[发明专利]一种基于可转动辅助天线的大型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，特指一种基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法。

背景技术

无线电相关领域近几年迅速发展，如雷达、通信、天文观测领域等，天线在无线电相关领域有着至关重要的地位，是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。其中尤为关键的是对天线方向图测量，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，对一些大型且无法机动的天线而言，定期进行调试、维护、检测和标校是极为困难，尤其是对安装固定后无法在微波暗室测量的大型天线。因此，亟需一种针对无法转动的大型天线方向图测量方法。通常，针对这种无法转动的大型天线方向图的常见测量方法可分为两种：

基于能量法测量天线方向图的方法：常规远场法，射电源法与卫星法。

基于信号形式测量天线方向图的方法：发明专利——有源天线方向图测试系统和方法，申请号：201280002997.3，提供了一种有源天线方向图测试系统和方法，利用数模转换器及模数转换器，将基准信号与测试信号进行相关运算，提取基准信号的幅度相位变化量，进而测量获得天线方向图。发明专利——采用全息法测量天线面精度的方法，申请号：201110130024.5，，主要是利用待测天线和辅助天线，计算信号源信号和参考信号各自在两天线间的互相关相位差，并将信号源信号与参考信号的互相关相位差进行差分，并进行二维傅里叶变化获得天线面精度分布，进而获得天线方向图。

现有对无法转动的大型天线测量方法，其测量效果易受测量环境，测量器材性能等因素的影响。基于能量法测量天线方向图等方法测试成本较高，且对测试场地要求苛刻，测试仪器的性能也是制约该方法精度的主要原因。对于射电源法和卫星源法这两种测量方法，由于所选信源能量有限，因而限制了天线方向图测量范围，并且测量结果易受信道变化的影响。基于信号形式测量天线方向图等方法，发明专利——有源天线方向图测试系统和方法，申请号：201280002997.3，其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。发明专利——采用全息法测量天线面精度的方法，申请号：201110130024.5，其利用信号的互相关相位差，其测量繁琐、测量效率低、易受信道变化影响等不足。

发明内容

针对以上测量天线方向图方法的不足，本发明提供一种针对转动困难甚至无法转动的大型天线，如大型射电望远镜FAST、Arecib等，仍能测量天线方向图的方法。本发明选定运动信源为观测源，并借助可转动辅助天线，设计了合理接收形式，测量待测天线方向图。利用观测源信号在待测天线和辅助天线观测数据中的相关性，获得高精度、宽角度范围的天线方向图。尽可能的方便测量、节约成本、提高测量精度和拓宽测量范围。本发明对无法转动的大型天线方向图进行测量，不仅省去了大量的测量工作，提高测量效率，还具有一定的抗信道变化能力，保证了天线方向图的测量精度。与现有技术相比，本发明具有受信道变化影响小，测试条件易于满足，且测试过程简易、工作量小等优势。

本发明针对无法转动的待测天线，设计了测量天线方向图如图1所示的接收形式。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，辅助天线指向始终跟踪观测源转动；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，机载信源等，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：