CN107466063A - 一种通信卫星多波束无线测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通信卫星多波束无线测试方法，属于通信卫星测试领域，具体方法包括：(1)将多波束馈源阵近场的测试信号的频率与参考信号的频率调整为相同频率；(2)将步骤(1)中得到的与参考信号的频率相同的测试信号与所述参考信号进行比幅比相，得到预置扫描位置点的电场；(3)对步骤(2)中得到的预置扫描位置点的电场进行校验修正；(4)对修正后的预置扫描位置点的电场进行傅里叶变换，得到馈源阵远场分布数据；(5)根据多波束馈源阵反射器模型和所述馈源阵远场分布数据得到多波束无线测试结果。

Description

一种通信卫星多波束无线测试方法
技术领域
本发明属于通信卫星测试技术领域，涉及一种通信卫星多波束无线测试方法。
背景技术
传统通信卫星无线测试均采用紧缩场和外场远场测试，然而，随着通信卫星多波束载荷技术的使用，由于多波束技术多采用大型可展开反射面天线，受限于紧缩场静区尺寸，这种天线形式不具备天线紧缩场测试的条件。并且使用多波束载荷技术的通信卫星，如果采用外场测试，需要设计专用的卫星工装，工装设计复杂，成本高昂。
目前，针对上述传统测试方法中存在的问题，提出了远场测量和近场测量两种测量方式。其中，远场测量包括传统意义上的室外远场测量、室内远场测量及在暗室内进行的紧缩远场测量；近场测量根据近场扫描平面的选取不同分为平面近场测量、柱面近场测量及球面近场测量。然而由于多波束馈源阵的口径越来越大，为满足测量的远场条件需要的测试距离甚至会达到数公里，从而不能满足通信卫星无线测试的工程需要。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通信卫星多波束无线测试方法，该方法本发明通过基于平面近场获取的数据，经过傅里叶变换得到远场分布数据后，进行多波束性能分析，从而可以满足通信卫星无线测试的工程需要。
本发明的技术解决方案是：一种通信卫星多波束无线测试方法，包括如下步骤：
(1)将多波束馈源阵近场的测试信号的频率与参考信号的频率调整为相同频率；
(2)将步骤(1)中得到的频率相同的所述测试信号与所述参考信号进行比幅比相，得到预置扫描位置点的电场；
(3)对步骤(2)中得到的预置扫描位置点的电场进行校验修正；
(4)对修正后的预置扫描位置点的电场进行傅里叶变换，得到多波束馈源阵远场分布数据；
(5)根据多波束馈源阵反射器模型和所述馈源阵远场分布数据得到多波束无线测试结果。
进一步地，所述将所述测试信号的频率和参考信号的频率调整为相同频率的方法为：
通过外置信号源将输入信号进行混频，转换为与目标信号频率相同的信号，其中，当所述测试信号为前向链路的测试信号时，输入信号为所述参考信号，目标信号为前向链路的测试信号，当所述测试信号为返向链路的测试信号时，输入信号为所述返向链路的测试信号，目标信号为参考信号。
进一步地，所述对预置扫描位置点的电场进行校验修正的方法为：
按照预置时间间隔获取初始扫描位置点的电场；
计算相邻两次获取到的初始扫描位置点的电场的相位差；
将预置扫描位置点的电场减去所述相位差，得到修正后的预置扫描位置点的电场。
进一步地，所述对修正后的预置扫描位置点的电场进行傅里叶变换，得到馈源阵远场分布数据的方法为：
根据公式计算得到馈源阵远场分布数据，其中，为馈源阵远场分布数据为波数矢量，为预置扫描位置处的电场，为空间位置矢量，j为复数单位。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)由于本发明可以实现将测试信号与参考信号的频率调整为相同频率，因此在进行多波束性能测试时，能有效扩展传统馈源阵非变频测试的范围。
(2)由于本发明可以对扫描位置点的电场进行校验修正，因此可以解决变频测试信号相位漂移问题，提升扫描位置点的电场的扫描精度。
(3)由于采用了馈源阵反射器模型，并且该模型为电磁场数值算法中的通用模块，因此可以保证数据接口的通用性，从而可以扩展到其他多波束馈源阵测试系统。
附图说明
图1为本发明提供的方法流程框图；
图2为本发明提供的前向信号转换方法示意图；
图3为本发明提供的返向信号转换方法示意图。
具体实施方式
本发明方法的流程框图如图1所示，在具体说明本发明的实现过程之前，需要说明的是，在平面近场测试系统，要求系统的输入和输出信号均为同频的射频信号，幅相接收机接收到同频的测试信号B和参考信号A，通过B/A校正信号源的幅度和相位漂移。其中，对于卫星，有效载荷转发器前向链路的测试信号为C频段信号，即输入为C频段信号，参考信号为S频段信号，即输出为S频段信号；返向链路的测试信号测试输入为S频段信号，输出为C频段信号。因此由于多波束馈源阵收发信号为非同频信号，为了完成测试本发明需要对信号进行频率转换，从而实现卫星无线测试。
下面对本发明方法的具体步骤进行详细阐述：
第一步：将卫星架装在平面近场内，架装方案为将卫星旋转摆放，从而可以保证多波束馈源阵归一化方向图的-30dB圆锥视场在扫描探头范围内。
其中，卫星在两轴转台上进行平面近场测试，使得多波束馈源阵平面与扫描探头平面平行，通过调整两轴转台使得多波束馈源阵平面与探头平面间夹角小于0.03°。
第二步：将馈源阵近场前向链路的测试信号转换为与馈源阵近场的参考信号的频率相同的信号，并且将馈源阵近场返向链路的测试信号转换为与馈源阵近场返向链路的参考信号的频率相同的信号，转换方法分别如图2和图3所示。
具体地，馈源阵近场前向链路的测试信号的转换方法包括：利用外置信号源2将输入的S频段信号混频变频为C频段接入测试耦合器进入转发器分系统，经过转发器分系统转换为S频段信号，从馈源阵分系统馈源阵辐射单元口面向外辐射输出，扫描架上的S频段探头接收到馈源阵辐射的S信号，将该S频段信号传输到幅相接收机，幅相接收机与耦合得到的信号源1产生的S频段信号进行比幅比相，得到预设扫描位置处的电场其中，将频率相同的所述测试信号与所述参考信号进行比幅比相，得到预置扫描位置点的电场已经在申请号为CN201510104354.5的专利中公开，在此不再赘述。
进一步地，馈源阵近场返向链路的测试信号的转换方法包括：信号源1产生的S频段信号，通过扫描架上的S频段探头向外辐射，该S频段信号经S馈源阵的辐射单元接收进入转发器，经过转发器转换为C频段信号，从C输出测试耦合器输出，该C频段信号经混频器下变频为S频段信号，将该S频段信号传输到幅相接收机，幅相接收机与耦合得到的信号源1产生的S频段信号进行比幅比相，得到扫描位置处的电场
第三步：对步骤(2)中得到的预置扫描位置点的电场进行校验修正。
需要说明的是，由于信号源2不具备锁相功能，相位随时间成周期性变化，由该信号源混频的测试信号会发生相位漂移误差，因此会对多波束馈源阵相位测试造成较大影响。测试过程中采用温度补偿功能相位修正进行后续处理，首先按照预置时间间隔获取所述初始扫描位置点的电场；然后计算相邻两次获取到的初始扫描位置点的电场的相位差；最后将预置扫描位置点的电场减去所述相位差，得到修正后的预置扫描位置点的电场。
下面对上述过程再次进行举例说明：第一步：获取扫描位置1、2….N的电场；第二步：采集到扫面位置100处的电场后，扫描探头回到位置1处，重新测量扫面位置1处的电场，计算此时电场和第一次得到的扫描位置1处电场的相位差；第三步：继续采集扫描位置101、102….200的电场，计算得到的电场值减去上一步得到的相位差进行修正，得到101、102….200扫描位置处的电场；第四步：采集到扫面位置200处的电场后，扫描探头回到位置1处，重新测量扫面位置1处的电场，计算此时电场和上一次得到的扫描位置1处电场的相位差；第五步：继续采集扫描位置201、202….300的电场，计算得到的电场值减去上一步得到的相位差进行修正，得到201、202….300扫描位置处的电场；第六步：重复该过程，直到完成所有扫描位置点的电场扫描。
另外，由于多波束测试数量多，可以将同频的测试信号分为一组，通过改变外置信号源的频率得到同频的参考信号，即一次扫频一组多个同频多波束的方式，采集记录编码器位置信息，从而大幅提高测试效率。
第四步：对修正后的预置扫描位置点的电场进行傅里叶变换，得到馈源阵远场分布数据。
其中，空间任何一点的远场可以表示成沿着各个不同方向的平面波的二维傅立叶变换，具体公式为：
其中：为馈源阵远场分布数据， 为波数矢量，μ为磁导率，ε为介电常数，方向为电磁波的传输方向，为预置扫描位置处的电场，为空间位置矢量，j为复数单位。
需要说明的是，平面近场扫描馈源阵测试是利用馈源阵的近场区幅相分布和远场区幅相分布成数学傅里叶变换关系的原理，利用平面近场扫描架和微波测量系统实现探头在馈源阵近场区的幅度相位采集，通过对采集到的扫描位置处的电场进行傅里叶变换计算，获得馈源阵的远场区分布，从而实现对馈源阵的远场辐射分析。
第五步：根据多波束馈源阵反射器模型和所述馈源阵远场分布数据得到多波束无线测试结果。
其中，上述步骤已经在文献《GEO移动通信卫星合成多波束天线仿真分析》航天器工程，2010年5月，第19卷，第3期中公开，在此仅作简要描述：1)采用摄影测量技术得到多波束反射器型面精度数据；2)根据测试得到的多波束反射器型面精度数据，在GRASP软件中进行反射器建模得到多波束馈源阵反射器模型；3)在多波束馈源阵反射器模型中设置多波束馈源阵的位置和指向信息；4)将测试得到的多波束馈源阵的远场数据带入多波束馈源阵反射器模型，采用半物理仿真的方法得到多波束反射器的最终多波束形成结果。
其中，计算过程需要平面近场输出数据格式和GRASP软件数据格式进行匹配。同时对于卫星与馈源阵坐标系存在夹角的问题，可采用旋转矩阵对远场数据数据进行处理。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种通信卫星多波束无线测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将多波束馈源阵近场的测试信号的频率与参考信号的频率调整为相同频率；
(2)将步骤(1)中得到的频率相同的所述测试信号与所述参考信号进行比幅比相，得到预置扫描位置点的电场；
(3)对步骤(2)中得到的预置扫描位置点的电场进行校验修正；
(4)对修正后的预置扫描位置点的电场进行傅里叶变换，得到多波束馈源阵远场分布数据；
(5)根据多波束馈源阵反射器模型和所述馈源阵远场分布数据得到多波束无线测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种通信卫星多波束无线测试方法，其特征在于，所述将所述测试信号的频率和参考信号的频率调整为相同频率的方法为：
通过外置信号源将输入信号进行混频，转换为与目标信号频率相同的信号，其中，当所述测试信号为前向链路的测试信号时，输入信号为所述参考信号，目标信号为前向链路的测试信号，当所述测试信号为返向链路的测试信号时，输入信号为所述返向链路的测试信号，目标信号为参考信号。
3.根据权利要求1所述的一种通信卫星多波束无线测试方法，其特征在于，所述对预置扫描位置点的电场进行校验修正的方法为：
按照预置时间间隔获取初始扫描位置点的电场；
计算相邻两次获取到的初始扫描位置点的电场的相位差；
将预置扫描位置点的电场减去所述相位差，得到修正后的预置扫描位置点的电场。
4.根据权利要求1所述的一种通信卫星多波束无线测试方法，其特征在于，所述对修正后的预置扫描位置点的电场进行傅里叶变换，得到馈源阵远场分布数据的方法为：
根据公式计算得到馈源阵远场分布数据，其中，为馈源阵远场分布数据，为波数矢量，为预置扫描位置处的电场，为从预置扫描位置处到多波束馈源阵远场点的空间位置矢量，j为复数单位。
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