CN103926474A - 相控阵天线单元特性近场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，旨在提供一种能够在所有单元同时工作时测量独立的单元的方向图及其口面近场的近场测量方法。本发明通过下述技术方案予以实现：选择一个被测相控阵天线AUT，用一个相连电脑PC和相连控制器的矢量网络分析仪PNA，以及分别相连PNA和控制器的近场扫描架探头组成检测天线单元幅相特性的近场测量系统；AUT作为发射天线，探头作为接收天线，扫描架探头安装在位于测量天线口面前方。设备间按照近场测试方法连接。测量相控阵天线第m个单元幅相特性a_m时，近场扫描平面内的每个测试点均采用矢量平均方法，测量并计算该单元T/R组件、阵元、阵元到测量点空间链路总体的幅相特性n＝1,...,N；计算出相控阵测量单元的幅相特性a_m。

Description

相控阵天线单元特性近场测量方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线测量领域，具体涉及有源相控阵天线各个单元的幅相特性的近场测量方法。 

技术背景

在图7所示的现有技术有源相控阵天线中，一个相控阵天线包括了M个具有相同特性的单元，每个单元主要由T/R组件和无源阵元串联构成。理论上，这些单元的幅相特性是完全一致的，即a₁＝a₂＝...＝a_M，但由于相控阵天线在制作过程中，每个单元采用的器件性能有差异，阵元安装位置也存在误差，从而导致单元间的幅相特性不一致。准确测量相控阵天线单元的幅相特性，是相控阵天线校正的必要手段。目前天线测量的方法包括近场测量和远场测量，相对于与远场测量，近场测量具有诸多优点，包括测量场地要求低、容易获得天线近场和远场辐射特性的三维分布、避免远场测量中波束主轴对不准等问题。近场测量的理论基础是电磁波传播中的惠更斯-基尔霍夫原理，基本方法是：首先测量一个包围被测天线的近场闭合曲面上切线方向场的分布，然后根据电磁波传播理论，推导该天线远场位置场分布，最后推导天线口面场分布。而天线口面场分布，就是相控阵单元的幅相特性。一般情况下，只要被测天线辐射的电磁波在扫描曲面外可以忽略，闭合曲面扫描没有必要，而是采用近场平面、球面或者圆柱面扫描。采用上述传统的近场测量方法进行相控阵天线单元幅相特性测量时，由于近场测量数据中包括了单元间的耦合干扰，所以，通过近场推导口面场的计算结果误差较大，无法得到准确的单元幅相特性a_m，其中m＝1,...,M。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种解决相控阵天线单元幅相特性近场测量中存在单元间耦合干扰的技术问题的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法。 

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于包括如下步骤： 

（1）选择一个被测相控阵天线AUT，，一个矢量网络分析仪（PNA），一个近场扫描架，近 场扫描架上安装一个探头，一个控制器，一台电脑（PC）；AUT作为发射天线，探头作为接收天线，扫描架探头安装在位于测量天线口面前方，距离为d处，d为3—5个波长；被测相控阵天线AUT与PNA相连，作为AUT的信号源，提供稳定的单频信号，PNA把该单频信号耦合回PNA测量端口A作为参考信号，PNA的测量端口B与近场扫描架探头相连，从而测量探头接收信号的幅度和相位；PNA通过接口与PC相连，把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；控制器分别与AUT、PNA和扫描架相连，通过位置同步信号和控制同步信号控制AUT相位加权、探头位置和PNA测量三者的同步，同时也控制对AUT任意单元T/R组件的相位加权，并接收探头位置信息； 

（2）控制器控制扫描架，使得探头在一个确定的平面β上运动，探头运动轨迹可以是水平连续垂直步进，也可以是垂直连续水平步进；在探头运动轨迹的曲线上，PNA选择离散的N个点位置进行信号测量，记录下探头接收信号的幅度和相位，这N个点的选择，要满足空间采样定理，即相邻测量点的距离小于半个波长。 

（3）相控阵天线包含M个单元，每个单元由T/R组件和无源阵元串联构成，每个单元测量方法相同；选择测量第m个单元幅相特性a_m时，m＝1,...,M，相位加权按如下步骤实施： 

控制器控制探头移动到平行于被测AUT阵面的平面β内第1个测量点位置，控制被测相控阵的T/R组件相位加权值，除第m个单元外的其余M-1个单元的T/R组件相位加权值始终保持为e^j0，同时控制第m个单元T/R组件的相位加权值，依次取K种不同权值，即其中，K＝2^b,b小于等于T/R组件移相器移相位数，而k＝1,...,K； 

在第m个单元T/R组件在不同相位加权时，PNA根据控制器提供的同步信息，依次测量和记录K个测量值其中k＝1,...,K； 

然后根据矢量平均方法，在PC中完成对第m个单元在平面β第1个测量点的幅相特性计算，即其中a_m表示第m个单元T/R组件和阵元幅相特性，表示从第m个阵元到平面β第1个点的空间链路幅相特性； 

控制器把探头移动到平面β第n个点，重复执行上述步骤，得到第m个单元在平面β内第n个点的幅相特性n＝2,...,N，该幅相特性就是第m个单元在平面β内的场分布； 

最后在PC中，按照经典近场扫描测量方法，由近场平面β内测量并计算得到的N个点 的幅相特性n＝1,...,N，推算出第m个单元T/R组件和阵元的幅相特性a_m，m＝1,...,M，即由近场场分布推口面场场分布。 

本发明相比于现有技术具有如下有益效果： 

本发明在相控阵天线的近场测量中引入矢量平均处理方法，消除了单元间的耦合干扰。所有单元同时工作时可以测量独立的单元的方向图含耦合或者去掉耦合，以及单元的口面近场，解决了相控阵天线单元幅相特性近场测量中存在单元间耦合干扰的技术问题。 

本发明可以应用于有源相控阵天线单元幅相特性近场测量。 

附图说明

图1本发明相控阵天线单元幅相特性的近场测量系统示意图。 

图2是图1近场扫描架探头水平连续垂直步进扫描示意图。 

图3是图1近场扫描架探头垂直连续水平步进扫描示意图。 

图4是近场扫描架探头扫描平面上测量点位置示意图。 

图5是位置及控制同步脉冲信号、被测单元及非被测单元相位加权值和测量数据的时序图。 

图6相控阵天线的单元幅相特性关系示意图。 

图7相控阵天线单元结构示意图。 

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法的实施例中，根据本发明 

（1）选择一台电脑PC、一个矢量网络分析仪PNA、一个控制器、一个被测相控阵天线AUT、近场扫描架上安装一个探头的近场扫描架探头。AUT作为发射天线，探头作为接收天线。扫描架安装在位于测量天线口面前方，距离为d处，d为3—5个波长。PNA与AUT相连，作为AUT的信号源，提供稳定的单频信号，同时，PNA把该信号耦合回PNA测量端口A，作为参考信号，PNA的测量端口B与探头相连，测量探头接收信号的幅度和相位。PNA通过接口与PC相连，把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；控制器分别与AUT、PNA和扫描架相连，控制AUT相位加权、探头位置和PNA测量三者的同步，同时也控制对AUT任意单元T/R组件的相位加权，并接收探头位置信号。 

（2）控制器控制扫描架，使得探头在一个确定的平面β上运动，探头运动轨迹可以是水平连续垂直步进，也可以是垂直连续水平步进；在探头运动轨迹的曲线上，PNA选择离散的N 个点位置进行信号测量，记录下探头接收信号的幅度和相位，这N个点的选择，要满足空间采样定理，即相邻测量点的距离小于半个波长。 

（3）相控阵天线包含M个单元，每个单元由T/R组件和无源阵元串联构成，每个单元测量方法相同；选择测量第m个单元幅相特性a_m时，m＝1,...,M，按如下步骤实施： 

第一步，控制器控制探头移动到平面β内第1个测量点位置； 

第二步，控制器控制相控阵的T/R组件相位加权值，除第m个单元外的其余M-1个单元的T/R组件相位加权值始终保持为e^j0； 

第三步，控制器控制第m个单元T/R组件的相位加权值，依次取K种不同权值，即其中，K＝2^b,b小于等于T/R组件移相器移相位数，而k＝1,...,K； 

第四步，第m个单元T/R组件在不同相位加权时，PNA根据控制器提供的同步信息，依次测量和记录K个测量值其中k＝1,...,K； 

第五步，根据矢量平均方法，在PC中完成对第m个单元在平面β第1个测量点的幅相特性计算，即其中a_m表示第m个单元T/R组件和阵元幅相特性， 表示从第m个阵元到平面β第1个点的空间链路幅相特性，该计算结果已经消除了其他单元对第m个单元的互耦干扰； 

第六步，控制器把探头移动到平面β第n个点，重复执行上述第二步到第五步，从而得到第m个单元在平面β内第n个点的幅相特性n＝2,...,N，该幅相特性就是第m个单元在平面β内的场分布； 

第七步，在PC中，按照经典近场扫描测量方法，由近场平面β内测量并计算得到的N个点的幅相特性n＝1,...,N，推算出第m个单元T/R组件和阵元的幅相特性a_m，m＝1,...,M，即由近场场分布推口面场场分布。 

在（1）所述的步骤中，PNA的A端口参考信号获得，可以通过源信号耦合，也可以在空间固定位置安装一接收天线获得。 

在（2）所述的步骤中，测量所选择的β面可以是平面，也可以是任意曲面，只要AUT辐射的电磁波未穿过该曲面的部分少到可以被忽略。 

在（3）所述的步骤中，每个单元幅相特性数据的测量和计算可以独立进行，即探头只需要完成一次β面扫描，在扫描到第n个点时，测量所有单元的不同相位加权下的数据 m＝1,...,M，n＝1,...,N，k＝1,...,K，PNA先记录下这些测量数据，然后，再在PC上分别计算每个单元的幅相特性参数。 

参阅图2、图3。近场扫描架探头的扫描曲面为一个足够大的平面β，使得AUT辐射的电磁波未穿过扫描平面的部分可以被忽略。在控制器控制下，近场扫描架探头的扫描轨迹可以是水平连续垂直步进，如图2所示，也可以是垂直连续水平步进，如图3所示。在扫描平面内，选择N个点作为测量点，根据空间采样定义，相邻测量点的水平和垂直距离都要小于半个波长，通常这些测量点是如图4所示的均匀分布。显然采样点数N，决定于扫描面积和相邻测量点间距离。根据被测天线的特性，扫描曲面也可以是球面或者圆柱面。 

参阅图5、图6。在对第m个单元进行测量时，其中m＝1,...,M，控制器控制扫描架，使得探头在扫描平面β内按预定轨迹运动。同时，扫描架向控制器发送周期为T的位置同步脉冲信号，每个脉冲对应扫描平面内一个测量点，控制器向相控阵天线和PNA发送相同的周期为T_s的脉冲控制同步信号，每个脉冲对应一个测量数据。在每个周期T_s时间内，控制器同时向相控阵各个T/R组件发送相位加权信号，即除第m个单元T/R组件以外的M-1个单元T/R组件相位加权为e^j0，而第m个单元的T/R组件相位加权依次取 其中，K＝2^b,b小于等于T/R组件移相器移相位数。从而，在每个周期T_s内，PNA测量记录K个测量数据角标n表示近场扫描架探头在扫描平面内第n个测量点测量的数据，n＝1,...,N。通常近场扫描架探头是连续缓慢运动，其在每个测量点的滞留时间为T，则K个测量数据需要在T_s时间内完成，显然T_s＜＜T。这些同步脉冲信号、相位加权值和测量数据的时序如图5所示。 

在图6中，PNA把在第n个测量点记录的K个数据传递给PC，在PC内进行矢量平均计算，其中k＝1,...,K。对于每个测量值包括三个部分：一是被测单元幅相特性 式中，a_m表示第m个单元T/R组件和阵元幅相特性，这是最终的待测量值，表示从第m个阵元到平面β内第n个测量点的空间链路幅相特性，二是其余M-1个单元幅相特性其中a_i和具有同第m个单元相同的含义，三是其余M-1个单元对第m个单元的耦合干扰即 $A_{\mathrm{nk}}^m=a_m{s}_n^m{e}^{j2\mathrm{\π}\frac{k}{K}}+\underset{\underset{i\≠m}{i=1}}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{s}_n^i{e}^{j0}+\underset{\underset{i\≠m}{i=1}}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ni}}^m.$ 在对第m个单元T/R组件采用不同相位加时，后两个量是不变换的，所以，对测量数据做如下处理：  $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{nk}}^m{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{k}{K}}=K\·a_m{s}_n^m+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{k}{K}}(\underset{\underset{i\≠m}{i=1}}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{s}_n^i{e}^{j0}+\underset{\underset{i\≠m}{i=1}}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ni}}^m)=K\·a_m{s}_n^m.$ 解上述方程，就可以得到第m个单元在第n个测量点的幅相特性为该特性已经消除了其他单元的耦合干扰。对每个测量点的测量数据进行相同的上述矢量平均计算，就得到了第m个单元扫描平面β内的幅相特性，即消除耦合干扰后的场分布。 

最后根据近场测量理论，由近场平面场分布n＝1,...,N，可以计算第m个单元产生的波谱函数，从而计算第m个单元的远场场分布，进而计算第m个单元的口面场分布。该口面场分布就是第m个单元的待测幅相特性a_m。该变换过程是近场测量中的基本方法，是本领域公知技术。 

通常相位加权的变换所需时间和对应测量所需时间极短,如果探头扫描速度较慢，M·T_s＜＜T，可以在如图4所示的驻留时间T内，把所有M个单元的不同相位加权下的数据全部测量。而数据计算在扫描测量完成后进行。这样，通过一次扫描，就可以获得计算每个单元幅相特性所需的所有测量数据其中m＝1,...,M，n＝1,...,N，k＝1,...,K。获得的测试数据，再在PC上完成相应的处理，从而计算出每个单元的T/R组件和阵元对应的幅相特性a_m，而且，每个单元的计算方法都是相同的。 

Claims (10)

1.一种相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于包括如下步骤： 

（1）选择一个被测相控阵天线AUT，用一个相连电脑PC和相连控制器的矢量网络分析仪PNA，以及分别相连PNA和控制器的近场扫描架探头组成检测天线单元幅相特性的近场测量系统；AUT作为发射天线，探头作为接收天线，扫描架探头安装在位于测量天线口面前方，距离为d处，d为3—5个波长；被测相控阵天线AUT与PNA相连，作为AUT的信号源，提供稳定的单频信号，PNA把该单频信号耦合回PNA测量端口A作为参考信号，PNA的测量端口B与近场扫描架探头相连，从而测量探头接收信号的幅度和相位；PNA通过接口与PC相连，把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；控制器分别与AUT、PNA和扫描架相连，通过位置同步信号和控制同步信号控制AUT相位加权、探头位置和PNA测量三者的同步，同时也控制对AUT任意单元T/R组件的相位加权，并接收探头位置信息； 

（2）在探头运动轨迹的曲线上，PNA根据控制器提供的上述三个同步信号，选择相邻距离小于半个波长的离散的N个点位置进行测量，记录下探头接收信号的幅度和相位。 

（3）选择测量第m个单元幅相特性a_m时，m＝1,...,M，相位加权按如下步骤实施： 

控制器控制探头移动到被测AUT平面β内第1个测量点位置，控制被测相控阵的T/R组件相位加权值，除第m个单元外的其余M-1个单元的T/R组件相位加权值始终保持为e^j0，同时控制第m个单元T/R组件的相位加权值，依次取K种不同权值，即其中，K＝2^b,b小于等于T/R组件移相器移相位数，而k＝1,...,K； 

在第m个单元T/R组件在不同相位加权时，PNA根据控制器提供的同步信息，依次测量和记录K个测量值其中k＝1,...,K； 

然后根据矢量平均方法，在PC中完成对第m个单元在平面β第1个测量点的幅相特性计算，即其中a_m表示第m个单元T/R组件和阵元幅相特性，表示从第m个阵元到平面β第1个点的空间链路幅相特性； 

控制器把探头移动到平面β第n个点，重复执行上述步骤，得到第m个单元在平面β内第n个点的幅相特性n＝2,...,N，该幅相特性就是第m个单元在平面β内的场分布； 

最后在PC中，按照经典近场扫描测量方法，由近场平面β内测量并计算得到的N个点的幅相特性n＝1,...,N，推算出第m个单元T/R组件和阵元的幅相特性a_m，m＝1,...,M，即由近场场分布推口面场场分布。 

2.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：相控阵天线包含M个单元，每个单元由T/R组件和无源阵元串联构成，每个单元测量方法相同。 

3.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：探头只需要完成一次β面扫描，在扫描到第n个点时，测量所有单元的不同相位加权下的数据m＝1,...,M，n＝1,...,N，k＝1,...,K，PNA先记录下这些测量数据，然后，再在PC上分别计算每个单元的幅相特性参数。 

4.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：在控制器控制下，近场扫描架探头的扫描轨迹是水平连续垂直步进或是垂直连续水平步进。 

5.如权利要求4所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：在扫描平面内，控制器选择N个点作为测量点，根据空间采样定义，相邻测量点的水平和垂直距离均小于半个波长，且这些测量点是均匀分布的。 

6.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：扫描架向控制器发送周期为T的位置同步脉冲信号，每个脉冲对应扫描平面内一个测量点，控制器向相控阵天线和PNA发送相同的周期为T_s的脉冲控制同步信号，每个脉冲对应一个测量数据。 

7.如权利要求6所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：在每个周期T_s时间内，控制器同时向相控阵各个T/R组件发送相位加权信号，即除第m个单元T/R组件以外的M-1个单元T/R组件相位加权为e^j0，而第m个单元的T/R组件相位加权依次取 

8.如权利要求7所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：在每个周期T_s内，PNA测量记录K个测量数据n为近场扫描架探头在扫描平面内第n个测量点测量的数据，n＝1,...,N。 

9.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：PNA把在 第n个测量点记录的K个测量值数据传递给PC，在PC内进行矢量平均计算，其中k＝1,...,K。每个测量值包括三个部分：一是被测单元幅相特性式中，a_m表示第m个单元T/R组件和阵元幅相特性，这是最终的待测量值，表示从第m个阵元到平面β内第n个测量点的空间链路幅相特性，二是其余M-1个单元幅相特性其中a_i和 具有同第m个单元相同的含义，三是其余M-1个单元对第m个单元的耦合干扰即 

10.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于：在对第m个单元T/R组件采用不同相位加时，后两个量是不变换的，并对测量数据做如下处理： 解出上述方程，即得到第m个单元在第n个测量点的幅相特性为