[发明专利]近场测量天线远区场特性快速计算方法

说明书

技术领域

本发明属于天线近场测量快速计算技术，主要是针对无源天线或有源相控阵天线基于近场测量数据获取远场方向图的近远场变换技术。 

背景技术

现代相控体制雷达天线主要技术指标通常在微波暗室通过平面近场扫描测量获得，可以避免远场测量中开放场地需求及复杂电磁环境对测量精度的影响，尤其适合具有低副瓣、超低副瓣等特殊性能天线的测试。 

平面近场测试主要依据为平面波谱展开理论，即无源区域任何单频电磁波可以表示为沿不同方向传播的一系列平面电磁波叠加，只要已知参与叠加的各个平面波的复振幅，就可以完全确定场的特性。 

平面近场测量通常做法是用一个辐射特性已知的开口波导探头进行极化相互正交（水平极化、垂直极化）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（Fourier Transform）确定谱函数，最后利用驻相法计算得到天线远区场特性。由于探头通常具有一定方向性，探头测试值是待测天线辐射场在探头接收平面上的加权平均，还需经过探头修正考虑探头本身特性的影响。 

近场扫描平面一般距待测天线口面3～5λ，此时可认为平面波谱在k域是带限的，只要平面栅格取样间距满足奈奎斯特(Nyquist)定理，近场扫描采样后得到的离散场分布能够代表所有场信息。此外，平面近场扫描范围设置只需覆盖主波束附近能量，-40db以下能量对远场贡献几乎可以忽略。因此可近似认为场在空域也是范围限定的，因此在谱域也可以进行采样处理。基于以上方法，空域及谱域均为离散采样信号，可利用二维快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)进行波谱的快速计算。远场方向图其它感兴趣的方位、俯仰(Az,El)方向上的波谱值可通过插值获得，省去传统方法中计算二重积分这种较耗时的处理过程。 

探头方向图可以通过预先校准获取，本专利提出的方法是直接在电磁仿真软件中对开口波导建模，仿真结束后导出对应各个测试频点的三维远场数据，可以在近远场快速计算中直接导入，节省时间。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种天线近场测量获取远区三维场特性的快速计算方法。 

实现本发明的解决方案是：探头在扫描平面内按照设定的扫描范围及间距（）进行两次正交采样，得到两个场分量的复振幅信息。为二维矩阵，分别进行二维快速傅里叶逆变换（点数应取2的整数倍，点数不够可以补零扩充）得到对应的波谱分量。然后根据方位角、俯仰角的取值（）计算与其对应的坐标（），并在K域对进行二维样条插值，之后利用驻相法计算远区场分量（分量）。探头的远区场分量通过电磁仿真软件导出，利用该结果进行探头修正最终得到经过补偿后的真实的待测天线远区场特性，并绘制三维方向图。整个流程见图4。 

本技术方法的关键设计点是：直接对傅里叶变换得到的波谱进行二维样条插值，得到方位、俯仰目标方向上的波谱未知值。具体的工作流程： 

首先寻找波谱取样值与自变量（）离散值对应关系，空域的采样对应谱域的周期延拓，延拓周期取决于空域的采样间隔，采样间隔对应谱域波谱界限，。快速傅里叶变换方法同样在谱域做采样处理，采样点数必须大于空域采样点数，并且为2的整数次幂。采样点数一旦选定，在波谱界限范围内对（）做等间隔离散化就可以得到（）。

其次，按照坐标变换公式将方位、俯仰坐标转化为对应的kx、ky坐标，并用二维插值方法确定未知波谱值。插值精度取决于傅里叶变换点数，只要点数取足够大，就能保证插值后波谱精度。 

本发明中的快速计算方法用Matlab语言编程并提供GUI界面，目前已应用于相控阵产品测试。 

本发明与现有技术相比，其显著优点为： 1.开口波导三维场特性通过仿真软件仿真得到，不需要实际测试；2.利用二维傅里叶变换及二维插值快速计算目标方向上波谱，不需要计算二重积分；3.可以直接计算直角坐标、方位俯仰球坐标、theta/phi球坐标系下三维场特性，只需要进行坐标变换。4.可以对三维方向图任意面切割，得到二维方向图。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

附图说明

图1(a)水平极化开口波导立体方向，图1(b)垂直极化开口波导立体方向图 

图2二维傅里叶逆变换计算的波谱分量A_y分布图(等高线) 

图3.经过探头修正后计算得到的天线(8×80阵列)三维方向图 

图4.近场测试快速计算天线远区三维场特性流程图 

具体实施方式