天线阵列辐射模式测量

1/1天线阵列辐射模式测量第一部分天线阵列辐射模式测量原理 2第二部分近场测量和远场测量区别 3第三部分阵列因子和元素因子关系 7第四部分天线增益、波束宽度测量方法 9第五部分相位同步对辐射模式影响 11第六部分旁瓣抑制技术评估 13第七部分阵列扫描特点测试 15第八部分多输入多输出(MIMO)阵列辐射模式测量 17

第一部分天线阵列辐射模式测量原理天线阵列辐射模式测量原理

天线阵列辐射模式测量是表征阵列天线性能的重要技术。其原理基于电磁场测量和信号处理，具体过程如下：

1.准备工作

*选择测量环境：测量环境应满足以下条件：远场条件、无明显反射和干扰源、便于布置测试设备。

*确定测量频率和极化：根据天线阵列的工作频段和极化方式，确定测量频率和极化方向。

*确定测量范围：根据天线阵列的预计覆盖范围，确定测量角度范围和步长。

2.电磁场测量

*探测器选择：根据测量频率和所需灵敏度，选择合适的探测器，如场强传感器、功率计等。

*测量方法：采用平面扫描或球面扫描方式，逐点测量电场或功率。

*数据采集：使用数据采集系统记录测量数据，包括场强或功率值、测量角度和极化信息。

3.数据处理

*归一化：将测量数据归一化为阵列中心元素的辐射值，以消除参考天线的影响。

*相位校准：对各测量点数据进行相位校准，以补偿测量系统引入的相位失真。

*插值：根据已测量数据，使用插值算法估算指定角度和极化方向上的辐射值。

4.阵列因子计算

*阵元激发系数：根据测量数据和天线阵列结构，计算每个阵元在测量频率和极化方向上的激发系数。

*阵列因子：通过阵元的加权和，计算天线阵列在指定角度和极化方向上的阵列因子。

5.辐射模式展示

*辐射模式图：将阵列因子数据绘制成辐射模式图，表示特定频率和极化方向上的辐射强度分布。

*波瓣特性分析：根据辐射模式图，分析主波瓣、旁瓣和零点的位置、宽度和电平。

测量误差分析

天线阵列辐射模式测量可能受到以下因素影响：

*系统误差：探测器灵敏度、测量仪器精度、环境噪声。

*测量误差：测量角度和极化对齐误差、探测器定位误差。

*数据处理误差：归一化、相位校准、插值算法等。

通过严格的测量和数据处理步骤，以及误差分析，可以获得准确可靠的天线阵列辐射模式测量结果。第二部分近场测量和远场测量区别关键词关键要点近场测量

1.在天线近场区域进行测量，通常距离天线约为波长的十分之一以内。

2.近场测量可以通过扫描天线周围的电磁场来获得天线辐射模式的详细信息。

3.由于近场电磁场的快速衰减特性，测量需要精确的传感器和位置控制。

远场测量

1.在天线远场区域进行测量，通常距离天线约为波长的数倍或更大。

2.远场测量可以近似于平面波辐射，因此可以更方便地测量天线的指向性、增益和极化。

3.远场测量需要宽阔的测量区域和屏蔽环境，以避免干扰和反射。近场测量与远场测量区别

定义

*近场测量：在被测天线附近进行测量，测量点与天线的距离满足如下条件：

```

r<2D²/λ

```

*远场测量：在被测天线较远处进行测量，测量点与天线的距离满足如下条件：

```

r>2D²/λ

```

其中：

*r：测量点与天线的距离

*D：天线最大尺寸

*λ：电磁波波长

测量特征

近场测量

*反映天线辐射源的细节信息，如电流分布、近场耦合等。

*需要使用近场探头，如磁场探头、电场探头等。

*测量精度受探头和测量环境影响较大。

远场测量

*反映天线的整体辐射特性，如天线增益、方向性等。

*可以使用远场天线（如标准增益天线）接收被测天线的辐射。

*测量精度受测量环境（如电波干扰、回波等）影响较大。

测量范围

近场测量

*适用于天线的设计、优化和故障诊断。

*可以测量近场的场强分布、相位关系等。

远场测量

*适用于天线的性能评估、认证和系统集成。

*可以测量天线增益、方向性、驻波比等。

测量距离

近场测量

*测量距离通常为天线最大尺寸的几倍。

远场测量

*测量距离通常为天线最大尺寸的几十倍甚至数百倍。

测量设备

近场测量

*近场探头

*矢量网络分析仪

*场强测量仪

远场测量

*远场天线

*谱仪

*天线转台

测量优势

近场测量

*可以获得天线的详细场强分布信息。

*适用于天线的小规模测量和诊断。

远场测量

*可以获得天线的整体辐射特性。

*测量精度较高，适用于天线的大规模性能评估。

测量劣势

近场测量

*测量设备复杂，需要有经验的测量人员。

*测量精度受探头和测量环境影响较大。

远场测量

*测量距离长，需要较大的测量场地。

*测量精度受测量环境（如电波干扰、回波等）影响较大。

应用领域

近场测量

*天线设计和优化

*天线故障诊断

*复杂环境中的电磁场分布分析

远场测量

*天线性能评估和认证

*天线系统集成

*电磁兼容性测试第三部分阵列因子和元素因子关系关键词关键要点【阵列因子和元素因子关系】：

1.阵列因子（AF）和元素因子（EF）是天线阵列辐射模式分析中的两个重要因素。

2.阵列因子描述了阵列所有元素的相干相加造成的干涉效应，而元素因子表示单个阵列元素的辐射模式。

3.阵列因子的形状和方向性由阵列元素的分布、相对相位和幅度决定。

【阵列增益】：

阵列因子和元素因子关系

阵列因子和元素因子是描述天线阵列辐射模式的两个重要概念。其中，元素因子表示单个天线辐射模式，而阵列因子表示天线阵列中所有天线辐射模式的总和。

对于一个由N个天线组成的均匀线阵，其阵列因子(AF)可以表示为：

```

AF(θ)=E(θ)*∑[n=1toN]e^(j(n-1)*kd*cos(θ))

```

其中：

*E(θ)是单个天线的元素因子

*kd是天线之间的间距乘以波数

*θ是相对于阵列轴线的角度

从上式可以看出，阵列因子是由元素因子和一个相位因子之积构成的。相位因子是由天线之间的距离和相对于阵列轴线的角度决定的。

阵列因子的影响

*波束成形：阵列因子可以控制阵列的波束形状和方向。通过改变天线之间的间距和振幅分布，可以形成不同的波束，如主瓣、旁瓣和空瓣。

*增益增强：阵列因子可以起到增益增强作用。由于所有天线的辐射模式相加，阵列的总辐射功率比单个天线大，从而提高了增益。

*干涉效应：阵列因子中的相位因子会产生干涉效应。当相位因子为零时，各个天线的辐射波会相长，产生主瓣。而当相位因子非零时，各个天线的辐射波会出现相消，产生旁瓣。

元素因子的影响

*辐射方向图：元素因子的形状决定了单个天线的辐射方向图。元素因子可以是单向的、双向的或全向的。

*带宽：元素因子的带宽决定了天线的频带范围。带宽越宽，天线对频率变化的适应性越强。

*极化：元素因子的极化方向决定了天线的极化类型。极化可以是线极化、圆极化或椭圆极化。

相互关系

阵列因子和元素因子相互影响，共同决定了天线阵列的辐射模式。通过调整元素因子和阵列因子，可以优化天线阵列的性能，以满足不同的应用需求。

例如，在雷达系统中，需要窄波束、高增益的天线阵列，可以通过选择方向性强的元素因子和适当的阵列因子来实现。而在通信系统中，需要覆盖更宽范围的天线阵列，则可以选择全向元素因子和均匀的阵列因子。第四部分天线增益、波束宽度测量方法关键词关键要点【天线增益测量方法】：

1.测量天线的输入功率和辐射功率之比，从而得出天线增益。

2.利用标准增益天线作为参考，通过比较辐射功率来确定天线增益。

3.采用近场测量方法，使用球面近场测量系统或平面近场测量系统，直接测量天线辐射功率分布。

【波束宽度测量方法】：

天线增益测量方法

测量准备

1.设定测试天线与参考天线的距离，确保在远场区。

2.连接天线到功率计和信号源。

3.校准功率计。

增益测量流程

1.向参考天线发射已知功率的信号。

2.记录功率计上的功率读数（P_ref）。

3.向测试天线发射相同频率、功率的信号。

4.记录功率计上的功率读数（P_test）。

5.计算测试天线的增益（G_test）：G_test=P_test-P_ref+G_ref

其中，G_ref为参考天线的增益。

波束宽度测量方法

测量准备

1.在测试天线的波束方向上放置一个接收天线。

2.将测试天线固定在水平或垂直平面上。

3.连接天线到功率计。

波束宽度测量流程

水平波束宽度（H-BW）

1.将接收天线放置在测试天线正前方，并与水平平面成一定角度（例如，0°）。

2.记录接收功率（P）。

3.缓慢旋转接收天线，同时记录接收功率。

4.当接收功率下降到最大值的半功率点（-3dB）时，记录接收天线相对于测试天线的角度。

5.将此角度除以2，得到水平波束宽度。

垂直波束宽度（V-BW）

测量垂直波束宽度的方法与水平波束宽度类似，但此时接收天线在垂直平面上旋转。

注意事项

*选择合适的参考天线，其增益和波束宽度与测试天线相匹配。

*确保测量环境没有干扰，例如其他天线或反射物。

*准确记录功率读数，并考虑功率计的误差。

*对多个角度进行测量以获得准确的波束宽度。第五部分相位同步对辐射模式影响相位同步对辐射模式影响

天线阵列的相位同步是获得期望辐射模式的关键因素。相位同步不良会导致阵列增益降低、波束指向偏移以及旁瓣电平升高。

阵列增益

阵列增益是天线在特定方向上的辐射强度与参考天线的辐射强度的比值。理想情况下，当所有天线元素同相位辐射时，阵列增益与天线元素数量的平方成正比。

然而，相位同步不良会导致阵列元素之间的相位差，从而降低阵列增益。相位差越大，阵列增益降低越多。

波束指向

天线阵列的波束指向是指天线辐射能量最大的方向。理想情况下，当所有天线元素同相位辐射时，波束指向垂直于阵列平面。

相位同步不良会导致波束指向偏移。相位差越大，波束指向偏移越大。

旁瓣电平

旁瓣是天线主瓣以外的次级辐射方向。理想情况下，当所有天线元素同相位辐射时，旁瓣电平很低。

相位同步不良会导致旁瓣电平升高。相位差越大，旁瓣电平越高。

相位同步误差的影响

相位同步误差对辐射模式的影响程度取决于误差的幅度和频率。

幅度误差

幅度误差是指天线元素之间的幅度差。幅度误差会导致阵列增益降低。误差越大，增益降低越多。

频率误差

频率误差是指天线元素之间的频率差。频率误差会导致相位误差随时间变化。频率误差越大，相位误差变化越快。

相位误差变化会导致阵列辐射模式动态变化，影响其波束指向和旁瓣电平。

相位同步校准

为了获得最佳的辐射模式，必须校准天线阵列以确保相位同步。相位同步校准通常使用相位锁环(PLL)或数字相位同步器(DPS)来实现。

PLL或DPS将参考信号与阵列元素的信号进行比较，并生成控制信号以调整阵列元素的相位。通过这种方式，可以保持天线元素的相位同步，从而获得期望的辐射模式。第六部分旁瓣抑制技术评估关键词关键要点旁瓣抑制技术评估

主题名称：数字波束赋形技术

1.利用数字信号处理技术，控制单个天线的幅度和相位，形成特定方向的波束。

2.抑制波束主瓣外的旁瓣，增强波束方向性，提高信号接收质量。

3.应用领域广泛，包括雷达、卫星通信和无线传感器网络等。

主题名称：反射阵天线技术

旁瓣抑制技术评估

旁瓣抑制技术评估是天线阵列辐射模式测量中一项重要的指标，其目的在于评估天线阵列抑制旁瓣的能力。旁瓣是指主波束外的次要辐射，其存在会降低天线的增益和指向性，并可能导致干扰。

评估方法

旁瓣抑制技术评估通常通过测量天线阵列的辐射模式来进行。辐射模式是天线在不同方向上的功率分布图。在辐射模式中，旁瓣通常表现为相对于主波束较弱的峰值。

指标

旁瓣抑制技术评估有多种指标，常见的有：

*旁瓣电平（SL）:旁瓣电平是指相对于主波束峰值功率的旁瓣功率级。通常以分贝（dB）为单位表示。

*旁瓣比（SLL）:旁瓣比是指最大旁瓣电平与主波束峰值功率之比。同样以dB为单位表示。

*旁瓣宽度（BW）:旁瓣宽度是指旁瓣在辐射方向上的宽度。通常以度数或波长为单位表示。

*旁瓣方向（DO）:旁瓣方向是指旁瓣出现的方向。通常以度数或波长为单位表示。

评估过程

旁瓣抑制技术评估过程通常包括以下步骤：

1.天线阵列设置:将天线阵列安装在合适的位置，并连接到测量设备。

2.辐射模式测量:使用矢量网络分析仪或其他测量设备测量天线阵列在不同方向上的辐射模式。

3.数据处理:对测量数据进行处理，提取旁瓣电平、旁瓣比、旁瓣宽度和旁瓣方向等指标。

4.评估:根据预先设定的标准或要求，评估天线阵列的旁瓣抑制性能。

优化技术

为了提高天线阵列的旁瓣抑制性能，可以采用各种优化技术，例如：

*阵元加权:对阵列中的每个阵元施加不同的权重，以降低旁瓣电平。

*相位调制:对阵列中每个阵元的相位进行调制，以破坏旁瓣的相位相干性。

*聚束形成算法:使用算法优化阵列的波束方向和指向性，以抑制旁瓣。

*吸波材料:在阵列周围使用吸波材料吸收杂散辐射，减少旁瓣。

结论

旁瓣抑制技术评估是天线阵列辐射模式测量中的一项关键指标，用于评估天线阵列抑制旁瓣的能力。通过测量和分析辐射模式，可以对旁瓣抑制性能进行定量评估。优化技术可以帮助提高旁瓣抑制性能，从而提高天线阵列的增益、指向性和抗干扰能力。第七部分阵列扫描特点测试阵列扫描特点测试

1.主瓣波束宽

主瓣波束宽是指主瓣的3dB功率点之间的角度范围。它反映了阵列在特定方向上聚焦能量的能力。波束宽较窄，阵列的指向性越好。

2.副瓣电平

副瓣是主瓣之外的次级发射峰值。副瓣电平通常以相对于主瓣峰值功率的dB值来表示。低副瓣电平对于避免信号干扰和提高通信质量至关重要。

3.扫描范围

扫描范围是指阵列可以扫描的方位角和仰角范围。它是由阵元间距和相位偏移决定的，反映了阵列的覆盖能力。

4.扫描损失

扫描损失是指当阵列从其参考方向扫描到另一个方向时，主瓣功率的下降。它通常以dB为单位表示，取决于扫描角度和阵列元件的分布。

5.扫描平坦度

扫描平坦度是指主瓣在不同扫描角度下的功率变化平滑度。扫描平坦度好的阵列可以在整个扫描范围内保持稳定的波束形状和增益。

6.扫描灵敏度

扫描灵敏度是指阵列在不同扫描角度下接收信号的能力。它通常以dB为单位表示，并取决于阵列元件的灵敏度和阵列配置。

7.扫描速度

扫描速度是指阵列完成特定扫描模式的时间。它由相位转移器的速度和阵列控制系统的性能决定。

8.扫描精度

扫描精度是指阵列实际扫描角度与预期扫描角度之间的差异。它取决于相位转移器的精度和阵列控制系统的稳定性。

测试方法

阵列扫描特点测试通常使用近场或远场测试范围进行。在近场测试中，阵列放置在探头附近，测量相对于探头位置的辐射模式。在远场测试中，阵列放置在足够的距离处，以便平面波近似成立，测量相对于接收天线的辐射模式。

测试设备

阵列扫描特点测试需要以下设备：

*矢量网络分析仪

*相位转移器

*控制软件

*近场或远场测试范围

*接收天线（用于远场测试）

测试过程

阵列扫描特点测试过程如下：

1.将阵列放置在测试范围内。

2.连接矢量网络分析仪、相位转移器和控制软件。

3.设置所需的扫描模式（方位角和仰角扫描范围）。

4.测量阵列在不同扫描角度下的辐射模式。

5.分析测量数据以确定阵列的扫描特点。第八部分多输入多输出(MIMO)阵列辐射模式测量多输入多输出(MIMO)阵列辐射模式测量

引言

多输入多输出(MIMO)阵列已成为无线通信系统中的关键技术，可通过空间分集和波束成形显著提高容量和覆盖范围。MIMO阵列辐射模式的测量对于评估其性能至关重要，因为它提供了阵列在不同方向上发射和接收电磁波的能力的表征。

测量方法

MIMO阵列辐射模式的测量通常使用波束成形技术进行。该技术涉及在阵列中特定权值设置下激励阵列元件，从而形成具有特定波束形状的电磁场。

远场辐射模式测量

远场辐射模式测量是在阵列远场区进行的，该区域的距离足够远，以确保电磁波的平面波近似有效。该测量设置包括发送和接收天线，发送天线置于测试阵列前方，接收天线置于远场范围内。

通过改变发送天线的位置，可以测量阵列在不同方向上的辐射模式。接收天线记录来自阵列的信号强度和相位，这些数据用于生成阵列的辐射模式图。

近场辐射模式测量

近场辐射模式测量是在阵列近场区进行的，该区域的距离不够远，以确保平面波近似有效。该测量设置包括扫描探针和测试阵列。

扫描探针沿着一个或多个平面移动，记录来自阵列的电磁场强度和相位。这些数据用于生成阵列的近场辐射模式图。

极化测量

MIMO阵列的极化测量涉及评估阵列发射和接收电磁波的极化特性。可以使用不同类型的探针（例如，双极化天线或椭圆极化探针）进行极化测量。

探针的极化方向与阵列的极化方向对齐，记录来自阵列的信号强度和相位。这些数据用于生成阵列的极化辐射模式图。

校准技术

MIMO阵列辐射模式测量的准确性对于评估阵列性能至关重要。为了确保准确性，必须进行校准，以补偿测量设置中的任何误差。

校准方法包括使用参考天线或使用阵列自身进行自校准技术。参考天线校准涉及使用已知辐射模式的参考天线，以表征测量设置的频率响应和方向性。自校准技术涉及使用阵列自身的辐射模式进行测量，然后将测量数据与阵列的理论辐射模式进行比较以确定校正因子。

数据处理

MIMO阵列辐射模式测量的原始数据需要进行处理以生成阵列的辐射模式图。数据处理步骤包括：

*信号处理：从接收天线或探针记录的信号经过信号处理，以提取幅度和相位信息。

*阵列因子计算：使用阵列元件的相对位置和权值计算阵列因子，它表示阵列在各个方向上的辐射增益。

*方向图生成：阵列因子与信号强度和相位数据结合，生成阵列在不同方向上的辐射模式图。

辐射模式分析

MIMO阵列辐射模式的分析涉及评估阵列的辐射特性。分析指标包括：

*主瓣增益：阵列在主波束方向上的最大辐射增益。

*波束宽度：阵列主波束的宽度。

*旁瓣电平：阵列主波束之外的辐射电平。

*极化纯度：阵列发射或接收电磁波的极化特性。

应用

MIMO阵列辐射模式测量在各种应用中至关重要，包括：

*天线设计和优化：用于验证阵列设计并优化其性能。

*系统性能评估：用于评估MIMO系统的容量、覆盖范围和抗干扰性能。

*干扰分析：用于评估MIMO阵列对附近系统的潜在干扰。关键词关键要点主题名称：测量原理

关键要点：

1.天线阵列辐射模式的测量是利用天线阵列中的天线元件分别发射或接收信号，并通过测量记录信号的幅度和相位，再进行计算和分析来获得天线阵列的辐射模式。

2.测量时，天线阵列分别指向不同的方向，并记录每个方向上信号的幅度和相位。通过这些数据，可以计算出阵列在不同方向上的辐射功率、波束宽度、旁瓣电平等性能指标。

3.测量中需考虑天线阵列与待测信号源的距离、天线阵列的排列方式和所使用的测量设备等因素，以确保测量数据的准确性。

主题名称：测量方法

关键要点：

1.测量方法分为近场测量和远场测量。近场测量是在阵列附近测量电磁场的成分，而远场测量是在离阵列较远的距离测量电磁波的传播特性。

2.近场测量适用于测量阵列的近场辐射特性，如天线之间的耦合效应。远场测量适用于测量阵列的远场辐射特性，如波束形状和增益。

3.不同的测量方法有其各自的优点和缺点，需要根据具体应用场景和测量要求进行选择。关键词关键要点主题名称：相位同步的定义及原理

关键要点：

-相位同步是指天线阵列中各个天线单元的辐射信号在时间上保持一致性。

-通过控制各个天线单元的发射信号的相位，可以形成具有特定方向性的辐射模式。

-相位同步的准确性决定了天线阵列的波束成形精度和方向性。

主题名称：相位同步对主瓣影响

关键要点：

-相位同步良好时，主瓣指向准确，增益高。

-相位同步失准时，主瓣会偏离目标方向，增益降低。

-主瓣的宽度和方向性也受相位同步误差影响。

主题名称：相位同步对旁瓣影响

关键要点：

-相位同步良好时，旁瓣电平低，且分布均匀。

-相位同步失准时，旁瓣电平升高，分布不均匀。

-旁瓣电平的升高会影响天线系统的抗干扰能力和保密性。

主题名称：相位同步对波束成形影响

关键要点：

-相位同步是波束成形的基础，通过控制相位可以实现特定方向的波束指向。

-相位同步误差会引入波束畸变，影响波束的指向精度和增益。

-相位同步算法的性能直接影响波束成形的质量。

主题名称：相位同步测量技术

关键要点：

-相位同步测量方法包括近场测量法和远场测量法。

-近场测量法精度高，但测量范围有限。

-远场测量法测量范围大，但精度受天线尺寸和测量距离影响。

主题名称：相位同步校准技术

关键要点：

-相位同步校准技术用于补偿相位同步误差，提高阵列性能。

-校准方法包括数字校准法和模拟校准法。

-校准算法的性能决定了校准的精度和速度。关键词关键要点主题名称：阵列扫描特性测试

关键要点：

1.阵列扫描测试是评估阵列在特定频率范围内的扫描能力的过程。

2.测试可以通过改变阵列中各个辐射源的相位或幅度来实现。

3.扫描特性可以用波束宽度、波束指向、旁瓣电平等参数来表征。

主题名称：扫描范围

关键要点：

1.扫描范围是指阵列可以扫描的最大角度范围。

2.扫描范围受阵列结构、波长和辐射源的个数等因素影响。

3.宽扫描范围对于雷达和通信系统等需要大覆盖范围的应用非常重要。

主题名称：扫描速率

关键要点：

1.扫描速率是指阵列完成一次扫描所需要的时间。

2.扫描速率受阵列的处理能力、扫描算法和波束成形技术的限制。

3.高扫描速率对于实时目标跟踪和快速通信系统至关重要。

主题名称：旁瓣抑制

关键要点：

1.旁瓣抑制是抑制阵列主波束之外的旁瓣电平的过程。

2.旁瓣抑制可以通过使用加权函数、相控阵技术或其他优化算法来实现。

3.低旁瓣电平可以减少干扰并提高系统性能。

主题名称：波束指向精度

关键要点：

1.波束指向精度是指阵列将波束指向特定目标的能力。

2.波束指向精度受阵列校准、环境因素和波束成形算法的影响。

3.高波束