近场球面扫描天线测量:探测反褶积和敏感

文摘

我们定义和计算灵敏度数实际和模拟探针。探测器灵敏度可以产生重大影响的测量不确定性与近场spherical-scanning探测反褶积,天线测量。

1。介绍

在近场平面扫描,我们知道,如果探测器的接收模式有一个零在一个给定的方向,然后测试天线的远场模式不能确定可靠地在那个方向1]。即对平面波模式感兴趣的调查必须敏感。另一方面,在近场球面扫描,没有直接的调查和测试天线之间的关系模式在一个特定的方向。尽管如此,我们认为,探针必须代表所需的所有球面波模式辐射敏感领域。

本文提出一个小的选择结果从一个更大的研究在外部和内部spherical-scanning probe-sensitivity问题测量。我们计算和讨论探针(模态)敏感性作为援助在探测器的选择和测量参数(这是一个扩展版的论文发表在2012年的天线测量技术协会研讨会(2])。

2。外部扫描

在外部球面扫描,我们确定辐射领域之外的测量领域,由于来源局限在测量领域(参见图1)。这是通常被称为球面扫描没有限定符“外部。“本文提供的理论是一个小细节的简介除此之外需要理解这篇文章。一个完整的讨论可能会发现在3]。

天线的远场辐射的特征 这个公式体现了辐射电场之间的线性关系和激励。传输函数可以扩大 在哪里和矢量球函数(4第十六章),只取决于方向,(未知的)模态系数。

天线在测试(AUT)的特点是测量探针移动球面的半径AUT封闭。占极化,两个测量每个探头位置。这些测量探头方向对应不同的旋转90°探针轴。我们遵循惯例,使用“特殊对称”或“”调查。对于这样的探测器,极化测量的组件是横向测量向量”这也可能扩大在球函数:

(已知)之间的关系和是由探究矫正方程 在哪里 翻译后的探针系数基本上是探测器的响应,位于,每一个多极组合矢量球面波的基础。象征性地, 的运营商表示探针和和分别代表磁和电多极,生成输出波在无穷远处。为一个特殊的对称的探针,除非。

我们认为与对称线性偏振探测 实际满足许多实际调查。在这种情况下斜, 探测器灵敏度的定义是在哪里 在一般情况下,适当的敏感性可能被定义为的奇异值(5]。当然,数量对应的定义探测器灵敏度计算,直接或间接地在任何probe-corrected的标准版本,近远场变换软件。

当很小,通常是两个小的比例数字。随着信号下降对噪声地板,相对的不确定性因此可以变得非常大。另一方面,加强对一些敏感模式不一定是有益的。当整个接收机的动态范围,一般有统一的模式感兴趣的敏感性。的条件数 是一个很好的衡量绩效;最优值。

3所示。内部扫描

在内部球面扫描,我们确定测量范围内的辐射领域,由于来源以外的测量范围(见图2)。在附近的坐标原点(集中在测量领域), 在哪里是“传输函数”的来源。原则上,知识允许补偿,紧凑的测量范围,非均匀光照的影响(6- - - - - -8]。

方程(2)- (10)也适用于内部扫描,除了(6)成为 在哪里和分别代表磁和电多极,保持有限的原点。这个“小”变化深刻影响探针的性质修正在内部和外部的情况下。

4所示。处理和不确定性

收集的数据通常是在一个统一的网格和与增量样本选择满足奈奎斯特采样定理 在NIST算法,角测量转换的傅里叶表示使用快速傅里叶变换(FFT)。正交积分然后雇佣关系项目的傅里叶表示球函数的基础上,生产表示(3)。最后,调查影响是通过反褶积产生远场模式(2)。

FFT是统一的,这样误差均方根(RMS)的傅里叶表示是一样的均方根误差的测量数据。投影操作也不会增加均方根误差;事实上,将会减少,如果有一些误差信号的零空间的投影。探测反褶积,假设的不确定性的敏感度是,我们有 (见(a .),例如, 因此,使用一个贫穷的探针可以导致显著增加不确定性。

我们也可以占的敏感性并不精确。与 (见(本)) 方程(14)和(16)可能在正交组合给一个总体的看法调查反褶积的效果测量的不确定性: 虽然直观和容易获得,(18)给出了一个保守估计的不确定性,可以完善。

NIST软件与双精度计算精度,确保计算错误测量误差相比可以忽略不计。

5。例子

我们认为的模式截止。这是满足辐射领域的代表。在外部的情况下,球体的半径最小的测试天线。在内部的情况下,测试区域的半径。出于实际的原因,测量半径通常选择的是什么或多个波长大于。半径与外面是球吗。半径与大于或等于两倍。

实际探测中使用本研究在图所示3。这些都在Ku波段操作,12.4 -18 GHz。

情节规范化,以便任何图的峰灵敏度值1。

5.1。外部情况

理想的偶极子探针提供一个直接测量的组件的电场和磁场。尽管实际探测只近似理想的探针在最好的情况下,理想的探针是有效的假设在实例应用“没有探头校正”。同时,实际探测越来越理想是增加了。数据4- - - - - -6“惠更斯号探测器显示敏感性”,这是一个理想的探针,由交叉电和磁偶极子。这是一个maximum-directivity探针有方向性dB (92.3.4节)。图4情节的函数数的值。在任何给定的半径,很少有敏感性的变化。否则,我们观察预期降低灵敏度增加。数据5和6显示的函数为和。当,而在,。条件改善的趋势增加是一致渐近分析的线性偏振探测的灵敏度3,附录C]。

数据7- - - - - -9NIST的SN 330探针与获得dB (3附录B]。图7情节的函数数的值。惠更斯号探测器相比,有相当大的变化的敏感性对于较小的值。数据8和9显示的函数为和200年。当,,在,。

数据10- - - - - -12显示了NIST SN 1057双端口探针与获得dB。图10情节的函数数的值。数据11和12给的函数为和200年。当,,在,。

数据13- - - - - -15NIST的SN 401探针与获得dB。这个探针与SN 330,只是添加了一个耀斑增加方向性。图13情节的函数数的值。敏感性的变化与对于较小的值是有问题的。数据14和15显示的函数为和。当,而在,。为了获得类似的条件,必须使用这个探针在相当大的价值比这里讨论的较低的方向性探针。

5.2。内部情况

在内部的情况下,调节是影响径向函数(球贝塞尔函数)为零。图16情节的函数数的值,当探测器是一种理想的电偶极子(dB)。敏感性的变化是极端的,似乎不太可能选择的一个或多个值吗将允许可靠的确定的所有模式。图17情节的函数为。在这个半径,。

幸运的是,惠更斯号探测器(dB)是更好的表现,如图18和19。图18情节的函数数的值并表示条件改善的趋势增加。图19显示的函数为。在这个半径,。

数据20.和21功能NIST SN 330探测器(dB)。图20.情节的函数数的值。再次,调节改善随着测量半径的增加。图21显示的函数为,。

数据22和23显示了NIST SN 1057双端口探测器(dB)。图22情节的函数数的值。再次,调节改善随着测量半径的增加。图23显示的函数为,。

数据24和25功能NIST SN 401探测器(dB)。图24情节的函数数的值灵敏度和较大范围。图25显示的函数为,。对于许多应用程序来说这当然是不能接受的。

图26比较了NIST SN 330 (SN 331 (dB),SN 401 (dB),dB)。SN 331 SN 330的一个版本有一个较小的光圈。SN 401有更好的灵敏度与万物平等,为多极不到索引但更敏感更大的值。因其更高的收益,然而,SN 401必须使用较低的发射功率水平。改善信噪比增加发射功率会补偿时收益减少探测器的灵敏度下降。

6。结论

对于任何给定的探针,敏感性一般测量半径增加更加均匀。更多的指令必须使用探针测量半径比少指令探针如果相同的条件数。

在球面扫描探测灵敏度的话题似乎并没有得到太多的关注日期;然而,灵敏度可以有一个非常重要的对测量精度的影响。我们的研究结果是基于有限数量的例子;然而,敏感信息的人很容易流程spherical-scanning数据。我们强烈鼓励计量人员进行近场天线测量之前探索probe-sensitivity问题。灵敏度优化设计中应该考虑新的探测器。

附录

部分分析的不确定性

从(8) 我们使用的是一个紧凑的形式。

当, 因此,

当, 因此,

信息披露

这项研究是美国政府工作不受美国版权保护。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. a·c·纽厄尔“平面近场测量,误差分析技术”IEEE天线和传播,36卷,不。6,754 - 768年,1988页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. r·c·维特曼和m·h·弗朗西斯spherical-scanning,探测灵敏度在近场天线测量,”《AMTA美国洗,页15 - 20,贝尔维尤,2012年10月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. m·h·弗朗西斯·r·c·维”近场扫描测量:理论与实践”现代天线手册,c . a . Balanis Ed, 19章,约翰威利& Sons,纽约,纽约,美国,2008年。视图:谷歌学术搜索
4. j·d·杰克逊,经典电动力学约翰·威利& Sons,纽约,纽约,美国,第二版,1975年版。视图:MathSciNet
5. r·c·维·m·h·弗朗西斯“球面扫描测量:通过近远场变换,传播错误”《AMTA,页74 - 79年,亚特兰大,乔治亚州,美国,2004年10月。视图:谷歌学术搜索
6. r·c·维球面近场扫描:确定事件字段可旋转探头附近,”IEEE 1990天线和传播学会学报》国际学术研讨会1990年5月,页224 - 227。视图:谷歌学术搜索
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9. j·e·汉森Ed。球面近场天线测量,Peregrinus,伦敦,英国,1988年。

版权

版权©2014年罗纳德·c·维特曼和迈克尔·h·弗朗西斯。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。