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CN106249057B - 一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法 - Google Patents

一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法 Download PDF

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CN106249057B CN201610607127.9A CN201610607127A CN106249057B CN 106249057 B CN106249057 B CN 106249057B CN 201610607127 A CN201610607127 A CN 201610607127A CN 106249057 B CN106249057 B CN 106249057B
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马玉丰
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Abstract

一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，本发明采用旋转馈源等效旋转反射面的方式，通过方向图坐标变换以及相位输出原点平移技术得到实际工作状态的方向图测试数据。将待测天线安装在转台上，使用经纬仪测量天线坐标系与场地坐标系关系，利用转台进行调整，然后用摄影测量调整馈源位置至设计位置，测量方向图。利用方向图坐标变换以及相位输出原点平移技术将测得方向图变换至天线坐标系下，即实际工作状态。本发明与传统测试方法相比较，更好的模拟了绕焦点转动波束扫描天线在卫星上波束扫描的实际工作状态，更容易调整天线指向，降低的对天线工装的要求，严格的数学推导降低了幅度方向图直接平移带来的误差，以及确定了新坐标系原点下的相位方向图。

Description

一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法
技术领域
本发明涉及一种天线辐射特性测试方法，特别是一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性的测试方法，属于天线测量技术领域。
背景技术
天线是一种变换器，具有把传输线上的导行波转换为自由空间的电磁波，或者反向转换的特性，是无线通讯不可或缺的一部分。大型绕焦点转动波束扫描天线是众多可扫描天线的一种，其在地面通讯，卫星通讯，卫星导航，军事监测，地质与资源勘探，深空探测都有着广泛应用。天线测试技术是伴随着天线发展而发展的一门检验检测天线性能的学科，天线测试是验证天线实际性能与理论仿真的关键桥梁，是天线运用于实际所必须要经过的步骤。
大型绕焦点转动波束扫描天线由于其形式的特殊性，特别是应用于卫星领域的特殊性，其测试要求也与普通天线测试略有不同。由于其体积巨大，应用于卫星领域时还必须具有可展开性，其结构往往是柔软或可变化的，在太空环境下的使用环境与在地面环境的测试会有很大不同，需要特殊的辅助工装来消除重力对于反射面结构与馈源的影响等等。由于其绕焦点转动波束扫描的工作模式，地面测试时对工装提出了其反射面可动且与馈源相对位置可调等一系列高要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：规避了大型绕焦点转动波束扫描天线地面测试扫描状态难以实现的困难，提供了一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，采用转动馈源代替转动反射面的方法等效天线波束扫描工作状态，利用方向图坐标旋转与相位输出原点平移技术，得到天线在波束扫描时的方向图数据。
本发明的技术解决方案是：一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，步骤如下：
(1)将天线与工装安装于转台上，工装用于模拟天线在卫星上工作状态的附加物件，起到固定天线反射面与馈源并连接转台的作用；
(2)利用经纬仪测量天线上的基准孔或靶标，确定天线坐标系，利用经纬仪测量天线测试系统的基准靶标，确立天线测量系统坐标系；
(3)利用转台调整天线坐标系，使天线坐标系与天线测试系统坐标系三轴欧拉转角中Rz值小于所允许最大值，记录此时另外两个转角Rx与Ry的值；所述的天线坐标系为：将天线未扫描的初始位置时反射面垂直向上的方向确定为z轴，平行于地面的方向确定为x轴，y轴根据右手法则确定；所述的天线测量系统坐标系为：将电磁波传播方向的反向确定为z轴，平行于地面的方向确定为x轴，y轴根据右手法则确定；
(4)利用摄影测量技术，确定天线上反射面与馈源的相对位置关系，并调整馈源位置使其与反射面相对位置与天线设计值的位置偏差小于所允许的最大值，且转角偏差小于所允许的最大值；
(5)利用天线测试系统对天线进行方向图测试得到方向图数据；
(6)根据步骤(3)得到的旋转角度Rx和Ry，利用方向图坐标旋转方法得到天线坐标系下的幅度方向图；
(7)根据步骤(2)确定的天线坐标系原点在测试坐标系中的位置值，利用相位方向图输出原点平移方法，得到天线坐标系下的相位方向图。
所述步骤(6)方向图坐标旋转方法的具体公式为：
其中FAz(Az,El)，FEl(Az,El)为测试系统坐标系中测试所得的两个正交分量的方向图；与为天线测试系统坐标系下的单位矢量；FAz2(Az2,El2)，FEl2(Az2,El2)为天线坐标系下的两个正交分量方向图；与为天线坐标系下的单位矢量。其中C为原直角坐标系与方位俯仰坐标系的转换矩阵C2为旋转后直角坐标系与方位俯仰坐标系的转换矩阵；T为原直角坐标系到旋转后直角坐标系的转换矩阵。
所述步骤(7)相位方向图输出原点平移方法具体公式为：
Phase2＝Phase-k(ux+vy+wz)
其中Phase为天线测试系统坐标系下的相位方向图，Phase2为天线坐标系下的相位方向图，k为该方向图所对应的波数，k＝2π/λ＝2π·c/f，c为真空中的光速2.9979×108m/s，f为方向图对应的频率；u、v、w分别为方向图所使用的坐标系类型的三个轴所对应方向余弦；x、y、z分别为所求坐标系原点在测试坐标系下点三维坐标。
步骤(4)中天线允许的最大值位置偏差小于2mm。
步骤(4)中天线允许的最大值转角偏差小于0.03度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用了旋转馈源来等效旋转反射面的方式，实现了大型绕焦点转动波束扫描天线的波束扫描工作方式。
(2)本发明的等效方式降低了方向图测试时对转台角度范围的要求。因为反射面无需根据扫描位置进行转动，测试范围始终保持与反射面初始位置基本相同，所以转台所旋转的角度在天线不同波束扫描工作时也基本相同。
(3)本发明的等效方式规避了柔性反射面反复调整的问题，即测试时进行一次调整即可满足不同扫描波位的测试需求。
(4)本发明的等效方式相比于传统的转动反射面方式更加容易实现且易于调整，反射面相对于馈源体积巨大，调整馈源位置与角度相比于反射面调整容易许多。
(5)本发明采用了方向图坐标旋转技术与相位方向图输出原点平移技术，减小了传统幅度方向图直接平移带来的误差，确定了所需坐标系原点下的相位方向图。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为天线实际波束扫描状态示意图。
图3为天线等效波束扫描状态示意图。
图4为相位方向图输出原点平移示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明天线做详细的说明，具体如下：
一、详细步骤
(1)将天线与工装安装于转台上，工装是模拟天线在卫星上工作状态的附加物件，起到固定反射面与馈源，连接测试系统转台的作用；
(2)利用经纬仪测量天线上的基准孔或靶标确定天线坐标系，利用经纬仪测量天线测试系统基准靶标，确立测试系统坐标系。天线测试系统为测量天线方向图的一种通用设备，其自身的固有坐标系称为测试系统坐标系；
(3)利用转台调整天线坐标系，使天线坐标系与测试系统坐标系三轴欧拉转角中Rz值小于所允许最大值，通常为0.03度，记录此时另外两个转角Rx与Ry的值。通常天线设计时将天线未扫描的初始位置时反射面垂直向上的方向确定为z轴，平行于地面的方向确定为x轴，y轴根据右手法则确定；通常测试系统将电磁波传播方向确定为z轴，平行于地面的方向确定为x轴，y轴根据右手法则确定。
(4)利用摄影测量，确定天线上反射面与馈源的相对位置关系，并调整馈源位置使其与反射面相对位置与天线设计值的位置偏差与转角偏差小于所允许的最大值，一般保证位置偏差小于2mm，转角偏差小于0.03度；如图2所示，天线扫描时，传统方法为转动反射面，等效方法即如图3所示为转动馈源。
(5)利用天线测试系统，进行方向图测试得到方向图数据；
(6)根据(3)中的最终调整结果，确定旋转角度，利用方向图坐标旋转技术得到天线坐标系下的幅度方向图，具体方法如下：
其中FAz(Az,El)，FEl(Az,El)为天线测试系统坐标系所得的两个正交分量的方向图。与为该测试坐标系下的单位矢量。FAz2(Az2,El2)，FEl2(Az2,El2)为所求坐标系下的两个正交分量方向图。与为所求坐标系下的单位矢量。
(7)根据(2)中的最终结果，确定天线坐标系原点在测试坐标系中的位置值，利用相位方向图输出原点平移技术，得到天线坐标系下的相位方向图。具体方法如下：
Phase2＝Phase-k(ux+vy+wz) (式3)
其中Phase为原坐标系下的相位方向图，Phase2为所求坐标系下的相位方向图，k为该方向图所对应的波数，k＝2π/λ＝2π·c/f，c为真空中的光速2.9979×108m/s，f为方向图对应的频率单位为赫兹(Hz)。u、v、w分别为方向图所使用的坐标系类型的三个轴所对应方向余弦。x、y、z分别为所求坐标系原点在测试坐标系下点三维坐标。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
二、算法简介
1、方向图坐标旋转：
以Az over El坐标系为例，FAz(Az,El)，FEl(Az,El)为原始坐标测试所得的两个正交分量的方向图。与为该测试坐标系下的单位矢量。FAz2(Az2,El2)，FEl2(Az2,El2)为所求坐标系下的两个正交分量方向图。与为所求坐标系下的单位矢量。
求出即可求解式1、式2。
其中C为原直角坐标系与方位俯仰坐标系的转换矩阵C2为旋转后直角坐标系与方位俯仰坐标系的转换矩阵。T为原直角坐标系到旋转后直角坐标系的转换矩阵。
2、相位方向图输出原点平移：
如图4所示，假设o点位观察点即方向图输出原点观察到天线方向图函数如下a为幅度方向图为相位方向图。
观察点变为距离原o点D的o′，远场幅度方向图与距离无关，相位由于距离源点距离变化，方向图函数变为：
推广到三维任意角度即可得到式10。
Phase2＝Phase-k(ux+vy+wz) (式11)

Claims (5)

1.一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)将天线与工装安装于转台上，工装用于模拟天线在卫星上工作状态的附加物件，起到固定天线反射面与馈源并连接转台的作用；
(2)利用经纬仪测量天线上的基准孔或靶标，确定天线坐标系，利用经纬仪测量天线测试系统的基准靶标，确立天线测试系统坐标系；
(3)利用转台调整天线坐标系，使天线坐标系与天线测试系统坐标系三轴欧拉转角中Rz值小于所允许最大值，记录此时另外两个转角Rx与Ry的值；所述的天线坐标系为：将天线未扫描的初始位置时反射面垂直向上的方向确定为z轴，平行于地面的方向确定为x轴，y轴根据右手法则确定；所述的天线测量系统坐标系为：将电磁波传播方向的反向确定为z轴，平行于地面的方向确定为x轴，y轴根据右手法则确定；
(4)利用摄影测量技术，确定天线上反射面与馈源的相对位置关系，并调整馈源位置使其与反射面相对位置与天线设计值的位置偏差小于所允许的最大值，且转角偏差小于所允许的最大值；
(5)利用天线测试系统对天线进行方向图测试得到方向图数据；
(6)根据步骤(3)得到的旋转角度Rx和Ry，利用方向图坐标旋转方法得到天线坐标系下的幅度方向图；
(7)根据步骤(2)确定的天线坐标系原点在测试坐标系中的位置值，利用相位方向图输出原点平移方法，得到天线坐标系下的相位方向图。
2.根据权利要求1所述的一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，其特征在于：所述步骤(6)方向图坐标旋转方法的具体公式为：
其中FAz(Az,El)，FEl(Az,El)为测试系统坐标系中测试所得的两个正交分量的方向图；与为天线测试系统坐标系下的单位矢量；FAz2(Az2,El2)，FEl2(Az2,El2)为天线坐标系下的两个正交分量方向图；与为天线坐标系下的单位矢量；其中C为原直角坐标系与方位俯仰坐标系的转换矩阵；C2为旋转后直角坐标系与方位俯仰坐标系的转换矩阵；T为原直角坐标系到旋转后直角坐标系的转换矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，其特征在于：所述步骤(7)相位方向图输出原点平移方法具体公式为：
Phase2＝Phase-k(ux+vy+wz)
其中Phase为天线测试系统坐标系下的相位方向图，Phase2为天线坐标系下的相位方向图，k为该方向图所对应的波数，k＝2π/λ＝2π/(c/f)，c为真空中的光速2.9979×108m/s，f为方向图对应的频率；u、v、w分别为方向图所使用的坐标系类型的三个轴所对应方向余弦；x、y、z分别为所求坐标系原点在测试坐标系下的三维坐标。
4.根据权利要求1所述的一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，其特征在于：步骤(4)中天线允许的最大值位置偏差小于2mm。
5.根据权利要求1所述的一种大型绕焦点转动波束扫描天线辐射特性等效测试方法，其特征在于：步骤(4)中天线允许的最大值转角偏差小于0.03度。
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