CN108732429A - 一种天线反射面无源互调测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线反射面无源互调测试装置，该装置包括模拟平台和馈源安装板，馈源安装板架设于模拟平台上方，馈源安装板上安装有N个发射馈源和M个接收馈源，M大于等于1，N大于等于1，所述发射馈源均匀分布在馈源安装板的中心区域，至少一个接收馈源分布在馈源安装板的中心区域，其他的接收馈源均匀分布在馈源安装板的周边，发送馈源与接收馈源保持一定的距离，实现信号收发隔离。该装置发送馈源多点布局，能最大程度的满足辐射到天线反射面的功率满足测试要求，接收馈源多点布局，能最大程度保证不同方向上接收到天线反射面接收到天线反射面产生的无源互调(PIM)信号。

Description

一种天线反射面无源互调测试装置

技术领域

本发明涉及一种天线反射面无源互调测试装置，属于测试技术领域。

背景技术

随着多波束天线的发展和应用，收发共用技术应用在大型天线反射面天线上。无源互调技术是继续关注和攻克的难点，目前国内外高校和研究机构都开展大量的理论研究。

对于中国自主研制的地面第一颗地面移动通信卫星，除了采用多波束的通信模式，同时也采用了收发共用的技术。对于卫星而言，多载波无源互调成为研制中需要验证的重要指标。

无源互调(Passive-Intermodulation,简称PIM)是指在大功率条件下，当输入两个或者两个以上载波时，由于微波无源部件的非线性导致载波信号相互调制，产生载波频率的组合产物落入接收通带内造成干扰的现象。

我国首颗移动通信卫星，采用收发共用的大型环形反射面天线，当无源互调产物的频率落入卫星天线的接收频段内时，对接收系统形成干扰噪声，降低接收系统的灵敏度，就会影响接收系统的正常工作，严重时甚至会使卫星接收系统失效。大型环形展开反射器整机的设计、加工、装配等是否满足PIM要求，需要开展环形反射面PIM测试。

现有技术中一般采用单馈源的方式进行天线反射面的地面验证测试。但是，面对大型天线反射面的测试时，现有技术存在以下几个方面的不足：

(1)、单馈源法测试，单个馈源既作为辐射功率的馈源，又作为接收馈源，辐射的功率值较大时限定了PIM测试系统可以测试的能力，PIM测试系统中单个器件耐功率能力超出了目前市场研发的能力。同时单个馈源作为接收馈源，测试系统中电缆和馈源的PIM性能需要较高的要求，根据PIM测试系统优于测试件性能10dB的要求，对PIM测试系统PIM性能要求苛刻，实现困难。

(2)单馈源法测试中，接收馈源的辐射角度决定了接收空间的PIM值受到了自身角度的限制，超出角度的PIM信号不能准确和真实的测试，测试的准确度受限。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种天线反射面无源互调测试装置，尤其是大型天线反射面无源互调测试装置，解决现有技术中测试大型天线反射面无源互调(PIM)测试中面临的发射功率大且PIM性能要求高，测试系统实现难度大的问题。

本发明的技术解决方案是：一种天线反射面无源互调测试装置，该装置包括模拟平台和馈源安装板，馈源安装板架设于模拟平台上方，馈源安装板上安装有N个发射馈源和M个接收馈源，M大于等于1，N大于等于1，所述发射馈源均匀分布在馈源安装板的中心区域，至少一个接收馈源分布在馈源安装板的中心区域，其他的接收馈源均匀分布在馈源安装板的周边，发送馈源与接收馈源保持一定的距离，实现信号收发隔离，发送馈源向被测天线反射面发射信号，接收馈源接收被测天线反射面反射的信号，从而评估被测天线反射面的PIM功率电平。

所述发射馈源的个数N由天线反射面无源互调测试的总发射功率要求P和每个发射馈源的发射功率XdBW，根据下面公式确定：

P≤X+10×lgN。

发射馈源和天线反射面之间的距离R根据所有发射馈源辐射到反射面的最大通量密度S和发射馈源的总发射功率Pt确定，具体确定公式为：

式中，C为发射信号同频波束集中因子，G_t为发射馈源增益，R为被测天线反射面与发射馈源之间的距离。

所述被测天线反射面的PIM功率电平P_PIM的计算公式为：

P_PIM＝P_r+L_p-G_Jr

式中，P_r为接收馈源接收到的PIM功率电平；L_p为被测天线反射面与接收馈源之间的空间衰减；G_Jr为接收馈源在被测件方向处的增益。

所述被测天线反射面与接收馈源之间的空间衰减L_p为：

式中，R为被测天线反射面与发射馈源之间的距离，λ为接收信号波长。

模拟平台的高度可调，位置可调。

所述馈源安装板角度可调。

所述模拟平台辐射区内贴有吸波材料。

所述馈源安装板采用碳纤维复合板材制成，碳纤维复合板的材料、制作工艺对应的PIM性能经过事先测试。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过多位置点安装发射馈源的布局设计，既保证了大型天线反射面上辐射的功率达到测试要求，辐射有效面积满足要求，又降低了对单台测试功率设备的要求，通过空间功率合成，满足测试要求。

(2)、本发明多位置点安装接收馈源布局方式，大型反射面产生的PIM面临接收方向点不同，测试值不同，为保证不同方向反射回的PIM信号都能接收，在中间和上下左右五个方向设置接收点，接收PIM信号。

(3)、本发明馈源采用发射馈源和接收馈源分别布局的方法，降低了收发隔离的要求，可以通过间隔距离实现收发隔离，降低单个馈源的接收隔离要求。

(4)、本发明馈源安装在模拟平台上，提高了馈源高度，通过可以调节角度的变化，馈源辐射点的位置，既充分保证了测试功率能充分辐射至天线反射面上，满足试验要求，又保证了卫星在轨运行馈源和天线反射面的工作方式。

(5)、本发明还可以适用于需要组阵和组成网络工作的系统，解决双载波无法模拟多个频率和相位的组合问题。

附图说明

图1为本发明实施例无源互调测试装置及其发射和接收馈源布局示意图；

图2为本发明实施例无源互调测试装置和被测天线反射面的位置关系示意图；

图3(a)为本发明实施例发射馈源及其发射通道示意图。

图3(b)为本发明实施例接收馈源及其接收通道示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明针对多波束的卫星通信工作模式，提供了一种天线反射面无源互调测试装置。该装置用来向被测天线反射面发射信号，并接收被测天线反射面反射的PIM信号，从而评估被测天线反射面的PIM性能,接收馈源监测PIM电平低于-145dBm为合格。该装置根据馈源阵在卫星的工作方式和布局，设计了模拟平台和平台上馈源阵的架设位置布局，充分保证测试装置能够模拟卫星工作模式，辐射在被测天线反射面上的功率满足被测天线反射面的功率通量要求，接收馈源能够将反射功率和产生的PIM信号充分接收。特别适用于大型天线反射面的无源互调测试，所述大型天线反射面直径大于3m。

如图1所示，天线反射面无源互调测试装置包括模拟平台和馈源安装板，馈源安装板架设于模拟平台上方，馈源安装板上安装有N个发射馈源和M个接收馈源，M大于等于1，N大于等于1，所述发射馈源均匀分布在馈源安装板的中心区域，至少一个接收馈源分布在馈源安装板的中心区域，其他的接收馈源均匀分布在馈源安装板的周边，发送馈源与接收馈源保持一定的距离，实现信号收发隔离，发送馈源向被测天线反射面发射信号，接收馈源接收被测天线反射面反射的信号，从而评估被测天线反射面的PIM功率电平。这种发射馈源多点布局的测试方式，能最大程度的满足辐射到天线反射面的功率满足测试要求，接收馈源多点布局，能最大程度保证不同方向上接收到天线反射面产生的 PIM信号。

如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，馈源采用发射馈源和接收馈源分别布局的方法，馈源安装板上安装有4个发射馈源和5个接收馈源。馈源采用发射馈源和接收馈源分别布局的方法，四个发射馈源形成一个正方形围绕在中心处的接收馈源周围，接收馈源一个接收馈源位于整个馈源安装板的中心处，另外四个接收馈源位于馈源安装板周边四个角上，通过不同接收点测试，评估天线反射面的PIM性能。根据馈源的辐射角度和实际，在中心点布局四个馈源，保证辐射的总功率满足测试验证的要求。如果布局单个馈源，要满足要求的功率，需要输入足够大的功率，对测试设备和单个馈源要求较高，辐射的面积有限。布局四个馈源，辐射功率能满足要求，辐射面积满足大型天线反射面要求，降低了测试设备的要求。另外，测试装置自身有PIM性能，被测的天线反射面也有PIM性能，如果测试装置的PIM性能值大，被测的测试PIM性能小，测试的PIM性能是测试装置的，不能正确反映被测试天线反射面的性能，因此需要减小测试装置的PIM性能。如图3(a)和3(b)所示，发射馈源通道1～4是独立的发射通道，接收馈源1～5是独立的接收通道，发射和接收通道是不共用的，降低了测试系统的PIM性能。另外，为了更好地实现收发隔离，所述发射馈源的间距要求是保证在发射信号波长的1.2～1.3个波长范围内以内。以2GHz为例，信号波长是0.15m，计算的间距是180～195mm。模拟平台的高度可调，位置可调，安装在模拟平台上的馈源安装板可以灵活调整角度。这种安装充分考虑到图1中馈源和天线反射面的安装关系，充分让功率辐到被测反射面上。

所述每个发射馈源的发射功率为XdBW，N个发射馈源的总发射功率为 X+10*lg(N)(dBW)。如果天线反射面无源互调测试要求的总发射馈源的辐射功率400W，考虑链路损耗，采用单馈源的话，对测试设备中功率放大器要求至少要高于400W，测试链路中电缆和馈源的耐功率能力也要求高于400W。假如采用四路的辐射方式，每路功率输出要求100W。降低了功率放大器的要求，同时降低了电缆和馈源的要求，在地面测试系统中容易实现，多个馈源的布局方式保证总功率满足要求，同时降低了单路功率需要大于400W的要求。

无源互调测试的发射部分标校计算应考虑被测件与发射天线的距离导致射频信号空间衰减的影响，要使到达被测天线反射面的功率通量密度与测试要求一致。此项目的功率通量密度要求是0.183mW/cm²，根据天线系统对辐射到其反射面的功率通量密度要求。天线系统设计完成后，已知S、Pt、C、Gt，发射馈源和天线反射面之间的距离R根据所有发射馈源辐射到反射面的最大通量密度S和发射馈源的总发射功率Pt确定，具体确定公式为：

式中，C为发射信号同频波束集中因子，G_t为发射馈源增益，R为被测天线反射面与发射馈源之间的距离。

Pt＝Pa×10^(-Ls/10)

式中，Pa为发射馈源功放输出功率，L_S为发射馈源馈电损耗。

被测天线反射面辐射出的PIM功率电平应等于PIM接收馈源接收到的PIM 功率电平加上空间衰减再减去该接收馈源在被测件方向处的增益，即：所述被测天线反射面的PIM功率电平P_PIM(单位：dBm)的计算公式为：

P_PIM＝P_r+L_p-G_Jr

式中，P_r为接收馈源接收到的PIM功率电平，为频谱仪直接测试到的PIM 电平数值(单位：dBm)；L_p为被测天线反射面与接收馈源之间的空间衰减，单位dB；G_Jr为接收馈源在被测件方向处的增益，单位dB。

所述被测天线反射面与接收馈源之间的空间衰减L_p为：

式中，R为被测天线反射面与发射馈源之间的距离，λ为接收信号波长。

模拟平台和馈源安装板设计中考虑了低PIM设计和防护要求，模拟平台采取了辐射区域内，使用吸波材料遮挡的方法。

模拟平台考虑到承受一定的重量，采用了不锈钢管搭建，辐射面是不锈钢板拼接面，不锈钢不属于低PIM材料，在辐射的正面拼接面上贴上了吸波材料，用于遮挡，降低PIM要求。

馈源安装板要考虑低PIM材料设计，采用了碳纤维复合板材，设计和加工完成后，对馈源安装板进行了PIM测试，保证性能不影响反射面测试。

天线反射面在吸波暗室与地面成一定角度架设如下图2所示，首先，将馈源安装板架设在模拟平台上，在馈源安装板上布局4个发射馈源，不同方位布局5个接收馈源，形成馈源反射板，通过调整模拟平台上馈源安装板的高度和角度，同在地面架设的天线反射面形成一定的辐射角度和高度，保证功率辐射和接收正常，最后，远程控制开启发射和接收链路信号，测试天线反射面PIM。在本发明的一个具体实施例中，馈源安装板中心距模拟平台1800mm,倾角 9.75°。倾角有利于发射和接收馈源和天线反射面形成与卫星上相应的角度关系，发射的功率能够辐射到天线反射面上，接收的功率能够充分接收。

本发明根据馈源阵在卫星的工作方式和布局，设计了模拟平台和平台上馈源阵的架设位置布局，充分保证天线反射面上辐射的功率和接收的信号能够模拟卫星工作模式，达到辐射功率通量密度满足天线反射面的要求，接收馈源能够将反射功率和产生的PIM信号充分接收。

采用本发明所提供的天线反射面无源互调测试装置，进行某卫星大型天线反射面无源互调测试应用，预先在地面暴露出产品的无源互调性能设计和工艺制造缺陷，通过改进提高了卫星产品可靠性，极大地推动了理论研究的步伐，同时调整研究的方向正确性。因此，本发明无论在理论研究验证方面，还是卫星产品试验验证方面都有广阔应用前景。

本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (9)

1.一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于包括模拟平台和馈源安装板，馈源安装板架设于模拟平台上方，馈源安装板上安装有N个发射馈源和M个接收馈源，M大于等于1，N大于等于1，所述发射馈源均匀分布在馈源安装板的中心区域，至少一个接收馈源分布在馈源安装板的中心区域，其他的接收馈源均匀分布在馈源安装板的周边，发送馈源与接收馈源保持一定的距离，实现信号收发隔离，发送馈源向被测天线反射面发射信号，接收馈源接收被测天线反射面反射的信号，从而评估被测天线反射面的PIM功率电平。

2.根据权利要求1所述的一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于所述发射馈源的个数N由天线反射面无源互调测试的总发射功率要求P和每个发射馈源的发射功率XdBW，根据下面公式确定：

P≤X+10×lgN。

3.根据权利要求1所述的一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于发射馈源和天线反射面之间的距离R根据所有发射馈源辐射到反射面的最大通量密度S和发射馈源的总发射功率Pt确定，具体确定公式为：

式中，C为发射信号同频波束集中因子，G_t为发射馈源增益，R为被测天线反射面与发射馈源之间的距离。

4.根据权利要求1所述的一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于所述被测天线反射面的PIM功率电平P_PIM的计算公式为：

P_PIM＝P_r+L_p-G_Jr

式中，P_r为接收馈源接收到的PIM功率电平；L_p为被测天线反射面与接收馈源之间的空间衰减；G_Jr为接收馈源在被测件方向处的增益。

5.根据权利要求4所述的一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于所述被测天线反射面与接收馈源之间的空间衰减L_p为：

式中，R为被测天线反射面与发射馈源之间的距离，λ为接收信号波长。

6.根据权利要求1所述的一种大型天线反射面无源互调测试装置，其特征在于：模拟平台的高度可调，位置可调。

7.根据权利要求1所述的一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于所述馈源安装板角度可调。

8.根据权利要求1所述的一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于所述模拟平台辐射区内贴有吸波材料。

9.根据权利要求1所述的一种天线反射面无源互调测试装置，其特征在于所述馈源安装板采用碳纤维复合板材制成，碳纤维复合板的材料、制作工艺对应的PIM性能经过事先测试。