CN102664690B - 一种智能天线doa估计性能的有线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能天线DOA估计性能的有线测试方法，利用天线的矢量方向图将智能天线对信号波达方向的响应表示为阵列单元输出的归一化幅相分布，用真实的幅度调节器和相位调节器实现这种归一化的幅相分布，并将实现归一化幅相分布的幅度调节器和相位调节器插入到智能天线系统中，实现了波达方向的真实模拟，从而能够通过有线测试确定智能天线的DOA估计性能(包括波达方向估计、波束增强或调零性能)，本发明测试方法对DOA估计性能的测试和验证不需要远场或紧缩场条件，对场地和环境的要求低，降低了应用难度，可以更真实的反映智能天线的实际性能，具有广泛的适用性和推广应用价值。

Description

一种智能天线DOA估计性能的有线测试方法

技术领域

本发明涉及一种智能天线，特别是一种用于智能天线的波达方向模拟和DOA估计与自适应波束增强或调零性能的测试方法。

背景技术

智能天线由很多天线单元组成，每个单元馈以一定幅度和相位(称之为幅度权值和相位权值)的信号以形成特定的波束，实现波束扫描、增强或调零。一般情况下，通过控制连接单元的幅度调节器对单元信号幅度进行调节形成所需要的波束，通过改变连接单元的相位调节器对单元信号的相位进行控制以实现波束扫描。

智能天线需要在某个波达方向(DOA)进行波束增强或调零时，根据波达方向自适应的计算每个单元的幅度权值和相位权值，然后通过控制与每个单元相连接的权值网络(幅度调节器和相位调节器)实现需要的幅相权值，在期望的方向得到波束增强或调零方向图。

智能天线对于期望方向的估计性能和在期望方向进行波束增强或调零的性能(即DOA估计性能)是智能天线最关键的技术性能。对这几个关键性能参数的验证是智能天线研制中必须进行的工作。

自从智能天线提出以来，对DOA估计性能的验证，一般采用模拟仿真或者在远场、紧缩场条件下通过无线测试的方法进行。

由于模型的理想化，和实际的天线系统之间存在的差别使得模拟仿真的方法不能完全真实的反映智能天线的实际性能，因此，一般在模拟仿真的基础上，要进行实际的测试，即：在满足智能天线远场条件的距离上架设真实的信号源，使其对应真实的信号来波方向，然后分别启动智能天线的DOA估计功能和波束增强或调零功能得到其DOA估计性能。这项工作对于机载和星载天线来说尤为重要。

满足智能天线远场条件的环境目前有两种：一种是天线远场测试场，另一种是天线紧缩测试场。天线远场测试场受环境的影响较大，无论是电磁环境还是雨雪天气均会严重影响测试结果甚至无法进行测试，而且占地面积大；天线紧缩测试场可以不受电磁环境和雨雪天气等的影响，但造价高，全球范围内的天线紧缩测试场远远小于远场测试场的数量。另外，在以上两种场地进行智能天线测试，对于阵列规模较大的智能天线，架设、测试比较复杂且不方便，花费时间长成本也高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种智能天线DOA估计性能的有线测试方法，该测试方法对DOA估计性能的测试和验证不需要远场或紧缩场条件，对场地和环境的要求低，降低了应用难度，可以更真实的反映智能天线的实际性能，具有广泛的适用性和推广应用价值。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种智能天线DOA估计性能的有线测试方法，测试系统包括幅度和相位调节器、1分P的辅助功分网络、幅度和相位调节器控制器、微波信号发生器，具体测试过程如下：

(1)将智能天线的阵元与权值网络断开，将幅度和相位调节器与权值网络连接，同时将1分P辅助功分网络的功分端口分别与幅度和相位调节器连接，再将微波信号发生器与1分P辅助功分网络的公共端口连接，最后将频谱仪与波束合成器连接；其中智能天线的阵元共有1～P个，且P≥3，权值网络的数量与阵元相同；

(2)设定波达方向(θ_{J_I}，φ_{J_I})，利用阵元在(θ_{J_I}，φ_{J_I})方向的方向图矢量A_p(θ_{J_I}，φ_{J_I})，计算出第p个阵元输出口的幅相分布U_{p_I(t)}，即：

$U_{p\_I\left(t\right)}=I\left(t\right)A_p({\mathrm{\θ}}_{J\_I},{\mathrm{\φ}}_{J\_I})=U_{p\_I}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{p\_I}},p=1~p$

其中：为方位角，θ_{J_I}为俯仰角，A_p为(θ_{J_I}，φ_{J_I})方向的方向图矢量，I(t)为信号矢量；

(3)对第p个阵元输出口幅相分布U_{p_I(t)}按幅度最小值和相位最小值进行归一化计算，得到归一化结果

(4)将第p个阵元输出口的归一化幅度表示为以dB为量纲的计算值，相位表示为以度“°”为量纲的计算值：

U_{p_I_Normal}＝20log(U_{p_L_Normal})(dB)          p＝1～P

(5)幅度和相位调节控制器根据归一化幅度和相位的计算值得到控制码，并将所述控制码发送给幅度和相位调节器；

(6)打开微波信号发生器的输出；

(7)启动智能天线的DOA估计功能，获得波达方向的计算值将波达方向的计算值与设定值(θ_{J_I}，φ_{J_I})进行比较，若二者一致，则进入步骤(8)；

(8)启动智能天线的DOA波束增强或调零功能，获得波达方向上波束增强或调零的权值；

(9)在频谱仪上观察波束增强或调零功能启动前后的信号幅度变化，获得波束增强或调零的结果。

本发明与现有技术相比有益效果如下：

(1)本发明利用天线的矢量方向图将智能天线对信号波达方向的响应表示为阵列单元输出的归一化幅相分布，用真实的幅度调节器和相位调节器实现这种归一化的幅相分布，并将实现归一化幅相分布的幅度调节器和相位调节器插入到智能天线系统中，实现了波达方向的真实模拟，从而能够通过有线测试确定智能天线的DOA估计性能(包括波达方向估计、波束增强或调零性能)，本发明测试方法与DOA估计性能的模拟仿真方法相比，可以更真实的反映智能天线的实际性能；

(2)本发明的测试方法对DOA估计性能的测试和验证不需要远场或紧缩场条件，对场地和环境的要求低，降低了应用难度；

(3)本发明的测试方法对于需要在紧缩场或远场条件下与其它系统联试的有源天线系统，可以在联试之前，检查有源天线系统自身设计和状态的正确性，提前发现存在的问题；

(4)本发明的测试方法仅需要借助普通的测试设备，例如幅度和相位调节器、幅度和相位调节器控制器、1分P功分网络、频谱仪和微波信号发生器即可实现DOA估计性能的测试和验证，方法简单，结果准确，可靠性高；

(5)本发明对所有阵面和有源通道能够物理上进行分离开的智能天线的DOA估计性能(包括测向、波束增强和调零以及波束重构)以及雷达系统的目标检测特性均可以进行测试，对于一切需要模拟天线对目标的响应的阵列天线系统均可以进行测试和验证，具有广泛的适用性和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明智能天线结构示意图；

图2为本发明实现有线测试方法的测试系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明智能天线结构示意图，由图可知智能天线由阵元、权值网络、波束合成器和波束控制/处理器组成。阵元共有1～P个(P≥3)，权值网络的数量与阵元的数量相同。

如图2所示为本发明实现有线测试方法的测试系统结构示意图，本发明在测试时将阵元和权值网络断开(或者组装之前二者不连接)。需要一个辅助幅度调节器和相位调节器及其幅度和相位调节控制器，将幅度调节器和相位调节器与权值网络相连接。需要一个1分P的辅助功分网络，将1分P辅助功分网络的功分端口分别与幅度调节器和相位调节器连接。需要一台微波信号发生器，将其与1分P辅助功分器的公共端口连接。需要1台辅助频谱仪或其它可显示信号幅度的仪器与波束合成器的输出连接。

具体测试过程如下：

步骤(一)、设定波达方向(θ_{J_I}，φ_{J_I})，利用阵元在(θ_{J_I}，φ_{J_I})方向的方向图矢量A_p(θ_{J_I}，φ_{J_I})，计算出第p个阵元输出口的幅相分布U_{p_I(t)}，即：

$U_{p\_I\left(t\right)}=I\left(t\right)A_p({\mathrm{\θ}}_{J\_I},{\mathrm{\φ}}_{J\_I})=U_{p\_I}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{p\_I}},p=1~p---\left(1\right)$

其中：为方位角，θ_{J_I}为俯仰角，A_p为(θ_{J_I}，φ_{J_I})方向的方向图矢量，I(t)为信号矢量；

步骤(二)、对第p个阵元输出口幅相分布U_{p_I(t)}按幅度最小值和相位最小值进行归一化计算，得到归一化结果

步骤(三)、将第p个阵元输出口的归一化幅度表示为以dB为量纲的计算值，相位表示为以度“°”为量纲的计算值：

U_{p_I_Normal}＝20log(U_{p_I_Normal})(dB)  p＝1～P               (3)

步骤(四)、幅度和相位调节控制器根据归一化幅度和相位的计算值得到控制码，并将所述控制码发送给幅度和相位调节器；

步骤(五)、打开微波信号发生器的输出；

步骤(六)、启动智能天线的DOA估计功能，获得波达方向的计算值将波达方向的计算值与设定值(θ_{J_I}，φ_{J_I})进行比较，若二者一致，则进入步骤(七)；

步骤(七)、启动智能天线的DOA波束增强或调零功能，获得波达方向上波束增强或调零的权值；

步骤(八)、在频谱仪上观察波束增强或调零功能启动前后的信号幅度变化，获得波束增强或调零的结果。

若上述步骤(六)中波达方向的计算值与设定值(θ_{J_I}，φ_{J_I})不一致，则对智能天线自身硬件和软件进行检查确保状态正确。

本发明智能天线DOA(Direction of Arrival，DOA)估计性能的有线测试方法，利用天线的矢量方向图将智能天线对信号波达方向的响应表示为阵列单元输出的归一化幅相分布，用真实的幅度调节器和相位调节器实现这种归一化的幅相分布，并将实现归一化幅相分布的幅度调节器和相位调节器插入到智能天线系统中，实现了波达方向的真实模拟，从而能够通过有线测试确定智能天线的DOA估计性能(包括波达方向估计、波束增强或调零性能)。

本发明非常好的解决了不具备远场或者紧缩场条件下波达方向的模拟和智能天线DOA估计性能的测试问题，具有较强的实用性。本发明对于需要在紧缩场或远场条件下与其它系统联试的有源天线系统，可以在联试之前，检查有源天线系统自身设计和状态的正确性，提前发现存在的问题。本发明对所有阵面和有源通道能够物理上进行分离开的智能天线的DOA估计性能(包括测向、波束增强和调零以及波束重构)以及雷达系统的目标检测特性均可以进行测试，具有广泛的适用性和推广应用价值。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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。

Claims (1)

1.一种智能天线DOA估计性能的有线测试方法，其特征在于：测试系统包括幅度和相位调节器、1分P的辅助功分网络、幅度和相位调节器控制器、微波信号发生器，具体测试过程如下：

(1)将智能天线的阵元与权值网络断开，将幅度和相位调节器与权值网络连接，同时将1分P辅助功分网络的功分端口分别与幅度和相位调节器连接，再将微波信号发生器与1分P辅助功分网络的公共端口连接，最后将频谱仪与波束合成器连接；其中智能天线的阵元共有1～P个，且P≥3，权值网络的数量与阵元相同；

(2)设定波达方向(θ_{J_I}，φ_{J_I})，利用阵元在(θ_{J_I}，φ_{J_I})方向的方向图矢量A_p(θ_{J_I}，φ_{J_I})，计算出第p个阵元输出口的幅相分布U_{p_I(t)}，即：

$U_{p\_I\left(t\right)}=I\left(t\right)A_p({\mathrm{\θ}}_{J\_I},{\mathrm{\φ}}_{J\_I})=U_{p\_I}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{p\_I}},p=1~P$

其中：φ_{J_I}为方位角，θ_{J_I}为俯仰角，A_p为(θ_{J_I}，φ_{J_I})方向的方向图矢量，I(t)为信号矢量；

(3)对第p个阵元输出口幅相分布U_{p_I(t)}按幅度最小值和相位最小值进行归一化计算，得到归一化结果

(4)将第p个阵元输出口的归一化幅度表示为以dB为量纲的计算值，相位表示为以度“°”为量纲的计算值：

U_{p_I_Normal}=20lg(U_{p_I_Normal})  (dB)  p=1～P

(5)幅度和相位调节控制器根据归一化幅度和相位的计算值得到控制码，并将所述控制码发送给幅度和相位调节器；

(6)打开微波信号发生器的输出；

(7)启动智能天线的DOA估计功能，获得波达方向的计算值将波达方向的计算值与设定值(θ_{J_I}，φ_{J_I})进行比较，若二者一致，则进入步骤(8)；

(8)启动智能天线的DOA波束增强或调零功能，获得波达方向上波束增强或调零的权值；

(9)在频谱仪上观察波束增强或调零功能启动前后的信号幅度变化，获得波束增强或调零的结果。