英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Francesco DAgostino，Claudio Gennarelli，Rocco Guerriero，Giovanni Riccio，Catello Savarese
通过平面宽网格扫描获得的近场测量辐射功率的评估
UDK 621.396.677
IFAC 4.3.2
初步交流
本文设计了一个完整的程序，用来评估被测天线的辐射功率，通过创新的平面宽网格扫描收集的非冗余近场测量数据来实现。当天线在后半空间的辐射功率可忽略不计时，可用来评估天线的方向性。这种方法是利用了一个封闭式公式，根据远场球上辐射强度样本的数值计算其总辐射功率。这些数值是通过探针补偿近场-远场变换公式来确定的，用最优采样插值公式进行评估，通过数值模拟评估了该方法的有效性。
关键词：方向性评估、NF-FF变换、电磁场的非冗余采样表示、平面宽网格扫描
- 介绍
众所周知，发射系统的方向性函数描述了辐射强度的变化，这种强度是单位立体角的辐射功率，在空间中有方向性。因此，它的评估给出了关于天线容量的信息，来把辐射集中在一个给定的方向上。当使用专门的高性能通信链路和雷达系统的辐射结构时，这样做是很重要的。
根据其定义，方向性评价的关键点是总辐射功率的计算。它要求辐射强度达到在整个4pi;的固体角上的积分。然而，对于大多数实际天线，辐射强度函数的数学表达式（如果有的话）非常复杂，不能用解析方法进行积分。因此，利用现代计算设备的数值方法是很有必要的，比如在波长非常大的辐射系统中，当计算辐射强度很困难时，它们就会变得耗时。
文献中提供的大多数解决方案都是近似的，不适用于任何类型的受测天线（AUT）（参考文献[1，11]中的选定书目）。Dich在[12]中得到了一个由远场球上固定点的辐射强度，以此确定总辐射功率的公式。它是基于电磁（EM）场的球面波膨胀理论和[13]中的理论。它允许从模拟或测量数据方面进行方向性估计。[14]中提出了一个简单、快速、准确的采样插值(SI)公式。它与Dich的解决方案具有相同的优点，只需较少的数据量而不会失去准确性。该公式的推导基于发射天线辐射的电磁场的空间带限特性[15]和非冗余采样表示[16]，采用辐射强度的采样扩展来减少求和的表面积分。这种公式只依赖于AUT的大小，因此为模拟或测量数据计算方向性提供了一种有效的方法。
如果不能以解析形式获得辐射模式，那么可以通过在AUT远场（FF）区域的球面上的测量来获得辐射模式。为了进行精确的天线测量，尽可能通过在消声室减少不可控环境条件带来的影响。然而，在处理电大天线时，由于无法满足远场FF的距离要求，只能进行近场（NF）测量，并且必须通过NF-FF转换技术恢复FF数据。其中，采用平面扫描的天线非常适合于辐射铅笔束图案的定向天线。实际上，对于笔形波束天线，后半空间的辐射功率（zlt;0）可以忽略不计，总辐射功率与前半空间的辐射功率基本一致。
一种使用创新的平面宽网格扫描（PWMS）的快速准确的NF-FF变换技术，已在[17]中通过适当应用非冗余抽样表示提出[16]。在这种扫描中，扫描网格的两条连续线（沿x或y）之间的线性间距随着与测量平面中心的距离的增加而增加（见图1）。这种NF-FF转换技术是利用二维最佳采样插值（OSI）公式，通过PWMS收集到的信息，利用平面矩形扫描[18]有效地重建经典NF-FF转换所需的NF数据。必须强调的是，这种创新的扫描网格可以显著减少所需的NF数据量，而不会失去和经典方法类似的准确性和计算效率。
根据上述考虑，本文的目标是提供一个完整的程序，来确定AUT的方向性和从NF数据获得一个PWMS设施。这样的程序逻辑上分为三个步骤：a）采集探头电压样本；b）通过PWMS的NF-FF变换评估FF球面上的辐射强度样本[17]；c）使用所提出的SI公式计算AUT方向性。请注意，步骤b）分为两个子步骤。在前一种方法中，通过对NF-FF进行快速傅立叶变换，我们得到了以kx=beta;sinTheta;cosPhi;和ky=beta;sinTheta;sinPhi;为单位的均匀分布的FF样本，beta;为波数。在后者中，适当地使用中心型的二维OSI扩展来重建SI公式所要求的采样点（均匀间隔为Theta;和Phi;）的辐射强度数据。
图1 规划广域梅斯扫描
- 平面矩形NF数据辐射功率的评估
本章的目的是提供一个完整的程序，通过平面矩形扫描在距离d的平面上获取NF数据来确定AUT方向性。事实上，在考虑笔形波束天线时，半空间zlt;0的辐射功率可以忽略不计，总辐射功率Ptot与前半空间的辐射功率基本一致。因此，
辐射强度U（Theta;，Phi;）可根据以下关系进行计算：
其中，ETheta;，EPhi;为电场的FF分量，R为距离，zeta;为自由空间阻抗。
下面描述了一个用于确定Ptot的有效SI公式。其推导基于上述非冗余采样表示[16]，通过采用采样展开来减少求和中的表面积分。这种展开形式与表示场的展开形式相同。事实上，由于频率卷积定理，辐射强度是一个近似带限函数，其特征是带宽是相应场带宽的两倍。因此，只要采样间隔减半，仍然可以使用采样表示法。
根据[16]中的理论结果，我们将AUT看作是封闭在小凸面sum;中的，因为该凸面有旋转对称性，引入”还原电场”这一概念：
其中相位函数y（xi;）和观测面上曲线的最佳参数xi;必须确定。当用带限函数近似F，空间带宽超过临界值Wxi;[16]时，相应的带限误差可以忽略不计。因此，选择一个等于chi;′Wxi;的带宽可以有效地控制这种误差，其中，对于电性较大的天线，chi;′略大于单位的放大因子。
在这种情况下，观测面是FF球面，可以用子午线和平行线来描述。根据上述结果[16]，子午线上的样本数仅取决于sum;的最大尺寸2a，而平行线上的采样率与其位置和最大横向尺寸2rho;max of sum;有关，即：
——经络
——平行线
因此，可以适当地使用以下基数级数（CS）展开来表示辐射强度：
(6)
其中
(8)
(9)
Int[x]给出x的整数部分，DJ（）是Dirichlet函数，则
为了保证相对theta;的带限误差常数，需要用（9）中的theta;改变放大带宽因子chi;*。
值得注意的是，在本文所考虑的铅笔束天线的情况下，rho;max=a和展开式（6）是[14]中的截短版本。通过将（6）代入（1）并颠倒积分和求和顺序，得出：
现在，考虑到
我们可以得到
其中
在一些简单的分析操作之后，对这种积分进行评估：
其中
当平面矩形扫描获得的NF数据通过恢复SI公式（13）的使用来辐射强度样品，如前所述，必须使用适当的OSI扩展来确定所需采样点的辐射强度数据。
为了方便读者阅读，下面介绍了平面矩形扫描[18]的标准探针补偿NF-FF变换的关键步骤。在这种扫描中，NF数据的样本间隔是
lambda;是波长。根据这种情况，AUT辐射场的FF分量ETheta;,Phi;(Theta;,Phi; )与以下有关：1）两组独立测量（第二组探针旋转90°）时，探针输出电压VV和VH的傅立叶变换IV和IH；2）FF分量Ersquo;Theta;V、Ersquo;Phi;V和Ersquo;Theta;H、Ersquo;Phi;H。当用作发射天线时，探头和旋转探头辐射的关系是：
其中
现在，通过平面矩形NF-FF变换中使用的FFT算法进行探针电压的傅立叶变换，因此，得到AUT远场组件已知在指定的kx和ky值
其中Nx和Ny是沿x和y的测量点数。
一个二维的OSI方案可以在给定的方向Theta;,Phi;上得到ETheta;,Phi;。其数学论证依赖于AUT远场与探头电压的傅立叶变换。因此，如果这些电压在|x|gt;Lx和|y|gt;Ly条件下可以忽略不计，根据奈奎斯特采样定理，I~V,H = IV,H e—jbeta;cosTheta;在由间距分隔的点的矩形格点上可以从其样本中重建。
因此，可以使用以下OSI扩展来重建IV，H，其值为kx和ky，对应于方向theta;，Phi;：
其中sinc（tau;）是sin（tau;）/tau;函数，2qtimes;2p是保留样品的数量，n0和m0是最接近输出点左侧的样品的指数，
NXNYgt;NxNy是NF数据的总数（综合了用于“零填充”的数据）。此外，
是Knab的采样窗口函数[19]，其中tau;0=sDelta;tau;和mu;=1minus;1/chi;，chi;gt;1是允许在使用OSI算法时控制截断误差的过采样因子。注意沿kx插值时，tau;0=qDelta;kx和chi;=NX/Nx，而沿ky插值时，tau;0=pDelta;ky和chi;=NY/Ny。
第三章 从PWMS样本到平面矩形NF数据
当通过PWMS获取NF测量值时[17]，前一节的结果可用于评估AUT的辐射功率。让我们考虑一个非定向探头扫描一个距离AUT中心d的平面，假设它是笛卡尔坐标系x，y的原点（见图1）。对于这种探头，电压与AUT辐射场的有效空间带宽相同。最后一个假设为准平面,通过选择与大半轴和小半轴等于A和B的最小扁椭球重合的曲面sum;（包围它），可以得到一个有效的源模型（图1）。因此，引入“降压”,V(xi;)作为被测电压比较方便。
如果观测曲线是一条径向线，作为x′（或y′）轴,通过采用观测点P（xi;）和sum;得到子午线平面间的交点曲线的椭圆长度，其结果为[16]：
式中，E（|）是第二类椭圆积分，是椭球偏心率，是椭圆坐标，r1,2是从P到焦点的距离，2f是焦距。
为了将二维插值方案分解为沿直线的一维OSI扩展，必须采用（27）给出的相同参数xi;（eta;）来描述所有平行于x′（y′）轴的直线。因此，它们上的样本间距与x′（y′）轴相同（见图1）。这对应于使用本地带宽恒定的参数。由于最后一个总是小于或等于Wxi;，因此不进一步说明。这样得到的网格在离开中心时越来越宽。对于相位函数gamma;，可以证明表达式（26）仍然有效。以下OSI扩展可用于插入降低的电压样本：
其中
是样品，指样品的指标是否最接近输出点，2qtimes;2p为留样数，且
此外，
是Tschebyscheff抽样函数[16]，其中TM（）是次数M=Mrsquo;rsquo;minus;Mrsquo;、以及x0=qDelta;xi;或pDelta;eta;的tschebyscheff多项式。
OSI公式（28）可用于测量平面任何点的电压，特别是在用平面矩形扫描进行经典探针补偿NF-FFf变换后所需的电压[18]。
第四章 数值试验
下面是两个数值试验，以评估所提出技术的有效性。前一个示例是指半径等于15.6lambda;的均匀平面圆形阵列（图1）。它的元素，基本惠更斯源，沿y轴线性极化，径向和方位间距为0.6lambda;。测量平面距离AUT中心10lambda;，样品位于80lambda;times;80lambda;的正方形内，与防护样品分开。该阵列由一个长轴和短轴分别等于16lambda;和2lambda;的扁椭球体组成。探头选用工作在10GHz的开口波导WR-90矩形波导。值得注意的是，p=q=6和chi;=chi;′=1.20用于重建NF-FF变换所需的平面矩形NF数据[18]。重建的E平面图如图2所示。
图2 E面形（phi;= 90°）；实线：精确；交叉：从PWMS数据重建
图3 FF的振幅分量ETheta;在Phi;= 60°；固线：精确；交叉：从PWMS数据重建
图4 FF的振幅分量EPhi;在Phi;= 45°；固线：精确；交叉：从PWMS数据重建
为了证明FF插值的有效性，图3和图4分别报告了Phi;=60°和Phi;=45°切割平面上的FF分量ETheta;的重建。可以看出，回收率非常准确。注意，在FF插值中假设p=q=6且chi;=512/250=2.048。
表1将（13）应用于NF-FF变换重建，归一化辐射强度最大值的FF数据，通过所产生的前半空间总辐射功率值与其他技术所得值进行了比较。如图所示，结果评估了程序的有效性。
表1
为了在更恶劣的条件下测试该技术的性能，可以改变阵列元件的激励以获得SLR=40dB的Tschebyscheff样。相应的结果如表2所示，在这种情况下，还应确认PWMS设施收集的NF数据进行测量，来确定AUT方向性的拟议程序的准确性。
表
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[20236]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
