CN106546827B - 一种相控阵测向装置的方向图测试方法、电路及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相控阵测向装置的方向图测试方法、电路及系统，属于相控阵测向系统的测试领域，旨在提供了一种自动的相控阵测向装置的方向图测试方法、电路及系统。本发明技术要点包括：将矢量网络分析仪的射频输出端与功分网络的射频输入端连接，功分网络的各个射频输出端通过电缆分别与待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道连接，待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道均分别通过和通道电缆、俯仰差通道电缆、方位差通道电缆与微波开关连接，微波开关公共端还与矢量网络分析仪的射频输入端连接；控制器与待测相控阵测向装置的波控系统、微波开关及矢量网络分析仪具有信号连接；另外，还包括通道校准步骤，幅相测试步骤及计算绘图步骤。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵测向装置的方向图的测试方法，属于相控阵测向系统的测试领域。
背景技术
理想情况下，相控阵测向系统中各收发阵元通道的幅相特性是一致的，即所谓的幅相平衡。所有对相控阵测向装置的方向图的仿真都是基于理想条件下的理论计算。而在实际工程中，相控阵测向装置各收发阵元、阵列通道、子阵之间的幅相特性都存在差异，会给相控阵测向结果带来影响。
现有技术中，对相控阵测向装置测向能力的验证主要采用暗室辐射的方法。在暗室中固定辐射源位置，通过测试天线向待测相控阵测向装置辐射信号。待测相控阵测向装置安装在二维转台上，按一定步进转动转台，设置辐射源输出信号参数，在不同频点上完成待测相控阵测向装置整个空域内二维方向图的测量。
这种方法有以下几方面问题：
1.相控阵方向图测试随整系统联试进行，无法提前发现问题。遇到问题不易定位，无法确定是天线、阵元通道、波控系统问题还是测向算法问题；
2.对设施和场地要求较高，需要具备二维转台的暗室；
3.测试时间长。对于宽带相控阵，要控制二维转台在整个空域范围内对所有工作频点进行测试，即使采用自动测试的手段，也需要花费较长时间。一套相控阵测向装置的完整调试测试过程，需要长期占用暗室，影响其他项目的暗室联试。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动的相控阵测向装置的方向图测试方法、电路及系统。
本发明提供的相控阵测向装置的方向图测试方法，包括：将矢量网络分析仪的射频输出端与功分网络的射频输入端连接，功分网络的各个射频输出端通过电缆分别与待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道连接，待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道均分别通过和通道电缆、俯仰差通道电缆、方位差通道电缆与微波开关连接，微波开关公共端还与矢量网络分析仪的射频输入端连接；控制器与待测相控阵测向装置的波控系统、微波开关及矢量网络分析仪具有信号连接；
另外，还包括：
通道校准步骤，获取各个收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据；
幅相测试步骤，
控制微波开关将和通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
计算绘图步骤，
计算和通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算俯仰差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算方位差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图。
幅相测试步骤进一步包括：
步骤21：控制微波开关选择将和通道电缆与矢量网络分析仪接通、将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通或者将方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通；
步骤22：控制待测相控阵测向装置的波控系统的波束指向；
步骤23：控制待测相控阵测向装置的某个收发阵元处于工作状态，其他收发阵元处于非工作状态；
步骤24：控制矢量网络分析仪记录该收发阵元通道的幅相数据，利用该收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据对其进行校准补偿后保存；
步骤25：重复步骤23～步骤24，依次保存待测相控阵测向装置所有收发阵元通道的校准补偿后的幅相数据；
步骤26：重复步骤22～步骤25，依次完成指定通道下所有波束指向测试；
步骤27：重复步骤21～步骤26，依次完成和通道、俯仰差通道及方位差通道测试。
计算绘图步骤进一步包括：
假设波束指向为(α，β)时，各收发阵元通道测得的幅度值为apq，相位值为则单个收发阵元通道信号为：对其按方位阵元数、俯仰阵元数均为1的初始收发阵元的相位值为0进行归一化处理，各收发阵元通道的相位归一化值为：
式中：p为方位阵元数，q为俯仰阵元数，d1为该收发阵元距离初始收发阵元的方位阵元间距，d2为该收发阵元距离初始收发阵元的俯仰阵元间距，λ为射频信号波长；
那么和通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，m为方位阵元总数，n为俯仰阵元总数；
俯仰差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
方位差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
本发明提供的相控阵测向装置的方向图测试电路，包括矢量网络分析仪、控制器、待测相控阵测向装置、微波开关及功分网络；所述矢量网络分析仪的射频输出端与功分网络的射频输入端连接，功分网络的各个射频输出端通过电缆分别与待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道连接，待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道均分别通过和通道电缆、俯仰差通道电缆、方位差通道电缆与微波开关连接，微波开关的公共端与矢量网络分析仪的射频输入端连接；控制器与待测相控阵测向装置的波控系统、微波开关及矢量网络分析仪具有信号连接。
基于前述的测试电路，本发明还提供了一种测试系统，包括：
通道校准模块，用于获取各个收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据；
幅相测试模块，用于：
控制微波开关将和通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
计算绘图模块，用于：
计算和通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算俯仰差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算方位差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图。
幅相测试模块进一步包括：
通道选择子模块，用于控制微波开关选择将和通道电缆与矢量网络分析仪接通、将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通或者将方位差通道电缆与矢量网络分析仪的射频输入端接通；
波束选择子模块，用于控制待测相控阵测向装置的波控系统的波束指向；
阵元控制子模块，用于控制待测相控阵测向装置的某个收发阵元处于工作状态，其他收发阵元处于非工作状态；
收发阵元通道数据记录子模块，用于控制矢量网络分析仪记录该收发阵元通道的幅相数据，利用该收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据对其进行校准补偿后保存；
收发阵元测试子模块，用于重复调用阵元控制子模块及收发阵元通道数据记录子模块，依次保存待测相控阵测向装置所有收发阵元通道的校准补偿后的幅相数据；
波束指向测试子模块，用于重复调用波束选择子模块及收发阵元测试子模块，依次完成指定通道下所有波束指向测试；
通道测试子模块，用于重复调用通道选择子模块及波束指向测试子模块，依次完成和通道、俯仰差通道及方位差通道测试。
计算绘图模块进一步用于：
假设波束指向为(α，β)时，各收发阵元通道测得的幅度值为apq，相位值为则单个收发阵元通道信号为：对其按方位阵元数、俯仰阵元数均为1的初始收发阵元的相位值为0进行归一化处理，各收发阵元通道的相位归一化值为：
式中：p为方位阵元数，q为俯仰阵元数，d1为该收发阵元距离初始收发阵元的方位阵元间距，d2为该收发阵元距离初始收发阵元的俯仰阵元间距，λ为射频信号波长；
那么和通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，m为方位阵元总数，n为俯仰阵元总数；
俯仰差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
方位差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
采用本发明提出的自动测试方法对相控阵测向装置的方向图进行测试，无需等到整系统联试阶段，只要相控阵收发阵列和波控系统完成研制即可对相控阵测向装置的测向能力进行验证，能够提前发现问题，缩短系统调试联试时间。
同时，由于本发明是使用电缆将射频信号注入待测试相控阵测向装置的收发阵元通道，因此可将大量的暗室工作转移到普通实验室进行，显著降低了测试过程对环境的依赖，暗室测试只需进行最后的功能验证。通过自动测试方法，一次测试即可完成所有波束指向、所有阵元通道、所有频点的幅相数据测试和保存，测试完成后可以随时自由选择要观察验证的相控阵波束指向、工作频率，快速自动计算绘图。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明提出的测试电路原理框图。
图2为图1中单个收发阵元通道与微波开关的连接示意图。
图3为本发明方法的幅相测试流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
参见图1，首先搭建测试电路，将矢量网络分析仪的射频输出端与功分网络的射频输入端连接，功分网络的各个射频输出端通过电缆分别与待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道连接，待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道均分别通过和通道电缆、俯仰差通道电缆、方位差通道电缆与微波开关连接，微波开关公共端还与矢量网络分析仪的射频输入端连接；控制器与待测相控阵测向装置的波控系统、微波开关及矢量网络分析仪具有信号连接。
功分网络将接收到的射频信号分为N路，对应的待测相控阵测向装置的收发阵元通道也是N路，每一路射频信号通过一根电缆连接至一个收发阵元通道。
每个收发阵元通道通过和通道电缆与微波开关的一个端子连接，每个收发阵元通道通过俯仰差通道电缆与微波开关的另一个端子连接，每个收发阵元通道通过方位差电缆与微波开关的又一个端子连接。参见图2。
微波开关在控制器的指令下选择将和通道电缆、俯仰差通道电缆或方位差通道电缆连接至矢量网络分析仪的射频输入端。控制器通过向待测试相控阵测向装置的波控系统发送指令调节待测相控阵测向装置的波束指向。
相控阵测向装置的方向图的自动测试过程包括通道校准、幅相测试、计算绘图三个步骤。
(1)通道校准
由图1可以看出，在对相控阵测向装置的收发阵元通道进行幅相数据测试时，由于使用了多根测试电缆，因此测得的数据中包含了测试电缆的幅相特性，直接用测试数据进行计算绘图无法获得真实的相控阵天线方向图。单个收发阵元所在支路中的测试电缆包含了矢量网络分析仪到功分网络之间的电缆，功分网络到该收发阵元之间的电缆，该收发阵元到微波开关的电缆(当微波开关将该收发阵元的和通道电缆与矢量网络分析仪接通时，此时的电缆为和通道电缆；当微波开关将该收发阵元的俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通时，此时的电缆为俯仰差通道电缆；当微波开关将该收发阵元的方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通时，此时的电缆为方位差通道电缆)，微波开关到矢量网络分析仪之间的电缆。因此在测试前，需要获取各个收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据，测试电缆的幅相数据测量是现有技术，在此不再赘述其过程。
(2)幅相测试
幅相测试时，由控制器控制收发阵元通道、微波开关和矢量网络分析仪完成测试。具体步骤如下：
a.控制微波开关选择和通道、俯仰差通道或者方位差通道；
b.向待测相控阵测向装置的波控系统，从而改变收发阵列的波束指向；
c.控制单个收发阵元处于工作状态，其他收发阵元处于非工作状态；
d.控制矢量网络分析仪测量该收发阵元通道的幅相数据，利用该收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据进行校准补偿后保存；
e.重复步骤c～d，依次完成所有收发阵元通道的幅相数据测试；
f.重复步骤b～e，依次完成所有波束指向的测试；
g.重复步骤a～f，依次完成和通道、俯仰差通道及方位差通道测试。
(3)计算绘图
假设波束指向为(α，β)时，各收发阵元通道测得的幅度值为apq，相位值为则单个收发阵元通道信号为：对其按s11＝1进行归一化处理，即认为方位阵元数为1，俯仰阵元数为1的收发阵元通道的相位为0，各收发阵元通道的相位归一化计算值为：
式中：p为方位阵元数，q为俯仰阵元数，d1为该收发阵元距离初始收发阵元的方位阵元间距，d2为该收发阵元距离初始收发阵元的俯仰阵元间距，λ为射频信号波长；
那么和通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，m为方位阵元总数，n为俯仰阵元总数；
俯仰差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
方位差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
在幅相测试过程中，已经获得了在相控阵测向装置在不同波束指向下，各收发阵元通道的幅相数据按照本步骤的计算过程可获得待测相控阵测向装置在和通道、俯仰差通道、方位差通道下的二维方向图。
以一个工作频段为6GHz～18GHz的24阵元宽带相控阵测向装置为例，如果要获得方位(-45°，+45°)，俯仰(-45°，+45°)空域范围内的方向图，取方位步进10°，俯仰步进10°，频率步进200MHz，则采用传统的暗室辐射测试方法，由于转台要在空域范围内依次转动，波束要依次指向各个波位，信号源频率要依次切换，完成全部测试约需200小时的时间。而采用本发明的测试方法，只需控制波束指向各个波位，依次测量各阵元通道的幅相数据，全部测试可在2小时内完成，效率提升十分明显。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种相控阵测向装置的方向图测试方法，其特征在于，将矢量网络分析仪的射频输出端与功分网络的射频输入端连接，功分网络的各个射频输出端通过电缆分别与待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道连接，待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道均分别通过和通道电缆、俯仰差通道电缆、方位差通道电缆与微波开关连接，微波开关公共端还与矢量网络分析仪的射频输入端连接；控制器与待测相控阵测向装置的波控系统、微波开关及矢量网络分析仪具有信号连接；
另外，还包括：
通道校准步骤，获取每个收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据；
幅相测试步骤，
控制微波开关将和通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
计算绘图步骤，
计算和通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算俯仰差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算方位差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵测向装置的方向图测试方法，其特征在于，幅相测试步骤进一步包括：
步骤21：控制微波开关选择将和通道电缆与矢量网络分析仪接通、将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通或者将方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通；
步骤22：控制待测相控阵测向装置的波控系统的波束指向；
步骤23：控制待测相控阵测向装置的某个收发阵元处于工作状态，其他收发阵元处于非工作状态；
步骤24：控制矢量网络分析仪记录该收发阵元通道的幅相数据，利用该收发阵元通道所在支路的测试电缆的幅相数据对其进行校准补偿后保存；
步骤25：重复步骤23～步骤24，依次保存待测相控阵测向装置所有收发阵元通道的校准补偿后的幅相数据；
步骤26：重复步骤22～步骤25，依次完成指定通道下所有波束指向测试；
步骤27：重复步骤21～步骤26，依次完成和通道、俯仰差通道及方位差通道测试。
3.根据权利要求1所述的一种相控阵测向装置的方向图测试方法，其特征在于，计算绘图步骤进一步包括：
假设波束指向为(α，β)时，各收发阵元通道测得的幅度值为apq，相位值为则单个收发阵元通道信号为：对其按方位阵元数、俯仰阵元数均为1的初始收发阵元的相位值为0进行归一化处理，各收发阵元通道的相位归一化值为：
式中：p为方位阵元数，q为俯仰阵元数，d1为该收发阵元距离初始收发阵元的方位阵元间距，d2为该收发阵元距离初始收发阵元的俯仰阵元间距，λ为射频信号波长；
那么和通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，m为方位阵元总数，n为俯仰阵元总数；
俯仰差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
方位差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
4.一种相控阵测向装置的方向图测试电路，包括矢量网络分析仪、控制器和待测相控阵测向装置，其特征在于，还包括微波开关及功分网络；所述矢量网络分析仪的射频输出端与功分网络的射频输入端连接，功分网络的各个射频输出端通过测试电缆分别与待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道连接，待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道均分别通过和通道电缆、俯仰差通道电缆、方位差通道电缆与微波开关连接，微波开关公共端还与矢量网络分析仪的射频输入端；控制器与待测相控阵测向装置的波控系统、微波开关及矢量网络分析仪具有信号连接。
5.基于权利要求4所述的测试电路的测试系统，其特征在于，包括：
通道校准模块，用于获取各个收发阵元所在支路的测试电缆的幅相数据；
幅相测试模块，用于：
控制微波开关将和通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
控制微波开关将方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通，矢量网络分析仪记录待测相控阵测向装置在不同波束指向情况下待测相控阵测向装置中各个收发阵元通道的幅相数据，利用所述测试电缆的幅相数据对收发阵元通道的幅相数据校准补偿，保存校准补偿后的各收发阵元通道的幅相数据；
计算绘图模块，用于：
计算和通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算俯仰差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图；
计算方位差通道下各个波束指向的信号幅度，并绘制二维方向图。
6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，幅相测试模块进一步包括：
通道选择子模块，用于控制微波开关选择将和通道电缆与矢量网络分析仪接通、将俯仰差通道电缆与矢量网络分析仪接通或者将方位差通道电缆与矢量网络分析仪接通；
波束选择子模块，用于控制待测相控阵测向装置的波控系统的波束指向；
阵元控制子模块，用于控制待测相控阵测向装置的某个收发阵元处于工作状态，其他收发阵元处于非工作状态；
收发阵元通道数据记录子模块，用于控制矢量网络分析仪记录该收发阵元通道的幅相数据，利用该收发阵元所在支路的电缆的幅相数据对其进行校准补偿后保存；
收发阵元测试子模块，用于重复调用阵元控制子模块及收发阵元通道数据记录子模块，依次保存待测相控阵测向装置所有收发阵元通道的校准补偿后的幅相数据；
波束指向测试子模块，用于重复调用波束选择子模块及收发阵元测试子模块，依次完成指定通道下所有波束指向测试；
通道测试子模块，用于重复调用通道选择子模块及波束指向测试子模块，依次完成和通道、俯仰差通道及方位差通道测试。
7.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，计算绘图模块进一步用于：
假设波束指向为(α，β)时，各收发阵元通道测得的幅度值为apq，相位值为则单个收发阵元通道信号为：对其按方位阵元数、俯仰阵元数均为1的初始收发阵元的相位值为0进行归一化处理，各收发阵元通道的相位归一化值为：
式中：p为方位阵元数，q为俯仰阵元数，d1为该收发阵元距离初始收发阵元的方位阵元间距，d2为该收发阵元距离初始收发阵元的俯仰阵元间距，λ为射频信号波长；
那么和通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，m为方位阵元总数，n为俯仰阵元总数；
俯仰差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
方位差通道下该波束指向的信号幅度为：
其中，
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