《电子技术应用》
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基于近场测试的自参考算法
2019年电子技术应用第8期
杜 艳,杨顺平
中国西南电子技术研究所,四川 成都610036
摘要: 对于集成度高的天线,必须采用一定的算法才能实现对各个通道的幅度和相位信息准确有效的检测,而现有常见的算法(包括近场校准、FFT算法等)都需要获得相位信息,因此需要天线对测试提供参考通道。这与天线高集成度相悖,也对天线的设计,特别是共形天线的设计提出了更高要求。为解决传统算法依赖参考通道提供参考相位的问题,并针对高集成度天线常用的近场扫描测试系统,设计了自参考算法的解决方案并进行验证。试验表明,采用自参考测试算法进行近场测试的测试结果与传统带独立参考通道的近场测量系统测试结果高度吻合。此外,采用自参考测试算法,不需要单独的参考通道,适用于高集成一体化天线的近场测试,对于已装机的天线现场测试排故具有重要意义。
中图分类号: TN98
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190051
中文引用格式: 杜艳,杨顺平. 基于近场测试的自参考算法[J].电子技术应用,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

    随着技术发展,天线的集成度越来越高,很多天线直接将信道集成一起,成为不可以拆离的整体。必须采用一定的算法才能实现对各个通道的幅度和相位信息准确有效的检测,而现有常见的算法(包括近场校准、FFT算法等)都需要获得相位信息[1-6],那么被测天线上就需要预留参考通道,以提供相位参考。这对天线的设计生产提出了额外要求,同时对于已经装机的天线,特别是共形天线[7-14],无法提供对外接口用作相位参考。这使得传统的近场测量方案不再适用,本文中提出一种新的近场算法,用于解决高集成天线无相位参考通道的问题,以实现上述天线的测量。

1 基本理论

    近场测量的理论基础是电磁波传播中的惠更斯-基尔霍夫原理,基本方法是:首先测量一个包围被测天线的近场闭合曲面上切线方向场的分布,然后根据电磁波传播理论推导该天线远场位置场分布,最后推导天线口面场分布。而天线口面场分布就是相控阵单元的幅相特性。

    在笛卡尔坐标系中,如图1所示,将待测天线口径面置于xoy平面上,在z=d1设置一个扫描平面,且扫描平面上的切向场分布为Et(x,y,d1),则天线的远场方向图函数在球坐标系下可以表示为[15-16]

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    由此可知,在近场扫描测试中,对于天线方向图的重构,需要得到采样点的相位才能实现。因此在对于无法参考相位的天线的近场测试中,采用基于自参考的近场算法。

    假设近场探头的扫描曲面为一个平面β,平面足够大,使得AUT辐射的电磁波未穿过扫描平面的部分可以被忽略。测量时信号源发出的信号,在每个测量点进行数据采集时,开关做一次切换,保证测试探头和参考探头都做一次固定时间长度的信号发射,并且开关切换时长固定[17-20]。幅相接收机收到信号后,以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号,并计算幅度相位,再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号,并计算幅度相位。其时序构成如图2所示。

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    设测试探头与被测天线的空间距离为Rn,n=1,2,3,…,N。参考探头与被测天线的空间距离为R0,信号角频率为ω0,信号发射起始时刻为tn,测试信号起始时刻与参考信号起始时刻时间间隔为T1,k为ω0频率下的空间波数,An为测试探头位置为n时测试探头发射到被测天线的幅度信息,Bn为测试探头位置为n时参考探头发射到被测天线的幅度信息,根据图1所示时序,测试探头到达到天线的信号为:

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    由式(6)可以看出,由于ω1和T1为常数,最后得到的幅度相位信息只与测试探头的位置相关,即得到参考相位,从而还原出天线方向图。

2 实验验证

2.1 实验系统搭建

    为了验证本测试方法的正确性,本文进行了一次验证实验,以一个实际天线为例,采用自参考算法近场扫描的方式进行测试,并将测试结果与NSI近场测试系统测得的结果进行比较验证,搭建如图3所示测试系统。

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    以控制器为控制核心,控制近场扫描架对被测天线进行近场测试。扫描架每移动一个位置,控制器将会对幅相接收机、单刀双掷开关进行控制,通过PC记录下在该位置参考探头和测量探头接收到的幅度及相位值。

2.2 实验结果分析

    首先,控制近场扫描架,使测量探头对齐辅助天线(AUT)中心,在该位置下进行静态采样,以验证自参考算法公式(3)的正确性。对PC记录下的3组参考探头和测量探头的测试数据进行分析,每组数据为1 000个,T1分别取100 μs、1 ms和10 ms,将测量探头测试数据与参考探头测试数据相除,得到结果如图4所示。

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    从图4中可知,由于采用时钟存在一定的误差,随着采样间隔的拉长,得到数据的误差会逐渐变大,具体误差结果见表1。

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    将T1设定为100 μs,把测试得到数据带入自参考近场算法进行处理,得到天线的远场三维方向图如图5所示。

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    将采用NSI近场测试系统得到的远场二维方向图与采用自参考算法得到的远场二维方向图进行比较,其比较结果如图6所示。

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    由测试结果可以看出,自参考测试算法与NSI近场测试系统的测试结果有较高的重合度,其具体误差比较如表2所示。

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3 结论

    本文中的自参考近场算法解决了传统近场测量中需要独立参考通道的问题,因为无需额外参考通道,使得测试设备和被测设备可以完全独立设计,因此本算法可以应用于常规天线、含有变频通道的天线和数字化天线的近场测量领域,且特别适用于设备的现场检测应用。

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作者信息:

杜  艳,杨顺平

(中国西南电子技术研究所,四川 成都610036)