″為沒(méi)有暗室干擾情況下的平面近場(chǎng)第二極化采集數(shù)據(jù)，Δb′和Δb″分別為暗室散射第一極化與第二極化的近場(chǎng)分布。

通過(guò)傅里葉變換的線性性質(zhì)，即fft(b+Δb)＝fft(b)+fft(Δb)。聯(lián)立式2、式3、式4，以坐標(biāo)系為例，可以求解得：

其中為待測(cè)天線θ分量方向圖，其中為待測(cè)天線分量方向圖，與為探頭坐標(biāo)系下探頭兩次正交測(cè)試時(shí)使用探頭的方向圖，Δb′和Δb″分別為暗室散射第一極化與第二極化的近場(chǎng)分布。

通過(guò)式7、式8，可以求解出去除暗室散射干擾源的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖F_θ、

在前面步驟(6)(7)測(cè)得的ΔB′與ΔB″為包含有暗室散射近場(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)喇叭與開口波導(dǎo)無(wú)暗室散射的場(chǎng)的疊加值，一般認(rèn)為暗室散射在足夠大面積下是以空間駐波形式存在，所以對(duì)ΔB′與ΔB″進(jìn)行平均運(yùn)算可消除大部分的暗室散射引起的幅度與相位起伏。

故所求的單純的暗室散射近場(chǎng)分布為：

Δb′＝ΔB′-mean(ΔB′)(式9)

Δb″＝ΔB″-mean(ΔB″)(式10)

再結(jié)合式(7)與(8)得到補(bǔ)償暗室散射影響后的天線方向圖。mean(ΔB′)表示ΔB′的矢量平均，mean(ΔB″)表示ΔB″的矢量平均。Δb′表示暗室散射第一極化分量，Δb″表示暗室散射第二極化分量。

總之，本發(fā)明采用一種T型導(dǎo)軌，通過(guò)對(duì)掃描面區(qū)域內(nèi)暗室散射的檢測(cè)，得到該掃描區(qū)域的暗室散射場(chǎng)分布。利用算法補(bǔ)償該區(qū)域內(nèi)天線測(cè)試由于暗室散射帶來(lái)的影響。本發(fā)明與傳統(tǒng)暗室散射測(cè)試方法相比較，更好的檢測(cè)指定區(qū)域內(nèi)暗室散射分布情況，并且利用算法補(bǔ)償了暗室散射對(duì)于天線測(cè)試的影響。

三、T型導(dǎo)軌簡(jiǎn)介

如圖3所示，T型導(dǎo)軌采用純玻璃鋼材料制作，使其在暗室散射測(cè)試時(shí)的影響降至最低。包括導(dǎo)軌41、天線支撐板42、支撐桿43、支撐筒44和絲杠45。支撐筒44位于整個(gè)裝置最下方，導(dǎo)軌41與支撐筒44相連接，支撐桿43連接導(dǎo)軌41與支撐筒44，起到一定的支撐形變保持作用。天線支撐板42與導(dǎo)軌41連接，絲杠45與支撐筒44與天線支撐板42相連，絲杠45可驅(qū)動(dòng)天線支撐板42在導(dǎo)軌41上來(lái)回運(yùn)動(dòng)。圖4為T型導(dǎo)軌俯視圖，絲杠45、導(dǎo)軌46、天線支撐板47。

導(dǎo)軌41的直線度與平面度有一定的要求，保證RMS均小于0.5mm。目標(biāo)天線支撐板42是T型導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)部分，支撐桿43保證導(dǎo)軌的穩(wěn)定度與剛度。支撐筒44支撐整體T型導(dǎo)軌以及與地面其他設(shè)備相連接的作用。絲杠45是運(yùn)動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)裝置，圖3、圖4中為手動(dòng)轉(zhuǎn)盤，可以改裝為馬達(dá)與齒輪驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化控制。

本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。