CN104101786A - 全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，旨在提供一种控制灵活，指向精度高,成本低、用电扫描取代机械扫描的测量系统。本发明通过下述技术方案予以实现：在接收方向图测试链路中，信号收发设备发送测试频点信号到标校塔的辅助天线，球面相控阵天线接收辅助天线发送的信号，并经有源数字多波束形成设备形成接收波束，信号收发设备接收记录信号电平，上报到自动化测试设备自动化测试软件；自动化测试设备自动化测试软件控制有源数字多波束形成设备形成某一方向的收发波束并采集收发波束的信号电平，对整个空域进行二维电扫描，分别将收发波束指向的方位、俯仰角度和对应指向的信号电平画出三维图像，得到天线的收发立体方向图。

Description

全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统

技术领域

本发明涉及一种全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统结构。

背景技术

近年来，相控阵天线作为民用和军用天线技术的一个重要发展方向备受关注。在相控阵天线中，有源多波束天线信号收发系统是指能够产生2个或2个以上的独立可控的波束,且每个波束能对准目标,独立完成对每个目标的信号发射或接收。相控阵天线波束由计算机控制，在空间几乎是无惯性扫描，具有很大的灵活性，其天线最大辐射方向随着灵活的波束扫描而发生变化；除此之外，天线的阵元排列方式、阵元间距和加权函数等因素均对相控阵天线方向图有很大影响。由于有源多波束天线系统波束作用空域很宽,要求单元天线的方向图近似全向方向图。在几百阵元拼阵条件下,阵列法线方向产生波束的半功率波束宽度亦有4～6度左右。相控阵天线的方向图由阵的结构决定，如果己知阵元结构，理论上天线方向图可以精确计算的。由于相控阵天线阵面通常由几千个阵元组成，因此计算量很大。同时，相控阵天线扫描角每变化一次就要重新解算一次增益，计算非常繁杂。通常相控阵天线的阵元结构并不一定完全已知，且工程实现也会使得方向图与理论计算值有差异，而且在实际的相控阵天线系统中，由于存在着随机的幅度与相位误差，天线阵上各单元的激励电流的幅度和相位不可能完全保持一致。引起这些随机幅相误差的原因很多，如天线单元方向图的不一致，天线单元的安装误差，天线单元的损坏，天线单元间的互耦和射频通道间的幅相误差，天线旋转半径引起的距离变化带来的空间衰减误差等。但是不管是哪种原因引起的误差，归根结底都可以幅相误差来表示。在进行波束成形时，由于这些随机误差的存在，使得阵列的输出与理想情况下存在偏差。因此需要对相控阵天线进行实际测量以确认其指标达到设计预期。

在传统测量中通过测量出天线增益及高功放馈给天线的净功率二者的乘积，而在有源多波束天线系统中，每一个天线阵列单元有一个功放组件，一定数量的收发组件组成阵列的并行通道，其阵列天线增益与等效功放输出功率不易直接测量获得。在有源多波束天线方向图的测试中，传统天线方向图测试一般采用二维的方法测量出天线方位面和俯仰面。波束方向的改变是依靠各阵元天线方向图测试方法进行方向图测试。传统方向图测试采用二维的方法测出天线方位面和俯仰面的方向图,其基本点是波束指向的法线方向与天线口面是固定不变的,波束方向的改变依靠天线机械运动来实现。由于波束天线的波束数量多、波束指向要用三维空间特征来表示，因此有源多波束天线方向图的测试要复杂的多。有源多波束天线方向图测量不同于常规无源天线方向图的测量,如果按照常规的天线方向图测试方法，只能测试其某一切割面的方向图，不能完成立体方向图的测试。有源多波束天线立体方向图测量，一般是在地面高架测试场完成有源多波束天线立体方向图测试,这不仅收发天线之间的距离要满足最小远场测试距离条件,而且需要建立高精度的三轴测试转台。

在全空域有源多波束球面相控阵测控系统中，由于设计的等效口径较大，且作用范围要覆盖到整个空域，天线的阵元数目、外型尺寸、重量必然很大。对于大型球面相控阵天线方向图测量，常规的方向图测试方法分为两类：一是在微波暗室环境,利用天线近场测量系统来测量天线近场的幅度和相位分布,由近场测试数据推算天线的远场性能完成天线方向图的测量，建设微波暗室需和天线近场方向重合；搭建近场测量系统需要很高的成本。二是在自由空间测试环境，通过远场标校塔架设辅助天线，配备三轴转台带动待测天线机械匀速转动，以机械扫描的方式获得远场方向图数据。对大型全空域有源多波束球面相控阵天线而言，采用常规的方向图测试方法会遇到以下问题：

1、在微波暗室环境的近场测量搭建测试环境成本高昂，对外型尺寸太大的天线甚至难以实现；

2、常规自由空间测试环境的远场测量方法对大型球面相控阵天线也不太适用，因为天线重量能够达到数吨，通过给天线配备三轴机械伺服转台，带动天线方位俯仰的转动实现要求很高，成本高昂。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有大型球面相控阵天线方向图测量存在的问题，提供一种简单实用、易于实现、控制灵活，成本低、波束指向精度高,采用电扫描取代机械扫描，避免机械转动波束指向误差的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，包括：待测球面相控阵天线后端连接的有源数字多波束形成设备、根据天线的位置搭建具有远场条件的标校塔，标校塔上放置收发测试信号的辅助天线、信号收发设备和自动化测试设备，其特征在于：在接收测试链路中，信号收发设备发送测试频点信号到标校塔的辅助天线，球面相控阵天线接收辅助天线发送的信号，并经过受自动化测试设备控制的有源数字多波束形成设备，形成单个或者多个接收波束，信号收发设备接收有源数字多波束形成设备的信号并记录信号电平，实时上报到自动化测试设备自动化测试软件；在发射方向图测试链路中，信号收发设备发送测试频点信号到受自动化测试设备控制的有源数字多波束形成设备形成单个或者多个发射波束，球面相控阵天线接收有源数字多波束形成设备计算的发射信号并发送到指定波束方向，辅助天线接收球面相控阵天线发出的信号，信号收发设备接收辅助天线收到的信号并记录信号电平，上报到自动化测试设备自动化测试软件；自动化测试设备自动化测试软件控制有源数字多波束形成设备形成某一方向的收发波束并采集收发波束的信号电平，改变波束指向的方位俯仰角，对整个空域进行二维电扫描得到天线各个方向对应的收发信号电平，分别将收发波束指向的方位、俯仰方角度和对应指向的信号电平画出三维图像，得到天线的收发立体方向图。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明利用球面阵列天线阵元位置布局的空间对称性以及数字波束形成技术的特性，自动化测试软件控制有源波束形成设备形成某一方向的收发波束并采集收发波束的信号电平，改变波束指向的方位俯仰角度，对整个空域进行二维电扫描得到天线各个方向对应的收发信号电平，将收发波束指向的方位俯仰角度和对应指向的信号电平根据需要画出和波束和差波束的三维方向图像，得到天线的收发立体方向图，克服了由近场测试数据推算天线的远场性能完成天线方向图的测量，建设微波暗室和天线近场方向重合成本很高的缺陷。

本发明通过自动化测试软件控制有源波束形成设备形成某一方向的收发波束并采集收发波束的信号电平，改变波束指向的方位俯仰角度，实现改变波束指向来等效改变天线的几何方向，在任意工作范围角度内方向图的形状相同，不会因为波束指向角度的变化发生方向图畸变。

测试系统搭建易于实现，节约成本。本发明用电扫描的方式替代机械扫描方式，完成天线收发和差波束方向图的测试方案，对环境依赖程度不高，不需要搭建微波暗室，不需要配备天线机械伺服转台。这种采用电扫描的方式替代了机械扫描方式，不仅扫描速度快，指向精度高，而且不需要三轴转台带动天线转动，避免了机械转动的波束指向误差。

本发明采用球面相控阵天线后端连接有源多波束形成设备，根据天线的位置搭建具有远场条件的标校塔，标校塔上放置收发测试信号的信标辅助天线、有源数字多波束形成设备、信号收发设备和自动化测试设备组成全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，可对有源多波束天线设备进行立体方向图测试，方便了实际工作环境中搭建测试平台进行测量和系统工作前对天线状态性能的确认。

实现方便，控制灵活。采用软件方式实现自动化测试、实时接收采集信号和控制波束指向信息，控制产生单个或多个波束，不仅能够通过控制波束形成方式得到和波束和差波束方向图，而且通过扫描方式选择扫描一维或者二维方向图，控制扫描范围和步进调整扫描精度。

具有通用性。本发明对于球面非对称布局的相控阵天线可以通过修正等效到对称模型然后利用这种方法进行测量。

本发明实现简单，能够满足全空域有源多波束球面相控阵测控系统中接收和差波束和发射和波束方向图测量的需求。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是本发明全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统示意图。

图2是球面相控阵天线的波束指向示意图。

具体实施方式

参阅图1～图2。图1所示全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统结构，主要由球面相控阵天线、标校塔、辅助天线、有源数字多波束形成设备、信号收发设备、自动化测试设备组成。其中，球面相控阵天线后端连接有源数字多波束形成设备，标校塔是根据天线的位置搭建的，收发测试信号的辅助天线放置在标校塔上，且标校塔上的辅助天线和待测的球面相控阵天线之间的距离满足最小远场距离条件。

测试接收方向图的实施步骤为：

1、搭建接收测试链路：信号收发设备发送测试频点信号到标校塔的辅助天线，球面相控阵天线接收辅助天线发送的信号并经过有源数字多波束形成设备形成单个或者多个接收波束，有源数字多波束形成设备受自动化测试设备控制，可以对每一个波束进行单独控制产生某个波束指向方位俯仰角度在(φ,θ)方向上和差两种类型的波束(波束指向示意图如图2所示，以球面天线几何球心为坐标原点建立的三维笛卡尔坐标系，方位角φ为方向矢量在XY平面的投影和X轴的夹角，俯仰角θ为方向矢量和XY平面的夹角)，信号收发设备接收有源数字多波束形成设备的信号并记录信号电平E，实时上报到自动化测试设备。

2、设置自动化测试参数：自动化测试设备设置波束形成个数N、和或者差波束形成方式、扫描范围(φ₀,θ₀)到(φ₁,θ₁)、扫描步进方位Δφ和俯仰Δθ，N为自然数，φ₀和θ₀为波束扫描起始点的方位角和俯仰角，φ₁和θ₁为波束扫描结束点的方位角和俯仰角。自动化测试设备设置波束扫描中心对准辅助天线位置，扫描范围如果方位固定，则扫描出的是该方位上俯仰角度从θ₀到θ₁的一维方向图，如果俯仰固定，则扫描出的是该俯仰上方位角度从φ₀到φ₁的一维方向图。

3、软件自动化扫描：

①自动化测试设备控制有源数字多波束形成设备产生波束1在扫描起始方位俯仰角度在(φ₀,θ₀)方向的波束形成信号，并记录该点信号电平；

②自动化测试设备保持波束指向俯仰角θ不变，并根据扫描步进方位角Δφ改变波束指向方位角度，直到方位角度达到扫描范围最大值φ₁，并对应记录方位角度从φ₀到φ₁方向上每一指向信号电平，得到该俯仰角θ剖面的方位角度间隔为Δφ的信号电平；

③自动化测试设备根据扫描步进俯仰角Δθ不断改变波束指向俯仰角度，并在每个俯仰角度下，改变波束指向方位角度，直到方位角度达到扫描范围最大值φ₁，并对应记录方位角度从φ₀到φ₁方向上每一指向信号电平，得到每个俯仰角度剖面的方位角度间隔为Δφ的信号电平，最终得到整个方位俯仰角度扫描范围(φ₀,θ₀)到(φ₁,θ₁)内俯仰角度间隔为Δθ方位角度间隔为Δφ的信号电平，即得到第一个波束该方式下的波束方向图数据。

④改变波束号和波束形成方式并重复步骤①到③可以得到接收波束1到N的和差方向图数据。

4、方向图数据处理：自动化测试设备根据接收和差方向图数据，以波束方位角、俯仰角、信号电平(φ,θ,E)建立三维坐标系将对应数据点描出，即得到每一个接收波束的三维和差方向图，并能计算得到对应的天线接收增益、和波束主瓣宽度、和波束副瓣电平、差波束零陷指标。

测试发射方向图的实施步骤为：

1、搭建发射测试链路：信号收发设备发送测试频点信号到有源数字多波束形成设备形成单个或者多个发射波束，球面相控阵天线接收有源数字多波束形成设备计算的发射信号并发送到指定波束方向，有源数字多波束形成设备受自动化测试设备控制，可以对每一个波束进行单独控制产生某个波束指向方位俯仰角度在(φ,θ)方向上的和波束(波束指向示意图如图2所示，以球面天线几何球心为坐标原点建立的三维笛卡尔坐标系，方位角φ为方向矢量在XY平面的投影和X轴的夹角，俯仰角θ为方向矢量和XY平面的夹角)，辅助天线接收球面相控阵天线发出的信号，信号收发设备接收辅助天线收到的信号并记录信号电平E，实时上报到自动化测试设备。

2、设置自动化测试参数：自动化测试设备设置和波束形成个数N、扫描范围(φ₀,θ₀)到(φ₁,θ₁)、扫描步进方位Δφ和俯仰Δθ，N为自然数，φ₀和θ₀为波束扫描起始点的方位角和俯仰角，φ₁和θ₁为波束扫描结束点的方位角和俯仰角。自动化测试设备设置波束扫描中心对准辅助天线位置，扫描范围如果方位固定，则扫描出的是该方位上俯仰从θ₀到θ₁的一维方向图，如果俯仰固定，则扫描出的是该俯仰上方位角度从φ₀到φ₁的一维方向图。

3、软件自动化扫描：

①自动化测试设备控制有源数字多波束形成设备产生波束1在扫描起始方位俯仰角度在(φ₀,θ₀)方向的波束形成信号，并记录该点信号电平；

②自动化测试设备保持波束指向俯仰角θ不变，并根据扫描步进方位角Δφ改变波束指向方位角度，直到方位角度达到扫描范围最大值φ₁，并对应记录方位从φ₀到φ₁方向上每一指向信号电平，得到该俯仰角θ剖面的方位角度间隔为Δφ的信号电平；

③自动化测试设备根据扫描步进俯仰角Δθ不断改变波束指向俯仰角度，并在在每个俯仰角度下，改变波束指向方位角度，直到方位角度达到扫描范围最大值φ₁，并对应记录方位角度从φ₀到φ₁方向上每一指向信号电平，得到每个俯仰角度剖面的方位角度间隔为Δφ的信号电平，最终得到整个方位俯仰角度扫描范围(φ₀,θ₀)到(φ₁,θ₁)内俯仰角度间隔为Δθ方位角度间隔为Δφ的信号电平，即得到第一个波束该方式下的波束方向图数据。

④改变波束号并重复步骤①到③可以得到发射和波束1到N的方向图数据。

4、方向图数据处理：自动化测试设备根据发射和波束方向图数据，以(φ,θ,E)建立三维坐标系将对应数据点描出，即得到每一个发射和波束的三维方向图，并能够计算得到对应的天线发射增益、波束主瓣宽度、副瓣电平指标。

Claims (10)

1.一种全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，包括：待测球面相控阵天线后端连接的有源数字多波束形成设备、根据天线的位置搭建具有远场条件的标校塔，标校塔上放置收发测试信号的辅助天线、信号收发设备和自动化测试设备，其特征在于：在接收方向图测试链路中，信号收发设备发送测试频点信号到标校塔的辅助天线，球面相控阵天线接收辅助天线发送的信号，并经过受自动化测试设备控制的有源数字多波束形成设备，形成单个或者多个接收波束，信号收发设备接收有源数字多波束形成设备的信号并记录信号电平，实时上报到自动化测试设备自动化测试软件；在发射方向图测试链路中，信号收发设备发送测试频点信号到受自动化测试设备控制的有源数字多波束形成设备形成发射波束，球面相控阵天线接收有源数字多波束形成设备计算的发射信号并发送到指定波束方向，辅助天线接收球面相控阵天线发出的信号，信号收发设备接收辅助天线收到的信号并记录信号电平，上报到自动化测试设备自动化测试软件；自动化测试设备自动化测试软件控制有源数字多波束形成设备形成某一方向的收发波束并采集收发波束的信号电平，改变波束指向的方位俯仰角，对整个空域进行二维电扫描得到天线各个方向对应的收发信号电平，分别将收发波束指向的方位、俯仰方角度和对应指向的信号电平画出三维图像，得到天线的收发立体方向图。

2.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备对有源数字多波束形成设备每一个波束进行单独控制，产生某个波束指向方位俯仰角度为(φ,θ)方向上和差两种类型的波束，φ为波束指向方位角，θ为波束指向俯仰角。

3.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备设置波束形成个数N、和或者差波束形成方式、波束扫描方位俯仰角度范围(φ₀,θ₀)到(φ₁,θ₁)、扫描步进方位角Δφ和俯仰角Δθ，N为自然数，φ₀和θ₀为波束扫描起始点的方位角和俯仰角，φ₁和θ₁为波束扫描结束点的方位角和俯仰角。

4.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备设置波束扫描中心对准辅助天线位置，扫描范围如果方位固定，则扫描出的是该方位上俯仰角度从θ₀到θ₁的一维方向图，如果俯仰固定，则扫描出的是该俯仰上方位角度从φ₀到φ₁的一维方向图。

5.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备控制有源数字多波束形成设备产生一波束在扫描起始方位俯仰角度在(φ₀,θ₀)方向的波束形成信号，并记录该点信号电平。

6.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备保持波束指向俯仰角θ不变，并根据扫描步进方位角Δφ改变波束方位指向，直到方位角度达到扫描范围最大值φ₁，并对应记录方位角度从φ₀到φ₁方向上每一指向信号电平，得到该俯仰角θ剖面的方位角度间隔为Δφ的信号电平。

7.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备根据扫描步进俯仰角Δθ不断改变波束指向俯仰角度，并在每个俯仰角度下，改变波束指向方位角度，直到方位角度达到扫描范围最大值φ₁，并对应记录方位角度从φ₀到φ₁方向上每一指向信号电平，得到每个俯仰角度剖面的方位角度间隔为Δφ的信号电平，最终得到整个方位俯仰角度扫描范围(φ₀,θ₀)到(φ₁,θ₁)内俯仰角度间隔为Δθ方位角度间隔为Δφ的信号电平，即得到该波束该方式下的波束方向图数据。

8.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备根据和差方向图数据，以(φ,θ,E)建立三维坐标系将对应数据点描出，即得到每一个接收波束的三维方向图，计算得到对应的波束主瓣宽度、副瓣电平指标,φ、θ、E分别表示波束的方位角、俯仰角、信号电平。

9.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：自动化测试设备根据接收和差方向图数据，以波束方位角、俯仰角、信号电平(φ,θ,E)建立三维坐标系将对应数据点描出，得到每一个接收波束的三维和差方向图，并计算获得对应天线的接收增益、和波束主瓣宽度、和波束副瓣电平、差波束零陷指标。

10.如权利要求1所述的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，其特征在于：波束指向的方位角和俯仰角是在球面天线几何球心为坐标原点建立的三维笛卡尔坐标系中定义，方位角为方向矢量在XY平面的投影和X轴的夹角，俯仰角为方向矢量和XY平面的夹角。