CN107255756A - 一种相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波测试领域，特别涉及一种相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法。相控阵天线近场方向图并行测试系统包括；天线安装转台，用于固定待测天线，并驱动其偏转；扫描架，其设置探头，用于采集待测天线的近场数据；信号收发器，用于向待测天线发送射频信号以及接收近场数据；波控转接器，用于向待测天线发送波控指令；工控机，分别与信号收发器、波控转接器、天线安装转台、探头以及信号收发器等装置连接。本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法，通过近场探头单次扫描，实现相控阵天线多波束，多频率全自动并行测试，实现相控阵天线并行测试，大大提高了测试效率，同时，有效的减少人工操作。

Description

一种相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及微波测试领域，特别涉及一种相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法。

背景技术

相控阵天线具有跟踪精度高、扫描速度快、重量轻、体积小、可靠性和维修性高、抗干扰能力强等特点，在预警雷达、导航引导等装备中得到广泛应用。

目前，需要对相控阵天线各波位的方向性系数、波束宽度、旁瓣电平、极化方式、波束赋形等参数进行全面的测试及优化，才能保证最终的成像质量。但是，相控阵天线辐射特性测试是一个复杂的技术课题，通常需要大量的测试来进行验证，测试复杂度与普通天线相比要高出许多，测试任务量大。

而目前已知的单波位静态测试系统，需要人工反复操作多次，测试耗时长，工作量大，并容易造成误操作，测试效率低；因此，常规的单波位静态测试已经无法满足天线研制试验的需求。

发明内容

本发明的目的是提供了一种能够满足相控阵天线辐射特性测试的相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法。

本发明的技术方案是：

一种相控阵天线近场方向图并行测试系统，用于对待测天线的幅相数据进行测试，所述测试系统包括；

天线安装转台，用于固定所述待测天线，且能够带动所述待测天线绕预定轴线偏转；

扫描架，与所述天线安装转台位于同一水平面；

探头，设置在所述扫描架上，距所述待测天线预定距离，能够在所述扫描架上按照预定轨迹运动，所述探头按照所述预定轨迹运动时，能够采集所述待测天线的近场数据；

信号收发器，用于向所述待测天线发送具有预定频率和功率的射频信号，还用于接收所述探头采集到的所述待测天线的近场数据；

波控转接器，用于向所述待测天线发送波控指令，所述波控指令用于控制所述待测天线波束的状态；

工控机，用于控制所述信号收发器向所述待测天线发送射频信号、用于控制所述波控转接器向所述待测天线发送波控信号、用于控制所述天线安装转台转动、用于控制所述探头运动、以及用于对所述信号收发器接收所述待测天线的近场数据进行处理。

可选的，所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统还包括：

耦合器，设置在所述信号收发器与所述待测天线之间，用于将所述射频信号分为相对的大信号和小信号，所述大信号发送至所述待测天线；

参考混频器，设置在所述信号收发器与所述待测天线之间，用于将所述小信号混频处理成中频信号，再传递到所述信号收发器；

测试混频器，设置在所述信号收发器与所述探头之间，用于将所述探头发送的信号混频处理成中频信号，再传递到所述信号收发器。

可选的，所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统还包括：

信号放大器，设置在所述信号收发器与所述耦合器之间。

可选的，所述信号收发器为矢量网络分析仪。

可选的，所述扫描架包括：

安装架；

探头安装座，用于安装探头；

探头驱动装置，用于驱动所述探头安装座带动所述探头在所述安装架上且在竖直平面内沿水平方向或竖直方向移动，所述探头驱动装置还用于驱动所述探头绕自身轴线转动。

可选的，所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统还包括：

安装架控制器，用于根据所述工控机的控制指令控制所述探头驱动装置作动。

可选的，所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统还包括：

天线安装转台控制器，用于根据所述工控机的控制指令控制所述天线安装转台作动。

可选的，所述波控转接器包括依次连接的单端/差分转换器、第一处理单元以及第二处理单元；其中

所述单端/差分转换器用于接收工控机发送的与不同波束状态相匹配的波控指令，还用于将所述第二处理单元处理完成的波控指令发送至所述待测天线；

所述第一处理单元用于将所述单端/差分转换器传递的波控指令进行处理，得到具体波束状态的数量以及每个波束状态指令的长度、每个波束状态指令的具体数据；

第二处理单元，接收并存储所述第一处理单元处理的数据，并根据接收的外部数据对存储的第一处理单元中的对应具体数据进行选取，并发送至所述单端/差分转换器。

本发明还提供了一种根据上述任一项所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、设置预定数量的不同波束状态，并将所述预定数量的不同波束状态进行排序；

步骤二、在波控转接器中设置与不同波束状态相匹配的波控指令；

步骤三、通过工控机控制探头在预定轨迹上按照第一预定时间间隔进行移动探测，采集对应波束状态的所述待测天线的近场数据；同时，控制所述波控转接器向待测天线发送波控指令，且在一个所述第一预定时间间隔范围内，将全部波束状态按照第二预定时间间隔依次发送；

步骤四、在工控机中，用于对所述信号收发器接收所述待测天线的近场数据进行处理，完成测试。

可选的，在所述步骤四中，是将所述待测天线的近场数据变换为远场数据和/或口面场数据。

发明效果：

本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法，通过近场探头单次扫描，实现相控阵天线多波束，多频率全自动并行测试，实现相控阵天线并行测试，大大提高了测试效率，同时，有效的减少人工操作。

附图说明

图1是本发明相控阵天线近场方向图并行测试系统的结构示意图；

图2是本发明相控阵天线近场方向图并行测试系统中波控转接器的结构原理图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1至图2对本发明相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法做进一步详细说明。

本发明提供了一种相控阵天线近场方向图并行测试系统，用于对待测天线1的幅相数据进行测试；需要说明的是，本发明后续描述的所有数据均包括天线的幅度和相位数据。

具体地，测试系统可以包括天线安装转台2、扫描架3、探头4、信号收发器5、波控转接器6以及工控机7。

天线安装转台2用于固定待测天线1，且能够带动待测天线1绕预定轴线偏转，比如正负60°、180°等等。其中，天线安装转台2可以根据需要选择为多种已知的适合的安装转台，例如可以包括驱动电机，驱动电机直接或通过对应的齿轮装置来驱动，具体结构此处不再赘述。

扫描架3与天线安装转台2位于同一水平面，用于安装探头4。探头4是安装在扫描架3上，且距待测天线1预定距离，能够在扫描架3上按照预定轨迹运动。探头4在按照预定轨迹运动时，能够采集待测天线1的近场数据。其中，预定距离的大小不同，待测天线1的辐射面大小不同，具体可以根据测试需要进行适合的选择；本实施例中，优选预定距离为3-5个天线波长。探头4的预定轨迹运动可以根据测试需要进行适合的设置，本实施例中，为确保扫描范围能够覆盖整个待测天线的辐射面，优选预定轨迹运动呈循环弯折状。

同样，扫描架3的可以为多种已知的适合的设备；本实施例中，优选扫描架3包括安装架31、探头安装座32以及探头驱动装置。

安装架31为主体支架；探头安装座32用于安装探头4，通过类似滑轨装置滑动设置在安装架31上；而探头驱动装置用于驱动探头安装座32带动探头4在安装架31上且在竖直平面内沿水平方向或竖直方向移动(即实现上述循环弯折状的预定运动轨迹)。进一步，探头驱动装置还用于驱动探头4绕自身轴线转动，可以采用类似天线安装转台2安装待测天线1的结构，不再赘述；通过驱动探头4转动，以调整探头4跟待测天线1的极化方向一致或交叉。

信号收发器5用于向待测天线1发送具有预定频率和功率的射频信号，还用于接收探头4采集到的待测天线1的近场数据。其中，信号收发器5可以采用已知的多种适合的收发器，本实施例中优选为已知的矢量网络分析仪；另外，在其他优选实施例中，还可以用单独的信号源加信号接收器(不具备信号源功能)的方式来实现本发明信号收发器5功能。

波控转接器6中存储有波控指令，用于向待测天线1发送波控指令；其中，波控指令用于控制待测天线1波束的状态，具体状态可以根据实验需求而定，可以包括形状、指向以及频率等等。

工控机7分别与信号收发器5、波控转接器6、天线安装转台2、探头4以及信号收发器5等装置连接，用于控制信号收发器5向待测天线1发送射频信号、用于控制波控转接器6向待测天线1发送波控信号、用于控制天线安装转台2转动、用于控制探头4运动、以及用于对信号收发器5接收待测天线1的近场数据进行处理。

本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统，主要用于近场相控阵天线的方向图测试；通过近场探头单次扫描，实现相控阵天线多波束，多频率全自动并行测试，实现相控阵天线并行测试，大大提高了测试效率，同时，有效的减少人工操作。通过验证，同时测试10组同一相控阵天线不同波位的方向图时，本发明使用的时间小于常规单波位静态测试系统的五分之一，并且，测试组数越多节约时间比例越高。

本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统中，还可以包括耦合器、参考混频器81、测试混频器82以及信号放大器。

耦合器设置在信号收发器5与待测天线1之间，用于将射频信号分为相对的大信号和小信号，大信号发送至待测天线1。参考混频器81主要用于测相位时消除波动；参考混频器81设置在信号收发器5与待测天线1之间，能够将上述小信号混频处理成中频信号(参照本领域规范的中频信号)，再传递到信号收发器5。测试混频器82设置在信号收发器5与探头4之间，用于将探头4发送的信号混频处理成中频信号(参照本领域规范的中频信号)，再传递到信号收发器5。信号放大器设置在信号收发器5与耦合器之间。

进一步，本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统中，还可以包括安装架控制器91和天线安装转台控制器92。

安装架控制器91分别与工控机7和探头驱动装置连接，用于根据工控机7的控制指令控制探头驱动装置作动。天线安装转台控制器92分别与工控机7和天线安装转台2连接，用于根据工控机7的控制指令控制天线安装转台2作动。其中，安装架控制器91和天线安装转台控制器92均可以根据需要选择为已知的多种适合的控制器。

本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统中，波控转接器6的具体可以包括依次连接的单端/差分转换器61、第一处理单元62以及第二处理单元63，使用逻辑进行422通信协议的接收、解码、处理和数据发送，实现上位机7和波控转接器6不同422通信协议、数据传输速率的转换。其中，优选第一处理单元为已知的数字信号处理(DSP)，第二处理单元63为已知的现场可编程门阵列(FPGA)。

单端/差分转换器61用于接收工控机7发送的与不同波束状态相匹配的波控指令，还用于将第二处理单元63处理完成的波控指令发送至待测天线1；第一处理单元62用于将单端/差分转换器61传递的波控指令进行处理，得到具体波束状态的数量以及每个波束状态指令的长度、每个波束状态指令的具体数据(以及其他需要的设置参数，例如被测天线的波特率)；第二处理单元63用于接收并存储第一处理单元62处理的数据，并根据接收的外部数据对存储的第一处理单元62中的对应具体数据进行选取，并发送至单端/差分转换器61。

进一步，本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统中，为了便于大数据量的处理，还可以增加一个计算机10，并通过该计算机10控制工控机7。

本发明还提供了一种用于相控阵天线近场方向图并行测试系统的测试方法，具体可以包括如下步骤：

步骤一、设置预定数量的不同波束状态，并将预定数量的不同波束状态进行排序。

步骤二、在波控转接器6中设置与不同波束状态相匹配的波控指令；具体地，是可以通过上位机软件将相关参数发送至波控转接器6中进行存储。

步骤三、通过工控机7控制探头4在预定轨迹上按照第一预定时间间隔进行移动探测，采集对应波束状态的待测天线1的近场数据；同时，控制波控转接器6向待测天线1发送波控指令，且在一个第一预定时间间隔范围内，将全部波束状态按照第二预定时间间隔依次发送。其中，第二预定时间间隔可以退根据天线响应时间来设定，一般大于3ms；而第一预定时间间隔则根据第二预定时间间隔以及不同波束状态的预定数量来设定，比如当预定数量为6时，第一预定时间间隔为3与6乘积。

步骤四、在工控机7或后增加的计算机10中，对信号收发器5接收待测天线1的近场数据进行处理，从而完成测试。

进一步，在本发明上述测试方法的步骤四中，具体是将待测天线1的近场数据变换为远场数据和/或口面场数据。

同样，本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统的测试方法，主要用于近场相控阵天线的方向图测试；通过近场探头单次扫描，实现相控阵天线多波束，多频率全自动并行测试，实现相控阵天线并行测试，大大提高了测试效率，同时，有效的减少人工操作。

本发明的相控阵天线近场方向图并行测试系统及测试方法中，测试原理如下：

在平面矩形栅格(是设置在扫描架3上的)上的y方向上距离Δy选取两个点，在两个点之间测试系统根据波位个数改变n次(即上述预定数量)状态，两次状态时间的改变时间为第二预定时间间隔，得到n次测量幅相数椐，探头4继续运行，再测试另外两个点之间波位个数改变n次状态的数据；以此类推，则循环测量该列中n个状态的数据。一列测试完毕，探头4返回y方向原点，并在x方向步进Δx的间隙，重复第1列的动作(即循环弯折状的运动轨迹)，则得到M*(N*n)点数椐，其中，N是y方向上△y的个数；将其按次序自动分离，即可得到n组M*N点阵的数据，即阵面系统在n个状态下的所有数椐；即在探头在扫描面一次运动即可得到n个状态的数椐，从而提高测量效率。

探头在y方向连续运行，工控机7根据设置的需测量的状态，发出切换脉冲，波控转接器6接收此脉冲信号，读取波位数，然后发送相应的控制指令给被测试的相控阵天线1，使被测试天线1改变工作状态，此时探头4得到的测试数据即为天线改变状态后的工作数据。

对于不同的相控阵天线，波束控制指令和通讯频率各有不同，每次测试的波位个数也是不一样，可以通过上位机软件灵活设置波束控制指令个数、指令数据以及通讯频率预存于波控转接器6，波控转接器6在测试系统发出的切换脉冲的同步下对天线加以控制，实现自动测试。

参照如下并行测试与常规测试时间对比表1：

表1并行测试与常规测试时间对比表

通过表1数据可以看出，并行测试对比静态测试可以大大节约测试时间，并且并行测试波位越多测试节约时间。

参照如下天线重要指标并行测试与常规测试对比表2：

表2天线重要指标并行测试与常规测试对比表

通过表2数据可以看出，并行测试和多波位测试精度相同，测试误差符合指标要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种相控阵天线近场方向图并行测试系统，用于对待测天线(1)的幅相数据进行测试，其特征在于，所述测试系统包括；

天线安装转台(2)，用于固定所述待测天线(1)，且能够带动所述待测天线(1)绕预定轴线偏转；

扫描架(3)，与所述天线安装转台(2)位于同一水平面；

探头(4)，设置在所述扫描架(3)上，距所述待测天线(1)预定距离，能够在所述扫描架(3)上按照预定轨迹运动，所述探头(4)按照所述预定轨迹运动时，能够采集所述待测天线(1)的近场数据；

信号收发器(5)，用于向所述待测天线(1)发送具有预定频率和功率的射频信号，还用于接收所述探头(4)采集到的所述待测天线(1)的近场数据；

波控转接器(6)，用于向所述待测天线(1)发送波控指令，所述波控指令用于控制所述待测天线(1)波束的状态；

工控机(7)，用于控制所述信号收发器(5)向所述待测天线(1)发送射频信号、用于控制所述波控转接器(6)向所述待测天线(1)发送波控信号、用于控制所述天线安装转台(2)转动、用于控制所述探头(4)运动、以及用于对所述信号收发器(5)接收所述待测天线(1)的近场数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统，其特征在于，还包括：

耦合器，设置在所述信号收发器(5)与所述待测天线(1)之间，用于将所述射频信号分为相对的大信号和小信号，所述大信号发送至所述待测天线(1)；

参考混频器(81)，设置在所述信号收发器(5)与所述待测天线(1)之间，用于将所述小信号混频处理成中频信号，再传递到所述信号收发器(5)；

测试混频器(82)，设置在所述信号收发器(5)与所述探头(4)之间，用于将所述探头(4)发送的信号混频处理成中频信号，再传递到所述信号收发器(5)。

3.根据权利要求2所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统，其特征在于，还包括：

信号放大器，设置在所述信号收发器(5)与所述耦合器(81)之间。

4.根据权利要求3所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统，其特征在于，所述信号收发器(5)为矢量网络分析仪。

5.根据权利要求1所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统，其特征在于，所述扫描架(3)包括：

安装架(31)；

探头安装座(32)，用于安装探头(4)；

探头驱动装置，用于驱动所述探头安装座(32)带动所述探头(4)在所述安装架(31)上且在竖直平面内沿水平方向或竖直方向移动，所述探头驱动装置还用于驱动所述探头(4)绕自身轴线转动。

6.根据权利要求5所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统，其特征在于，还包括：

安装架控制器(91)，用于根据所述工控机(7)的控制指令控制所述探头驱动装置作动。

7.根据权利要求1所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统，其特征在于，还包括：

天线安装转台控制器(92)，用于根据所述工控机(7)的控制指令控制所述天线安装转台(2)作动。

8.根据权利要求1所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统，其特征在于，所述波控转接器(6)包括依次连接的单端/差分转换器(61)、第一处理单元(62)以及第二处理单元(63)；其中

所述单端/差分转换器(61)用于接收工控机(7)发送的与不同波束状态相匹配的波控指令，还用于将所述第二处理单元(63)处理完成的波控指令发送至所述待测天线(1)；

所述第一处理单元(62)用于将所述单端/差分转换器(61)传递的波控指令进行处理，得到具体波束状态的数量以及每个波束状态指令的长度、每个波束状态指令的具体数据；

第二处理单元(63)，接收并存储所述第一处理单元(62)处理的数据，并根据接收的外部数据对存储的第一处理单元(62)中的对应具体数据进行选取，并发送至所述单端/差分转换器(61)。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设置预定数量的不同波束状态，并将所述预定数量的不同波束状态进行排序；

步骤二、在波控转接器(6)中设置与不同波束状态相匹配的波控指令；

步骤三、通过工控机(7)控制探头(4)在预定轨迹上按照第一预定时间间隔进行移动探测，采集对应波束状态的所述待测天线(1)的近场数据；同时，控制所述波控转接器(6)向待测天线(1)发送波控指令，且在一个所述第一预定时间间隔范围内，将全部波束状态按照第二预定时间间隔依次发送；

步骤四、在工控机(7)中，对所述信号收发器(5)接收所述待测天线(1)的近场数据进行处理，完成测试。

10.一种根据权利要求9所述的相控阵天线近场方向图并行测试系统的测试方法，其特征在于，在所述步骤四中，是将所述待测天线(1)的近场数据变换为远场数据和/或口面场数据。