平面天线近场测量系统的研究

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随着无线电领域研究的深入,各种特性的天线已成为连接空间领域和人类生产生活密不可分的设备。天线的性能和用途不同,应用范围愈加广泛,分类也越来越细,对天线性能的测量就变得尤为重要。近场测量技术由于具有研发成本低、测量精度高等特点,已成为当前天线测量领域的研究热点。本文以平面天线近场测量为研究对象,对基于等效磁流法的近场测量方法展开了理论研究和数值仿真,并设计开发了近场测量扫描架系统和测量软件,主要研究内容如下:(1)研究了基于等效磁流法和共轭梯度快速傅里叶变换法(CGFFT)的近远场变换方法。基于平面近场上的电场分布,依据格林公式,借由矩量法和共轭梯度法,获得天线口径面上的等效磁流分布,由此得到天线的远场方向图。利用MATLAB对喇叭天线和偏馈抛物面反射天线进行了近远场变换仿真,结果显示该方法反演的远场方向图与理想方向图在110o角度范围内完全吻合,表明了该方法的有效性。在此基础上,分别研究了共轭梯度算法迭代残差、采样间隔、近场采样面大小对天线远场反演结果的影响。仿真研究表明,残差在10-7-10-8即可得到足够的反演精度,在满足采样定理的条件下,增大采样间隔,旁瓣的结果误差增大,减小近场采样面,会导致远场方向图吻合角度减小,但仍远大于近场测试区覆盖的角度范围。因此,在实际测试中,可以预估天线的波束宽度,适当选择近场扫描区和残差精度,可提高近场测试准确度和测试效率。(2)开发了一套近场扫描支架系统。设计了倒“T”型结构的近场扫描支架;开发了近场扫描支架控制硬件电路,研究了扫描支架位移扫描策略,开发了基于PID控制算法和步进电机的闭环位移控制系统,开发了扫描支架控制系统与测试软件的数据和指令传输程序;通过实验验证,表明该近场扫描架系统完成了所设定的功能要求,扫描精度高。(3)开发了近场扫描测试软件。搭建了基于矢网的射频系统,实现近场电场数据的采集。开发了天线平面近场测试软件,主要包括前处理和后处理两模块;前处理模块实现近场测试指令的输入和测试结果的显示,后处理模块实现天线远近场变换算法的实现以及天线方向图各参数的处理。
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