一种用于天线环境效应参数测试的幅相校准方法

技术领域

本发明属于天线环境效应参数测试领域，具体涉及一种用于天线环境效应参数测试的幅相校准方法。

背景技术

天线应用场景越来越复杂，温湿度环境的变化对天线辐射、接收性能的影响已经不容忽视。不同温度、湿度环境条件下天线性能指标测量已经成为雷达、通信等领域关注的重点。

目前国内外均已有具备温度精确可控功能的天线环境效应参数测试系统，其中一种实现方法是采用低介电透波材料设计透波保温罩，在保温罩内构建局部温度可控的测试空间，在该空间内放置被测天线，实现天线环境效应参数测试。但是在该类测试系统工作时，收发天线传输路径上的低介电透波材料在不同温度、不同频率下呈现不同的电磁波衰减特性，另外测试系统保温罩内的测试电缆、转接器等部件同样存在该问题。保温罩、测试电缆、转接器等在不同温度环境状态下的性能差异会导致天线环境效应参数测试误差，为提升测试准确度，有必要针对采用保温罩方案的天线环境效应参数测试设备，进行系统级电磁波信号的幅度相位校准补偿。

现有技术中，基于透波保温罩的天线环境效应参数测试设备典型组成如图1所示，包括环境控制设备与透波保温罩，通过环境控制设备产生温度湿度可控的气体，并在透波保温罩形成的局部空间内循环流动，从而为工作于该局部空间的被测天线提供温度湿度可变可控的测试环境。透波保温罩、电缆、转接器等部件在不同温湿度环境状态下的电磁波传输特性不同，存在一定的幅相差异，为补偿该传输信号幅相差异导致的天线环境效应参数测试误差，现有的幅相误差测试校准处理流程如下：(1)拿掉透波保温罩，收发天线对准，测试扫频传输信号幅相信号；(2)保持天线对准，安装透波保温罩，测试扫频传输信号幅相信号；(3)两组数据矢量相减，作为保温罩插损补偿因子校准保温罩影响；(4)保持天线对准，安装透波保温罩，设置不同温度湿度，测试扫频传输信号幅相信号并存储；(5)计算不同温度湿度下的传输信号幅相差异，作为环境补偿因子校准环境变化对测试设备的影响；(6)换装被测天线，设置不同温度湿度，测试扫频传输信号幅相信号并存储，带入校准因子修正数据，完成误差修正处理。但是上述现有幅相校准技术方法，只能在收发天线固定位置进行校准数据采集，如图2所示，当测试探头由位置1移动到其他实际采样位置x时，位置x对应的校准数据缺失，不能覆盖保温罩的实际工作区域，测试信息不全面。另外，由于保温罩介电常数等电磁参数的影响，其与空气接触的内壁外壁，均会存在电磁波反射现象，多次多个反射电磁波最终与实际需要的单次直达电磁波叠加，进一步引入幅相误差，而现有的幅相误差测试校准处理方法未考虑该误差项，存在校准不完善的缺点。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于天线环境效应参数测试的幅相校准方法，通过在不同温湿度、不同频率、不同位置角度的多维数据采集，以及数据处理方法实现系统幅相校准，提升校准效率与精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于天线环境效应参数测试的幅相校准方法，所述幅相校准方法包括：

步骤一：获取没有保温罩时，包含位置、频率两个变量以及包含温度、湿度两个定量的空间传输矢量数据矩阵S1；并获取有保温罩时，包含位置、频率、温度、湿度四个变量的空间传输矢量数据矩阵S2；根据空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2两组多维矢量数据，完成透波罩插损补偿因子、环境影响补偿因子的获取，并对测试数据进行初始校准；

步骤二：对初始校准后数据做模式域滤波处理，消除天线罩反射误差的影响，完成天线环境效应参数测试数据的幅相校准。

进一步地，步骤一中，空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2的获取方法为：

(1)控制测试校准场所内的温度、湿度，保证温度变换范围在±1℃内，湿度变化范围在±4％RH内；

(2)移除透波保温罩，通过射频电缆连接标准校准天线和微波毫米波幅相测试设备，并用通过射频电缆连接微波毫米波幅相测试设备和测试探头；调整所述标准校准天线和所述测试探头的位置和极化角旋向，使两者极化方向一致，同为水平极化或垂直极化；

(3)设置所述微波毫米波幅相测试设备的参数信息；

将测试探头固定设置在机械设备的末端，所述机械设备用于带动测试探头在球面采样轨迹上运动，所述球面采样轨迹以标准校准天线为圆心；设置所述机械设备的运动参数、打开环境控制设备的温度湿度传感器，等待测试；

(4)控制机械设备运动，使标准校准天线、测试探头之间形成球面采样轨迹；在球面采样轨迹上的每个采样位置，控制微波毫米波幅相测试设备完成系列不同频率点的幅度相位数据采集并存储，同步记录环境控制设备的温度湿度传感器测量的温度、湿度信息；

(5)完成对整个球面采样轨迹上的每个采样位置的数据采集，获取没有保温罩时，包含位置、频率两个变量以及包含温度、湿度两个定量的空间传输矢量数据矩阵S1；

(6)保持设备连接状态不变、保持微波毫米波幅相测试设备的参数信息不变、且保持机械设备的运动参数不变，安装固定透波保温罩；

(7)以无保温罩测试时温度、湿度为基准，以天线环境效应参数测试设备工作温度范围及工作湿度范围为边界，以1℃、4％RH为正负向步进值，通过环境控制设备依次设置保温罩内温度湿度参数组合，保温罩内温度湿度稳定后，依据无保温罩时幅度相位数据采集流程，重复步骤(3)-(5)，完成有保温罩状态下包含位置、频率、温度、湿度四个变量的空间传输矢量数据矩阵S2。

进一步地，步骤一中，根据空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2两组多维矢量数据，完成透波罩插损补偿因子、环境影响补偿因子的获取，并对测试数据进行初始校准；具体为：

将据空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2两组多维矢量数据作为基础幅相校准数据，提取透波罩插损补偿因子S

透波罩插损补偿因子S

S

环境影响补偿因子S

S

被测天线在不同温度、不同湿度、不同频率状态下实测电磁参数测试数据表示为：

S

对测试数据进行初始校准补偿处理后，有效数据表示为：

S

进一步地，步骤二具体为：

S

依据球面波模式理论，将

其中，(γ,θ,φ)为球坐标三个分量；N为天线场展开式中最高阶模的阶数，

依据被测天线物理尺寸，选取最小R，仅使待测天线被包围在半径R的球面中，杂波和噪声在半径R所在的球面外，计算对应N值，通过模式滤波消除保温罩多次反射导致的叠加噪声，设计滤波函数为：

依据如下数据处理公式：

本发明的有益技术效果：

本发明提供的幅相校准方法最终获得的校准数据覆盖了保温罩的实际工作区域，测试信息更全面，校准更完善，结果更准确。

本发明幅相校准方法考虑了保温罩内壁外壁电磁波反射现象，并将多次多个反射电磁波干扰信号作为误差项，通过信号处理算法进行消除，进一步提升校准效果。

附图说明

图1为现有技术中基于透波保温罩的天线环境效应参数测试设备典型组成框图。

图2为现有技术中基于透波保温罩的天线环境效应参数测试幅相误差分析图；

图3为本发明实施例中天线环境效应参数测试幅相校准方法原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

在本发明中采用的用于天线环境效应参数测试的幅相校准装置如图3所示，包括天线环境效应参数测试设备以及机械设备6；其中，采用的天线环境效应参数测试设备为常规设备，所述天线环境效应参数测试设备包括标准校准天线1、测试探头2、微波毫米波幅相测试设备3、环境控制设备4以及透波保温罩5；其中，微波毫米波幅相测试设备3通过射频电缆和标准校准天线1及测试探头2连接；机械设备6和测试探头2连接，通过控制机械设备6的带动测试探头在球面采样轨迹上运动，所述球面采样轨迹以标准校准天线为圆心，所述球面采样轨迹的半径应大于透波保温罩的外径，具体数值依据被测天线尺寸和工作频率设定；使标准校准天线1、测试探头2之间形成如图3所示的球面运动轨迹。

所述机械设备6包括L形φ轴旋转机构、T形θ轴旋转机构、极化轴旋转机构；L形φ轴旋转机构包括L型支架和360°旋转转台，L型支架放置在转台上面，通过转台旋转实现L型支架的φ轴旋转；所述T形旋转机构包括T型支架和180°旋转转台，T型支架由水平横杆和竖直短杆组成，水平横杆可沿竖直短杆上下移动，实现球面扫描半径大小的调节，竖直短杆一端固定在180°旋转转台上，通过转台旋转实现T型支架的θ轴旋转；极化轴旋转机构安装在T型支架水平横杆的末端，极化轴旋转机构用于连接安装测试探头，实现测试探头极化角的调整。

本发明提供的方法充分利用了天线环境效应参数测试设备，通过测试流程与数据处理方法的创新，提升校准测试效率与准确度。

本发明提供一种用于天线环境效应参数测试的幅相校准方法实施例，所述幅相校准方法包括：

步骤一：获取没有保温罩时，包含位置、频率两个变量以及包含温度、湿度两个定量的空间传输矢量数据矩阵S1；并获取有保温罩时，包含位置、频率、温度、湿度四个变量的空间传输矢量数据矩阵S2；根据空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2两组多维矢量数据，完成透波罩插损补偿因子、环境影响补偿因子的获取，并对测试数据进行初始校准；

步骤二：对初始校准后数据做模式域滤波处理，消除天线罩反射误差的影响，完成天线环境效应参数测试数据的幅相校准。

在本实施例步骤一中，空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2的获取方法为：

(1)控制测试校准场所内的温度、湿度，保证温度变换范围在±1℃内，湿度变化范围在±4％RH内；具体地，所述测试校准场所是指进行天线环境效应参数测试时设备所处的房间或其他用于进行测试校准的基空间；

(2)移除透波保温罩，通过射频电缆连接标准校准天线和微波毫米波幅相测试设备，并用通过射频电缆连接微波毫米波幅相测试设备和测试探头；调整所述标准校准天线和所述测试探头的位置和极化角旋向，使两者极化方向一致，同为水平极化或垂直极化；

(3)设置所述微波毫米波幅相测试设幅度、相位测量参数信息，所述参数信息包括功率、频率、中频带宽和测量参数；所述测量参数包括幅度测量参数、相位测量参数；

将测试探头固定设置在机械设备的末端，所述机械设备用于带动测试探头在球面采样轨迹上运动，所述球面采样轨迹以标准校准天线为圆心；设置所述机械设备的运动参数、打开环境控制设备的温度湿度传感器，等待测试；

其中，以标准校准天线为坐标原点，构成球坐标，测试探头和坐标原点之间的距离为r，所述球坐标的X,Y轴位于标准校准天线所在的水平面；坐标原点和测试探头的连线和Z轴之间的角度为θ，坐标原点和测试探头的连线在XY平面的投影线和X轴之间的角度为φ；

所述机械设备的运动参数包括测试探头对应的角度θ和角度φ范围、角度步进间隔、机械设备移动速度；

(4)控制机械设备运动，使标准校准天线、测试探头之间形成球面采样轨迹；在球面采样轨迹上的每个采样位置，控制微波毫米波幅相测试设备完成系列不同频率点的幅度相位数据采集并存储，同步记录环境控制设备的温度湿度传感器测量的温度、湿度信息；

(5)完成对整个球面采样轨迹上的每个采样位置的数据采集，获取没有保温罩时，包含位置、频率两个变量以及包含温度、湿度两个定量的空间传输矢量数据矩阵S1；

(6)保持设备连接状态不变、保持微波毫米波幅相测试设备的参数信息不变(即功率、频率、中频带宽、测量参数等信息设置不变)、且保持机械设备的运动参数(即测试探头对应的角度θ和角度φ范围、角度步进间隔、机械设备移动速度)不变，安装固定透波保温罩；

(7)以无保温罩测试时温度、湿度为基准，以天线环境效应参数测试设备工作温度范围及工作湿度范围为边界，以1℃、4％RH为正负向步进值，通过环境控制设备依次设置保温罩内温度湿度参数组合，保温罩内温度湿度稳定后，依据无保温罩时幅度相位数据采集流程，重复步骤(3)-(5)，完成有保温罩状态下包含位置、频率、温度、湿度四个变量的空间传输矢量数据矩阵S2。

在本实施例步骤一中，根据空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2两组多维矢量数据，完成透波罩插损补偿因子、环境影响补偿因子的获取，并对测试数据进行初始校准；具体为：

将据空间传输矢量数据矩阵S1和空间传输矢量数据矩阵S2两组多维矢量数据作为基础幅相校准数据，提取透波罩插损补偿因子S

透波罩插损补偿因子S

S

环境影响补偿因子S

S

被测天线在不同温度、不同湿度、不同频率状态下实测电磁参数测试数据表示为：

S

对测试数据进行初始校准补偿处理后，有效数据表示为：

S

在本实施例中，步骤二具体为：

S

依据球面波模式理论，将

其中，(γ,θ,φ)为球坐标三个分量；N为天线场展开式中最高阶模的阶数，

依据被测天线物理尺寸，选取最小R，仅使待测天线被包围在半径R的球面中，杂波和噪声在半径R所在的球面外，计算对应N值，通过模式滤波消除保温罩多次反射导致的叠加噪声，设计滤波函数为：

依据如下数据处理公式：

本发明提供的幅相校准方法通过对标准校准天线有、无保温透波罩下的两组多维矢量数据测量，获取基础校准数据；通过对基础校准数据的矢量运算，得到透波罩插损补偿因子S

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。