一种基于微波网络分析的球面多探头天线测试数据处理方法技术

本发明专利技术涉及一种基于微波网络分析的球面多探头天线测试数据的快速处理方法，基于微波网络分析的思想，将待测天线及探头系统看成是一个开放的二端口网络，将激励等效为网络的输入，将探头接收信号等效为输出，通过坐标旋转，严格的推导出天线的传输方程，再通过探头上的接收信号和不同场区的探头响应常数，求解出待测天线的远场方向图。大幅度提高了程序运行速度，缩短了天线测试数据的处理时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数据处理方法，特别是一种基于微波网络分析的球面多探头天线测试数据处理方法。
技术介绍
文献“近场测量天线远区场特性快速计算方法，CN104391183A，中国”公开了一种天线平面近场测量外推算法，该算法用一个辐射特性已知的开口波导探头进行极化相互正交的两次近场扫描测试获得电场的x、y方向分量，之后进行二维傅里叶变换确定谱函数，最后利用驻相法计算得到天线远场方向图。但是采用平面近场测量天线时，待测天线不动，测试探头在相对于大地的水平面或垂直面上以小于半波长的间距采集电场的幅相值，从波束中心测量，平面近场测量可提供的远场覆盖角度仅为方位±70°、俯仰±70°的范围，无法得到被测天线的三维全息辐射信息，仅适用于测量笔形波束天线，而不能用于测量各种类型波束的天线。
技术实现思路
要解决的技术问题为了克服现有的平面近场天线测量方法不能测量天线在各个俯仰角下的近场数据，无法得到被测天线三维全息辐射信息的不足，本专利技术提供一种球面多探头天线测试数据处理方法。技术方案本专利技术基于微波网络分析的思想，将待测天线及探头系统看成是一个开放的二端口网络，将激励等效为网络的输入，将探头接收信号等效为输出，通过坐标旋转，严格的推导出天线的传输方程，再通过探头上的接收信号和不同场区的探头响应常数，求解出待测天线的远场方向图。而近场采样采用多探头球面近场扫描，待测天线围绕天线中心在方位上进行旋转，探头在距离天线口面几个波长的距离上采样，这样由球面近场测量提供的远场覆盖角度为方位±180°、俯仰±90°的范围，能得到被测天线的三维全息辐射信息，从而适用于各种类型波束天线的测量。由于进行天线球面近远场外推变换的计算公式复杂，为了加快数据处理的时间并且节省计算内存空间，该方法在数据处理过程中采用快速傅里叶逆变换IFFT计算积分项，大大减少了计算机计算离散傅里叶变换所需的乘法次数；采用矩阵三维化的思想，减少了程序循环次数，可以大幅度提高程序运行速度，缩短天线测试数据处理的时间。一种基于微波网络分析的球面多探头天线测试数据的快速处理方法，其特征在于步骤如下：步骤1：利用一个已知特性的探头分别当其为θ极化和极化时在距离待测天线r0＝3～10λ的空间球面上测量得到待测天线的近场数据w(A,χ1,θ,φ)和w(A,χ2,θ,φ)，并带入式(1)计算得到wμ(A,θ,φ)：其中，wμ(A,θ,φ)是w(A,χ,θ,φ)关于χ有限傅里叶序列的展开系数，χ为探头旋转角，A为探头到待测天线的距离，θ为探头相对于待测天线的俯仰角，为探头相对于待测天线的方位角，λ为待测天线的工作波长，μ＝±1；步骤2：将步骤1中求得的wμ(A,θ,φ)带入式(2)，并用快速傅里叶逆变换计算此积分项得到wμm(A,θ)：其中，0≤n≤N，-n≤m≤n，截断数N≥kr0+10，传播常数r0为能包围待测天线的最小球面的半径；步骤3：将步骤2中对的积分计算结果wμm(A,θ)带入式(3)，用快速傅里叶逆变换计算此积分项得到其中为旋转系数：式中和为三维常数矩阵，i为虚数单位，-n≤m′≤n；步骤4：将步骤3中对θ的积分计算结果和近场探头响应常数Psμn(kA)带入式(5)即得到传输方程的传输系数vT1mn和vT2mn：以m,n,θ为变量构成三维矩阵vT1mn和vT2mn，其中s＝1,2，0≤n≤N，-n≤m≤n，截断数N≥kr0+10，传播常数r0为能包围待测天线的最小球面的半径，μ＝±1；步骤5：将三维矩阵vT1mn和vT2mn的计算结果和远场探头响应常数代入式(6)得到归一化远场探头信号：步骤6：将归一化远场探头信号带入式(7)即得到待测天线远场方向图：其中，v是待测天线的输入信号，为球坐标系下θ方向的单位向量，为球坐标系下φ方向的单位向量。有益效果本专利技术提出的一种基于微波网络分析的球面多探头天线测试数据的快速处理方法，由于采用了球面多探头近场采样，使远场覆盖角度范围由平面近场测量的方位±70°、俯仰±70°扩大到方位±180°、俯仰±90°，能得到被测天线的所有辐射信息；用快速傅里叶逆变换IFFT计算积分项，使计算机计算离散傅里叶变换的次数大大减少，节省了大约50％的运算量，计算效率大为提高；用矩阵三维化技术减少了程序循环次数，提高了程序运行速度。用电磁仿真软件HFSS对S波段的角锥喇叭天线进行仿真，结果表明外推远场与理论远场吻合良好，且计算时间从未使用快速傅里叶变换的2小时40分钟左右缩短到6分钟左右。在工程上大大缩短了天线测试数据处理的时间。具体实施方式现结合实施例对本专利技术作进一步描述：选择一个口径为52.07cm的角锥喇叭天线，测试频率f＝2.4GHz，具体步骤如下：1)利用电磁仿真软件HFSS对角锥喇叭天线进行建模仿真，并利用标准电偶极子探头分别当其为θ极化和极化时在距离待测天线r0＝10λ的空间球面上测量得到天线的近场数据w(A,0,θ,φ)和探头旋转角χ1＝0，并带入式(1)得μ＝±1。其中λ为待测天线的工作波长，A为探头到待测天线的距离，θ为探头相对于待测天线的俯仰角，为探头相对于待测天线的方位角。2)将1)中求得的w±1(A,θ,φ)带入式(2)的快速傅里叶逆变换形式式(3)中计算得到wμm(A,θ)。{wμm(A,θ)|m＝0,1,…,N,-N,…,-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微波网络分析的球面多探头天线测试数据的快速处理方法，其特征在于步骤如下：步骤1：利用一个已知特性的探头分别当其为θ极化和极化时在距离待测天线r0＝3～10λ的空间球面上测量得到待测天线的近场数据w(A,χ1,θ,φ)和w(A,χ2,θ,φ)，并带入式(1)计算得到wμ(A,θ,φ)：wμ(A,θ,φ)=12π∫χ=02πw(A,χ,θ,φ)e-iμχdχ---(1)]]>其中，wμ(A,θ,φ)是w(A,χ,θ,φ)关于χ有限傅里叶序列的展开系数，χ为探头旋转角，A为探头到待测天线的距离，θ为探头相对于待测天线的俯仰角，为探头相对于待测天线的方位角，λ为待测天线的工作波长，μ＝±1；步骤2：将步骤1中求得的wμ(A,θ,φ)带入式(2)，并用快速傅里叶逆变换计算此积分项得到wμm(A,θ)：wμm(A,θ)=12π∫φ=02πwμ(A,θ,φ)e-imφdφ---(2)]]>其中，0≤n≤N，‑n≤m≤n，截断数N≥kr0+10，传播常数r0为能包围待测天线的最小球面的半径；步骤3：将步骤2中对的积分计算结果wμm(A,θ)带入式(3)，用快速傅里叶逆变换计算此积分项得到wμmn(A)=2n+12∫θ=0πwμm(A,θ)dμmn(θ)sinθdθ---(3)]]>其中为旋转系数：dμmn(θ)=iμ-mΣm=-nnΔm′μnΔm′mne-im′θ---(4)]]>式中和为三维常数矩阵，i为虚数单位，‑n≤m′≤n；步骤4：将步骤3中对θ的积分计算结果和近场探头响应常数Psμn(kA)带入式(5)即得到传输方程的传输系数vT1mn和vT2mn：vT1mnP11n(kA)+vT2mnP21n(kA)=w1mn(A)vT1mnP1,-1,n(kA)+vT2mnP2,-1,n(kA)=w-1mn(A)---(5)]]>以m,n,θ为变量构成三维矩阵vT1mn和vT2mn，其中s＝1,2，0≤n≤N，‑n≤m≤n，截断数N≥kr0+10，传播常数r0为能包围待测天线的最小球面的半径，μ＝±1；步骤5：将三维矩阵vT1mn和vT2mn的计算结果和远场探头响应常数代入式(6)得到归一化远场探头信号：W(A,χ,θ,φ)=vΣsmnμTsmneimφdμmn(θ)eiμχPsμn∞(kA)---(6)]]>步骤6：将归一化远场探头信号带入式(7)即得到待测天线远场方向图：K→(θ,φ)=263v(W(A,χ1,θ,φ)θ^+W(A,χ2,θ,φ)φ^)---(7)]]>其中，ν是待测天线的输入信号，为球坐标系下θ方向的单位向量，为球坐标系下φ方向的单位向量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于微波网络分析的球面多探头天线测试数据的快速处理方法，其特征在于步骤如下：步骤1：利用一个已知特性的探头分别当其为θ极化和极化时在距离待测天线r0＝3～10λ的空间球面上测量得到待测天线的近场数据w(A,χ1,θ,φ)和w(A,χ2,θ,φ)，并带入式(1)计算得到wμ(A,θ,φ)：wμ(A,θ,φ)=12π∫χ=02πw(A,χ,θ,φ)e-iμχdχ---(1)]]>其中，wμ(A,θ,φ)是w(A,χ,θ,φ)关于χ有限傅里叶序列的展开系数，χ为探头旋转角，A为探头到待测天线的距离，θ为探头相对于待测天线的俯仰角，为探头相对于待测天线的方位角，λ为待测天线的工作波长，μ＝±1；步骤2：将步骤1中求得的wμ(A,θ,φ)带入式(2)，并用快速傅里叶逆变换计算此积分项得到wμm(A,θ)：wμm(A,θ)=12π∫φ=02πwμ(A,θ,φ)e-imφdφ---(2)]]>其中，0≤n≤N，-n≤m≤n，截断数N≥kr0+10，传播常数r0为能包围待测天线的最小球面的半径；步骤3：将步骤2中对的积分计算结果wμm(A,θ)带入式(3)，用快速傅里叶逆变换计算此积分项得到wμmn(A)=2n+12∫θ=0πwμm(A,θ)dμmn(θ)sinθdθ---(3)]]>其中为旋转系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李南京，郭丽芳，胡楚锋，陈卫军，郭淑霞，郭鹏，潘世洲，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61