《電子技術應用》
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基于近場測試的自參考算法
2019年電子技術應用第8期
杜 豔,楊順平
中國西南電子技術研究所,四川 成都610036
摘要: 對于集成度高的天線,必須采用一定的算法才能實現對各個通道的幅度和相位信息準确有效的檢測,而現有常見的算法(包括近場校準、FFT算法等)都需要獲得相位信息,因此需要天線對測試提供參考通道。這與天線高集成度相悖,也對天線的設計,特别是共形天線的設計提出了更高要求。為解決傳統算法依賴參考通道提供參考相位的問題,并針對高集成度天線常用的近場掃描測試系統,設計了自參考算法的解決方案并進行驗證。試驗表明,采用自參考測試算法進行近場測試的測試結果與傳統帶獨立參考通道的近場測量系統測試結果高度吻合。此外,采用自參考測試算法,不需要單獨的參考通道,适用于高集成一體化天線的近場測試,對于已裝機的天線現場測試排故具有重要意義。
中圖分類号: TN98
文獻标識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190051
中文引用格式: 杜豔,楊順平. 基于近場測試的自參考算法[J].電子技術應用,2019,45(8):91-94,98.
英文引用格式: Du Yan,Yang Shunping. Self-reference method of near-field measurement[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(8):91-94,98.
Self-reference method of near-field measurement
Du Yan,Yang Shunping
Southwest China Insitute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China
Abstract: For high integrated antenna, certain method must be adopted achieve accurate and effective detection of amplitude and phase information of array. However, traditional method (including near-field calibration, FFT, etc.) all need to obtain phase information, so the antenna needs to provide reference channel for testing. This is contrary to the high integration of antenna, and also puts forward higher requirements for antenna designation, especially for the conformal antenna. In order to solve the problem that the traditional method relies on the parameter channel to provide reference phase, a self-reference method is designed for the near-field measurement, a test troubleshooting scenatio commonly used by high integrated antennas. The test results show that the results of the near-field test using the self-reference method are highly consistent with the test results of the traditional near-field measurement system with independent reference channel. In addition, self-reference method, which does not need a separate reference channel, is suitable for the near-field test of highly integrated antenna, which is of great significance for the field test arrangement of installed antenna.
Key words : self-reference method;near-field measurement;high-density;phased array

0 引言

    随着技術發展,天線的集成度越來越高,很多天線直接将信道集成一起,成為不可以拆離的整體。必須采用一定的算法才能實現對各個通道的幅度和相位信息準确有效的檢測,而現有常見的算法(包括近場校準、FFT算法等)都需要獲得相位信息[1-6],那麼被測天線上就需要預留參考通道,以提供相位參考。這對天線的設計生産提出了額外要求,同時對于已經裝機的天線,特别是共形天線[7-14],無法提供對外接口用作相位參考。這使得傳統的近場測量方案不再适用,本文中提出一種新的近場算法,用于解決高集成天線無相位參考通道的問題,以實現上述天線的測量。

1 基本理論

    近場測量的理論基礎是電磁波傳播中的惠更斯-基爾霍夫原理,基本方法是:首先測量一個包圍被測天線的近場閉合曲面上切線方向場的分布,然後根據電磁波傳播理論推導該天線遠場位置場分布,最後推導天線口面場分布。而天線口面場分布就是相控陣單元的幅相特性。

    在笛卡爾坐标系中,如圖1所示,将待測天線口徑面置于xoy平面上,在z=d1設置一個掃描平面,且掃描平面上的切向場分布為Et(x,y,d1),則天線的遠場方向圖函數在球坐标系下可以表示為[15-16]

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    由此可知,在近場掃描測試中,對于天線方向圖的重構,需要得到采樣點的相位才能實現。因此在對于無法參考相位的天線的近場測試中,采用基于自參考的近場算法。

    假設近場探頭的掃描曲面為一個平面β,平面足夠大,使得AUT輻射的電磁波未穿過掃描平面的部分可以被忽略。測量時信号源發出的信号,在每個測量點進行數據采集時,開關做一次切換,保證測試探頭和參考探頭都做一次固定時間長度的信号發射,并且開關切換時長固定[17-20]。幅相接收機收到信号後,以固定時間長度提取測量探頭發射的經過AUT接收後收到的信号,并計算幅度相位,再以固定的時間間隔和固定的時間長度提取參考探頭發射的經過AUT接收後收到的信号,并計算幅度相位。其時序構成如圖2所示。

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    設測試探頭與被測天線的空間距離為Rn,n=1,2,3,…,N。參考探頭與被測天線的空間距離為R0,信号角頻率為ω0,信号發射起始時刻為tn,測試信号起始時刻與參考信号起始時刻時間間隔為T1,k為ω0頻率下的空間波數,An為測試探頭位置為n時測試探頭發射到被測天線的幅度信息,Bn為測試探頭位置為n時參考探頭發射到被測天線的幅度信息,根據圖1所示時序,測試探頭到達到天線的信号為:

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    由式(6)可以看出,由于ω1和T1為常數,最後得到的幅度相位信息隻與測試探頭的位置相關,即得到參考相位,從而還原出天線方向圖。

2 實驗驗證

2.1 實驗系統搭建

    為了驗證本測試方法的正确性,本文進行了一次驗證實驗,以一個實際天線為例,采用自參考算法近場掃描的方式進行測試,并将測試結果與NSI近場測試系統測得的結果進行比較驗證,搭建如圖3所示測試系統。

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    以控制器為控制核心,控制近場掃描架對被測天線進行近場測試。掃描架每移動一個位置,控制器将會對幅相接收機、單刀雙擲開關進行控制,通過PC記錄下在該位置參考探頭和測量探頭接收到的幅度及相位值。

2.2 實驗結果分析

    首先,控制近場掃描架,使測量探頭對齊輔助天線(AUT)中心,在該位置下進行靜态采樣,以驗證自參考算法公式(3)的正确性。對PC記錄下的3組參考探頭和測量探頭的測試數據進行分析,每組數據為1 000個,T1分别取100 μs、1 ms和10 ms,将測量探頭測試數據與參考探頭測試數據相除,得到結果如圖4所示。

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    從圖4中可知,由于采用時鐘存在一定的誤差,随着采樣間隔的拉長,得到數據的誤差會逐漸變大,具體誤差結果見表1。

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    将T1設定為100 μs,把測試得到數據帶入自參考近場算法進行處理,得到天線的遠場三維方向圖如圖5所示。

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    将采用NSI近場測試系統得到的遠場二維方向圖與采用自參考算法得到的遠場二維方向圖進行比較,其比較結果如圖6所示。

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    由測試結果可以看出,自參考測試算法與NSI近場測試系統的測試結果有較高的重合度,其具體誤差比較如表2所示。

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3 結論

    本文中的自參考近場算法解決了傳統近場測量中需要獨立參考通道的問題,因為無需額外參考通道,使得測試設備和被測設備可以完全獨立設計,因此本算法可以應用于常規天線、含有變頻通道的天線和數字化天線的近場測量領域,且特别适用于設備的現場檢測應用。

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作者信息:

杜  豔,楊順平

(中國西南電子技術研究所,四川 成都610036)