[发明专利]一种基于相关法的大天线方向图测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及天线方向图的测量方法，特指一种基于相关法的大天线方向图测量方法。

背景技术

20世纪以来，雷达、通信、天文观测等领域迅猛发展，天线已然成为这些领域的重要基础设备，因此对天线各类参数测量问题备受关注。天线方向图是最为重要和基础的天线参数，其表征天线辐射能量在空间的分布。通过测量天线方向图可以确定天线的方向系数、增益、半功率波束宽度和副瓣电平等重要天线参数。然而，在特定的外场环境下，定期对天线进行调试、维护、检测和标校时，大多数常规方法会影响天线的正常使用且测量难度大，尤其是对安装固定后难以拆卸返回微波暗室重新测量的大型天线。因此，亟需一种高效的大天线方向图测量方法，常见测量方法有：

常规远场法：该方法是利用信标塔或辅助源天线测量待测天线方向图，待测天线在不同方向接收由信标塔或辅助源天线辐射的信号，根据不同角度能量的变化测量方向图。此测量方法是天线方向图测量中最常用的方法。

近场测试法：近场测试法是利用现代测试场的设计能力，根据待测天线口面的近场幅度和相位，通过数据变换确定天线远场电性能的方法。

射电源法：射电源法是以射电源(如太阳、月亮及其他星座)作为信标源来测量天线方向图。主要利用频谱仪测量待测天线主轴不同指向时接收射电源辐射的信号强度。

卫星源法：卫星源法是利用能辐射电磁波的同步轨道静止卫星作为信号源来完成天线方向图的测量。原理与射电源法相同，只是信源选择上有差异。

现有常用测量天线方向图方法，受环境条件、测试器材等因素的限制且会在一定程度上影响天线的正常使用，很难适用于大型单天线方向图测量。常规远场法对测试成本要求高，且对测试场地要求苛刻，此外，测试仪器的性能也是制约该方法精度的主要原因。对于近场测试法，为了避免电磁干扰，大多是在微波暗室里进行，测量过程繁琐、工作量大。尽管发明专利[5]利用了信号的相关性但存在测量成本高、测量过程繁琐等不足。目前射电源法和卫星源法这两种测量方法均是基于能量检测等方式，有天线方向图测量范围受限，并易受信道变化的影响等不足。

发明内容

针对现有常规方法测量天线方向图的不足，本发明提出一种在不影响天线正常使用情况下，仍能测量天线方向图的方法。通过选定合适的观测源、设计合理的接收形式、借助辅助天线，利用观测源信号相关性特性，快速、高效、低成本地获得高精度、宽测量范围的天线方向图。本发明具有对场地要求不高、测试过程简易、工作量小、受信道变化影响小等优势。

本发明针对待测天线可转动(如图1所示)设计了测量天线方向图的接收形式。测量需满足：观测源与待测天线相对运动，观测源相对运动轨迹掠过待测天线方向图主瓣中心；观测源与辅助天线相对静止，辅助天线始终指向观测源；观测源信号具有良好的相关性。

本发明基本原理是电磁波自由空间传播理论。观测源信号通常为平稳过程，例如，导航卫星信号是基于码分多址的扩频通信信号，太阳信号可视为白噪声等，待测天线接收信号的功率表达式为：

式(1)中，p_m为待测天线接收功率，p₀为观测源的等效全向辐射功率，G₀为观测源发射天线的增益，G_m为待测天线的增益，λ为观测源信号波长，为待测天线场强归一化方向性函数，其中θ为方位角，为俯仰角，d为观测源到待测天线的传播距离，L_A为观测源信号到待测天线的大气损耗。

同理，辅助天线接收信号的功率表达式为：

式(2)中，p_r为辅助天线接收功率，G_r为辅助天线的增益，为辅助天线场强归一化方向性函数，d′为观测源到辅助天线的传播距离，L′_A为观测源信号到辅助天线的大气损耗。

式(1)和式(2)可表示为：