CN103344847A - 相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样方法。该方法首先由探头定位器按预定的方向匀速滑动，经过取样位置时向编码控制器发送一个电脉冲，编码控制器按照预定的精确工作周期、指令时序和工作次数，协调相控阵天线的波束控制系统和射频测量系统完成多次波束转换和射频取样测量，在一个取样位置实现同时多波束精确扫描取样的射频测量，并且使得每一个波束的取样数据在所有的取样位置均获得一个固定的位置偏移，使得各波束的近场测量取样间隔保持一致，便于进行近场到远场数学计算。

Description

相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样方法

技术领域

本发明涉及天线近场相控阵波束控制的测量技术，通过对指令、延时和工作次数的精确控制，在一个取样位置实现了同时多波束扫描取样测量，并且各波束的取样间隔均保持一致，便于进行近场到远场数学计算（快速傅里叶变换）。

背景技术

本发明用于相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样。

在离开被测天线3~5λ(λ为工作波长)距离上，用一个电特性已知的探头在被测天线近区某一平面或曲面上按照取样定理进行扫描取样电磁场的幅度和相位数据，再经过严格的数学变换(快速傅里叶变换，Fast Fourier Transform，简写为FFT)计算出被测天线远区场的电特性，这一技术称之为天线近场测量技术。根据取样表面的不同，可分为平面扫描技术，柱面扫描技术和球面扫描技术。

探头对取样表面应沿定位器的两个轴向采取等间隔取样（满足取样定理）形成矩形排列的取样点数据，通常一个轴向做扫描，另一个轴向按照取样间隔逐一步进定位。对于相控阵天线的多个波束的取样测量，一种方法是令探头停留在取样位置上，然后连续转换各波束的同时由射频测量系统进行取样，一次完成多个波束的测量，并保证各波束的取样点在同一位置上；另一种方法是令相控阵天线保持在一个波束状态下，探头配合射频测量系统进行快速的取样。前者虽然测量的位置统一，但是探头在各取样位置之间的机械运动，包括启动、停止和定位三个过程均需要花费较长的时间；后者单次测量的机械运动短，但是总的取样测量时间与波束的数量成倍数增加。两种方法的共同缺点是总的取样测量花费的时间长，相控阵天线在此过程中由于受到温度变化的影响，工作状态很难保持稳定，导致测量结果不能完全表征相控阵天线的性能。

为了缩短相控阵天线的多个波束取样测量时间，在一次取样中需要将所有波束连续转换并完成测量，同时探头经过取样位置（理想取样点）时并不停留，而是保持匀速继续向下一个取样位置前进。这个方法看起来简单，然而，相控阵天线的波束转换和射频系统的取样测量均需要花费一定的时间，导致各波束的实际取样测量位置不同程度的偏离理想取样点，如何既允许偏离的发生而又保证取样数据经计算获得波束形状的精确，是相控阵天线近场多波束测量技术中需要解决的问题。

如果同一个波束在所有的取样位置上，实际取样位置偏离理想取样点的距离是一致的，也就是取样间隔保持不变（参见图1），根据采样定理，样本点的整体偏移而不改变取样间隔，最终经FFT计算获得的结果与在理想取样点上测量时的计算结果是一致的。为了获得精确的偏离距离以减小实际取样位置误差对近场测量结果造成的影响，首先应当保证探头经过各取样点时的滑动速度是一致的，其次从一个波束转换到下一个波束的工作周期必须是稳定的，这就要求控制波束转换和射频测量的编码控制器必须拥有精准的时钟。

基于上述原理，本专利提出了一种易于实现，能够在探头匀速滑动过程中快速转换波束并取样，从而同时获得多个波束的近区电磁场的幅度和相位数据的方法。该方法能够显著降低相控阵天线近场测量的数据取样时间，并保证各波束的取样间隔一致，便于进行FFT计算最终获得波束形状。

本发明中的编码控制器是为相控阵多波束测量而设计的，其主要任务是实时响应定位器的取样位置电脉冲，按设定时序控制相控阵波束转换和射频系统取样测量，但是并不与二者产生交互，从而保证了工作时序和波束转换周期的准确和稳定。该装置能够在类似MCU等微控制单元为平台的信号处理器内部实现，易于通过计算机指令设定波束数量、波束编码、工作时序和周期，并且通过外接晶体振荡器产生的时基信号能够精确的控制工作时间。

发明内容

本发明提供了一种在天线近场测量的探头扫描过程中同时取样相控阵天线多个波束近区数据的技术方法，并且取样数据便于进行FFT计算以获得波束形状。

实现本发明的解决方案是：定位器控制探头滑动扫描经过每一个取样位置时保持相同的均匀的速度；编码控制器在接收到来自定位器在取样位置发出的电脉冲后，首先向相控阵波束控制器发出波束编码和转换指令，然后延迟一个固定的时间，使波束转换完成；紧接着向射频测量系统发送取样测量指令，然后延迟一个固定的时间，使射频取样测量完成；再进入下一个波束转换的周期，直至所有波束转换和射频取样测量完成，最后从射频测量系统中取回所有波束取样数据，完成在探头滑动的过程中同时完成多个波束扫描取样测量。由于波束编码、波束转换指令、取样测量指令和两个固定延时长度均基于编码控制器的时钟产生，从而获得了精确的工作周期，保证了各波束的取样间隔一致，使得取样数据便于直接进行FFT计算以获得精确的波束形状。

本技术方法的关键设计点是：可通过计算机指令设定波束编码、工作指令和延迟的编码控制器，该控制器工作的基本流程是：

在探头扫描测量取样开始前，控制器接收计算机发送出波束编码序列、延时长度、波束转换指令码、取样测量指令码，并存放于MCU的RAM中。定位器的电脉冲信号直接进入MCU的中断源，启动中断程序。在中断程序中，控制器从RAM中读取波束编码序列的第1个编码，发送给相控阵天线的波束控制系统，紧接着发送波束转换指令；延迟一个固定的时间后，再向射频测量系统发送取样测量指令，再延迟一个固定的时间后，继续读取并发送下一个波束编码，如此往复直至所有的波束编码序列发送并取样测量完成。最后控制器向计算机返回一个完成指令，开始等待下一个电脉冲信号的到达。

本发明中的编码控制器基于MCU的硬件平台，采用C语言编程，已应用于工程实际。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1.探头在扫描过程中不需要停留，省去了机械运动中的启动、停止和定位过程所花费的时间；2.一次扫描同时获得所有波束的取样数据，减少了重复的工作；3. 解决了取样点偏离对测量计算结果产生的影响；4.所有波束取样获得的数据均能够直接使用相同FFT处理流程进行近远场转换计算，便于批量处理。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是天线近场测量的取样位置及取样过程示意图。

图2是本发明的工作流程图。

图3是本发明中涉及的相控阵近场测量系统连接框图。

具体实施方式

本发明具体实施方法为：

1. 采用MCU的硬件平台设计编码控制器，控制器能够接收计算机发送出波束编码序列、延时长度、波束转换指令码、取样测量指令码，并存放于MCU的RAM中。当接收到定位器的电脉冲信号，并直接转入MCU的中断源，启动中断程序。在中断程序中，控制器从RAM中读取波束编码序列的第1个编码，发送给相控阵天线的波束控制系统，紧接着发送波束转换指令；延迟一个固定的时间T1后，再向射频测量系统发送取样测量指令，再延迟一个固定的时间T1后，继续读取并发送下一个波束编码，如此往复直至所有的波束编码序列发送并取样测量完成。最后向计算机返回一个完成指令，开始等待下一个电脉冲信号的到达。编码控制器的波束编码和波束转换指令格式与被测相控阵天线的波束控制系统所要求的格式应当一致；取样测量指令码格式与射频测量系统所要求的应当一致。最后将编码控制器与定位器，射频测量系统以及被测相控阵天线进行电连接（见图3）。

2. 确定被测相控阵天线的波束转换所需要的时间Tc 。

3. 设定射频测量系统的工作频率、发射功率、中频带宽、每点测量时间Ts、测量存储点数N以及其他必要的工作参数，测量存储点数应当等于被测相控阵天线的波束数量，每点测量时间应小于编码控制器中设定的对应延时长度T2。

4. 设定编码控制器的波束编码序列、延时长度T1和T2、波束转换指令码、取样测量指令码，其中T1>Tc，T2>Ts，波束编码序列长度N等于被测相控阵天线的波束数量。

5. 设定定位器的控制探头的扫描速度S，产生电脉冲的取样位置间隔D1和取样次数，根据探头的加速度计算出达到所需扫描速度所需要的加速距离，设定探头滑动起止位置，并将探头移动到滑动起始端。

6. 启动探头滑动，在进入取样位置前，探头加速到设定的扫描速度并达到均速S，经过每一个取样位置时，定位器向编码控制器发出电脉冲；编码控制器在接收到电脉冲后启动中断程序，首先向相控阵波束控制器发出波束编码和转换指令，然后延迟一个固定的时间T1，使波束转换完成；紧接着向射频测量系统发送取样测量指令，然后延迟一个固定的时间T2，使射频取样测量完成；再进入下一个波束转换的周期，直至所有波束转换和射频取样测量完成；最后向计算机返回一个完成指令，开始等待下一个电脉冲信号的到达。

7. 计算机在接收到编码控制器的完成指令后，从射频测量系统中获取N个波束的取样数据，并按照波束顺序依次保存。

8. 当滑动扫描结束，在一条扫描线上的所有波束均完成了同时扫描取样测量。假定编码控制器发送波束编码和转换指令所需时间为Ta，射频测量指令所需时间为Tb，则相邻波束之间的取样间隔L=(Ta+T1+Tb+T2)*S，并且该数值是精确的。因此，各波束的取样间隔均为D1。

9. 定位器的按步进取样间隔D2将探头定位到下个步进取样位置，从步骤3开始进行下一次滑动取样，并且滑动取样方向一致。

10. 至此，探头对取样表面沿扫描轴间隔D1，沿步进轴间隔D2同时对N个波束完成了取样测量，形成矩形排列的取样点数据，并且每一个波束的取样间隔均在两个轴向上分别为D1和D2，能够直接进行FFT计算以获得精确的波束形状。

Claims (2)

1.一种相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样方法，其特征为：定位器控制探头滑动扫描经过每一个取样位置时保持相同的均匀的速度；编码控制器在接收到来自定位器在取样位置发出的电脉冲后，首先向相控阵波束控制器发出波束编码和转换指令，然后延迟一个固定的时间，使波束转换完成；紧接着向射频测量系统发送取样测量指令，然后延迟一个固定的时间，使射频取样测量完成；再进入下一个波束转换的周期，直至所有波束转换和射频取样测量完成，最后从射频测量系统中取回所有波束取样数据，完成在探头滑动的过程中同时完成多个波束扫描取样测量；波束编码、波束转换指令、取样测量指令和两个固定延时长度均基于编码控制器的时钟产生，获得精确的工作周期，使得各波束的取样间隔一致，取样数据便于直接进行FFT计算以获得精确的波束形状。

2.一种根据权利要求1所述的相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样方法，其特征在于：所述编码控制器接收计算机发送出波束编码序列、延时长度、波束转换指令码、取样测量指令码，并存放于MCU的RAM中；定位器的电脉冲信号直接进入MCU的中断源，启动中断程序；在中断程序中，编码控制器从RAM中读取波束编码序列的第1个编码，发送给相控阵天线的波束控制系统，紧接着发送波束转换指令；延迟一个固定的时间后，再向射频测量系统发送取样测量指令，再延迟一个固定的时间后，继续读取并发送下一个波束编码，如此往复直至所有的波束编码序列发送并取样测量完成；最后编码控制器向计算机返回一个完成指令，开始等待下一个电脉冲信号的到达。

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