一种喇叭天线方向图校准系统和方法

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地，涉及一种喇叭天线方向图校准系统和方法。

背景技术

IEEE Std 149标准规定了天线方向图校准方法，天线校准在微波暗室中进行，将发射天线与接收天线正对且共轴架设在天线支架上，发射天线与接收天线之间的距离为d，d满足远场条件。调节待测喇叭天线相位中心与转台中心重合，

对于75GHz～110GHz喇叭天线采用IEEE Std 149标准测量幅度方向图，存在着以下不足：

1、每次待测喇叭天线方向图时，都需要找到天线在该频点下的相位中心，并将相位中心与转台的转轴中心重合，一般情况下需要反复移动多次才能找到相位中心的位置，因此耗时非常长。

2、待测喇叭天线在每个测试频率点下的相位中心并不相同，因此每一个测试频率点下测量幅度方向图时，均需要在每个测试频率点下，重复查找相位中心的操作，过程非常繁琐复杂且耗时长，如果对于测试频率点特别多的方向图测试，效率则比较低。

3、75GHz～110GHz远场测量方向图，发射天线与接收天线之间距离远，75GHz～110GHz频段单位距离下信号衰减大，导致测量信号偏小，另外频率高的喇叭天线主波束比较窄，这就要求收发天线严格对准，由于喇叭尺寸较小，远距离对准困难，这些因素都将造成天线方向图测量不确定度增大。

发明内容

为解决上述问题之一，本发明的第一个实施例提供一种喇叭天线方向图校准系统，包括：扫描探头、矩形扫描平面、待测喇叭天线、矢量网络分析仪、扩频模块、控制计算机和光学平台，其中，扫描探头与待测喇叭天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设在天线架上，所述天线架架设在光学平台上；光学平台，用于保证测量仪器的平整度，使得发出的电磁波信号往指定的方向；

矩形扫描平面，用于接收待测喇叭天线发射的电磁波信号；

控制计算机，用于控制架设扫描探头的扫描架，使扫描探头沿平行于所述光学平台表面的第一方向和与第一方向垂直的第二方向以预定值的步进，做“弓”字形运动扫描矩形扫描平面上的每个栅格点上的电磁波信号；

扩频模块，用于对扫描探头扫描到的电磁波信号扩频；

矢量网络分析仪，用于接收经过所述扩频模块的电磁波信号，并测量矩形扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录；

所述控制计算机将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测喇叭天线远场方向图。

在一个具体实施例中，所述预定值为待测喇叭天线发射电磁波信号波长的1/2。

在一个具体实施例中，所述控制计算机运行天线方向图测量控制程序控制架设扫描探头的扫描架。

在一个具体实施例中，所述控制计算机采用FFT变换以及探头补偿算法实现将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测喇叭天线远场方向图。

本发明的第二个实施例提供一种喇叭天线方向图校准方法，包括：

S10、将扫描探头与待测喇叭天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设在天线架上，所述天线架架设在光学平台上；

S20、矩形扫描平面接收待测喇叭天线发射的电磁波信号；

S30、控制计算机控制架设扫描探头的扫描架使扫描探头沿平行于所述光学平台表面的第一方向和与第一方向垂直的第二方向以预定值的步进，做“弓”字形运动扫描矩形扫描平面上的每个栅格点上的电磁波信号；

S40、扩频模块对扫描探头扫描到的电磁波信号扩频；

S50、矢量网络分析仪接收经过所述扩频模块的电磁波信号，并测量矩形扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录；

S60、控制计算机将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测喇叭天线远场方向图。

在一个具体实施例中，所述预定值为待测喇叭天线发射电磁波信号波长的1/2。在一个具体实施例中，所述控制计算机运行天线方向图测量控制程序控制架设扫描探头的扫描架。

在一个具体实施例中，所述控制计算机采用FFT变换以及探头补偿算法实现将所述测量的值和对应的位置坐标转换为待测喇叭天线远场方向图。

本发明的第三个实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如第二个实施例所述的方法。

本发明的第四个实施例提供一种计算设备，包括处理器，其特征在于，所述处理器执行程序时实现如第二个实施例所述的方法。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例提供的喇叭天线方向图校准系统和方法能够快速、准确的进行天线方向图校准，可满足天线的计量保障需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本发明一个实施例的一种喇叭天线方向图校准系统示意图。

图2示出根据本发明一个实施例的一种喇叭天线方向图校准系方法流程图。

图3示出根据本发明一个实施例的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本方案原理是增加接收天线架的X，Y方向的自由度，使得架设在接收天线架上的扫描探头实现X，Y方向的扫描，待测喇叭天线架设在发射天线支架上，在距离待测喇叭天线5λ且平行待测喇叭天线口面的平面近场矩形区域范围内，使用扫描探头以λ/2为扫描步进采集测试点的幅度相位信息，通过算法计算出远场方向图。

图1示出根据本发明一个实施例的一种喇叭天线方向图校准系统示意图，该系统包括：扫描探头、矩形扫描平面、待测喇叭天线、矢量网络分析仪、扩频模块、控制计算机和光学平台，按图1所示布置，连接待测喇叭天线的线缆为端口1，连接扫描探头的线缆为端口2，矢量网络分析仪打开预热后，将频率范围调节至试验频率范围，在端口1、2进行校准；连接仪器设备、待测喇叭天线以及扫描探头，将矢量网络分析仪设置到S21参数测量；

扫描探头与待测喇叭天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设在天线架上，所述天线架架设在光学平台上。

一个优选示例中，扫描探头与待测喇叭天线之间的距离为待测喇叭天线的近场且探头与待测喇叭天线之间耦合影响可控，例如5λ，4λ，λ为发射电磁波信号波长。

光学平台，用于保证测量仪器的平整度，使得发出的电磁波信号往指定的方向；光学平台在光学方面应用比较广泛，因为为了保证光路的准确，常常所有的光学仪器放在光学平台上，有找平和防震以免影响光传播路径。而频率高的电磁波如太赫兹频率的电磁波，也具有一定的光学特性，因此将光学平台应用到电磁波方面。

矩形扫描平面，用于接收待测喇叭天线发射的电磁波信号；

控制计算机，用于控制架设扫描探头的扫描架，使扫描探头沿平行于所述光学平台表面的第一方向和与第一方向垂直的第二方向以一定值的步进，做“弓”字形运动扫描矩形扫描平面上的每个栅格点上的电磁波信号。

一个示例中，所述控制计算机运行天线方向图测量控制程序控制架设扫描探头的扫描架。

扩频模块，用于对扫描探头扫描到的电磁波信号扩频。

扩频模块是用于将电磁波信号扩频，一般信号源发出的电磁波信号最高频率50G左右，如果要发出或接收太赫兹频率的信号，就需要扩频模块进行将频率扩展。

矢量网络分析仪，用于接收经过所述扩频模块的电磁波信号，并测量矩形扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录。

所述控制计算机将所述测量的值和对应的位置坐标(待测喇叭天线近场扫描面的信息)转换为待测喇叭天线远场方向图。

一个优选示例中，所述控制计算机采用FFT变换以及探头补偿算法实现将所述测量的值和对应的位置坐标(待测喇叭天线近场扫描面的信息)转换为待测喇叭天线远场方向图。

按如图2所示的一种喇叭天线方向图校准方法进行校准，方法步骤包括：

S10、将扫描探头与待测喇叭天线同时在水平极化条件下正对且共轴架设在天线架上，所述天线架架设在光学平台上；

一个示例中，使扫描探头与待测喇叭天线之间的距离为待测喇叭天线的近场且探头与待测喇叭天线之间耦合影响可控，例如5λ，4λ，λ为发射电磁波信号波长。

S20、矩形扫描平面接收待测喇叭天线发射的电磁波信号；

S30、控制计算机控制架设扫描探头的扫描架使扫描探头沿平行于所述光学平台表面的第一方向和与第一方向垂直的第二方向以一定值的步进，做“弓”字形运动扫描矩形扫描平面上的每个栅格点上的电磁波信号；

一个示例中，所述控制计算机运行天线方向图测量控制程序控制架设扫描探头的扫描架。

一个示例中，以λ/2的步进，做“弓”字形运动，步进值的选择，一般是波长的一半，或比波长的一半小，步进越小测试时间越长，所以一般就选择波长的一半，λ为发射电磁波信号波长。

S40、扩频模块对扫描探头扫描到的电磁波信号扩频；

S50、矢量网络分析仪接收经过所述扩频模块的电磁波信号，并测量矩形扫描平面上待测频率点的幅度和相位的值，并将测量的值和对应的位置坐标记录；

S60、控制计算机将所述测量的值和对应的位置坐标(待测喇叭天线近场扫描面的信息)转换为待测喇叭天线远场方向图。

利用FFT变换以及探头补偿算法实现近场扫描面的信息到远场方向图的转换。

FFT变换以及探头补偿算法如下：

1)探头扫描面采样

距离待测喇叭天线5λ的一个扫描面，Δx和Δy表示取样间隔，Δx和Δy的选择将直接和平面波谱函数空间相联系，假设在平面波谱函数k空间中，k

在k空间中我们选择波谱取样间隔为Δk

令x方向和y方向的取样点数分别为M和N，则有如下的几何关系：

2x

(3)

通过选取(x，y)和(k

2)有限带宽谱函数傅氏FFT变换

假设f(x)是谱宽为2ω

即在|ω|≤ω

3)二维傅氏变换

要完成近远场变换，一个很重要的问题就是关于上述积分的计算，由于f的空间谱宽有限，所以积分F可以用二重求和代替，再考虑到扫描面尺寸截断有限，所以有

上式成立的条件为当

令

其中，(i,l)与

代入(8)，可得

4)矩形波导探头补偿算法：

矩形波导探头补偿算法采用E面电场法，就是在已知探头E面方向图函数，对其积分即可得到探头H面方向图函数，E面电场法具体公式为：

上式中，

此处E

此外，在E面电场法中，探头的E面方向图函数为:

在上式中，λ是波长，θ是

根据平面波展开法以及洛伦兹互易原理(推导过程省略)，可以得出：

F1和F2即1中I(k

将公式(10)(14)、(15)代入(16)中，再将(16)代入(17)，可计算出待测喇叭天线方向图。

本发明实施例提供的一种喇叭天线方向图校准系统和方法能够快速、准确的进行天线方向图校准，可满足天线的计量保障需求。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例的一种喇叭天线方向图校准系方法。

在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

如图3所示，本发明的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图3显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图3所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。

总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。

计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图3未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图3中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。

计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图3所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图3中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理器单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例一种喇叭天线方向图校准系方法。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。