CN109031090A - 一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统及其方法,包括测控系统、鉴相器、射频切换器、设置有负载的定向耦合器以及用于接收大功率阵列发射信号的大功率阵列发射信号阵列面;所述大功率阵列发射信号阵列面依次连接定心耦合器、鉴相器传递到测控系统,所述测控系统将控制信号分别反馈给测控系统、鉴相器、大功率阵列发射信号阵列面;所述射频切换器外接功率测量装置。利用通道自动切换实现信号衰减和相位扫描,最后通过数据处理得到合成波束方位。本发明提高测试效率,减小测试复杂程度、提高测试精度角度。
Description
技术领域
本发明涉及自动测试技术领域,具体的说,是一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统及其方法。
背景技术
大功率阵列发射信号是指某些装置对激励信号进行放大和波束方位引导控制后形成的发射信号,此类信号具有发射功率大、阵列通道多、波束方位指向测试复杂等特点,需要开发专用测试方法对此类信号进行性能符合性确认。
目前针对大功率阵列发射信号的测试方法主要是通过空间合成测试方法,主要步骤是在微波暗室中,将发射信号装置放置在转台测试夹具上,架设接收天线,调整接收天线使其与发射信号装置阵面极化方向一致,然后接通电源,控制发射信号装置正常工作,引导波束方位使其在对应频率下的波束指向为阵面法线方向垂直于接口天线方向并指向其中心,在辐射状态下,由功率计读出发射信号装置的功率值,并利用每列单元的幅相方向图叠加后进行波束模拟,得到扫描波束的特性。传统方法测试过程复杂,测试周期长,缺点有以下几项:
a)对测试环境有较高要求。为满足辐射测试条件,需要环境杂波较少,最好为暗室测试环境,但有些阵列发射信号装置所处位置不容易移动,无法进行暗室测试;
b)方位标定困难,测试效率低。在测试过程中,需要完成天线方位标定、架设和对转台角度校准等准备工作,操作繁琐且方位标定精度低,实现周期较长。
c)辐射功率大。阵列发射信号的空间合成方法测试微波辐射功率较大,操作不当,对人身容易产生伤害。
综上所述,传统的测量方法实现困难,测试效率低,成本高,很难满足不同装备环境下大功率阵列发射信号的快速,高精度测试要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统,提高测试效率,减小测试复杂程度、提高测试精度角度。
本发明的目的在于提供一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,不需进行大功率辐射,不受空间限制,完成大功率阵列发射信号高精度波束指向符合性确认,解决现有技术方法自动化程度差,测试效率和故障检测率低的问题。
本发明通过下述技术方案实现:一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统,包括测控系统、鉴相器、射频切换器、设置有负载的定向耦合器以及用于接收大功率阵列发射信号的大功率阵列发射信号阵列面;所述大功率阵列发射信号阵列面依次连接定心耦合器、鉴相器传递到测控系统,所述测控系统将控制信号分别反馈给测控系统、鉴相器、大功率阵列发射信号阵列面;所述射频切换器外接功率测量装置。
进一步地,为了更好的实现本发明,所述大功率阵列发射信号包括多个阵元信号,定向耦合器的数量与多个阵元信号一一对应设置且连接;所述每个阵元信号之间等间距设置。
进一步地,为了更好的实现本发明,所述射频切换器通过稳幅稳相电缆与功率测量装置连接。
一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,利用通道自动切换实现信号衰减和相位扫描,最后通过数据处理得到合成波束方位。
进一步地,为了更好的实现本发明,具体包括以下步骤:
步骤S1:控制大功率阵列发射信号正常工作;通过下发波束控制码和频率码指令,引导大功率阵列发射信号阵列面按照设定频率在某个方位合成波束信号;
步骤S2:程控射频切换器扫描读取对多个阵元经耦合输出功率值,在测试系统存储空间中读取通道插损值,得到阵元真实发射功率,判断阵元功率指标是否合格;若不合格,阵列发射波束控制测试将不合格;
步骤S3:在阵元功率合格情况下,通过鉴相器读取阵元移相量,经过基础相位差和波束扫描移相量修正值补偿计算后,得到波束指向角度;
步骤S4:系统提供CP码,对阵列发射信号程控频率码和波束码进行寻址,得到波束控制角度;
步骤S5:判断测量的波束角度和波束控制角度是否一致;
如果一致,阵列发射波束控制测试合格,测控结束;
如果不一致,阵列发射波束控制测试将不合格。
进一步地,为了更好的实现本发明,所述步骤S3中波束指向角度的具体计算方法为:
不同频率工作点,不同波束扫描时,不同阵元的理论移相量是不同的,以四个发射阵元为例,每两个阵元间距为d,两阵元信号的标称移相量如公式(1)所示:
以第4通道为基准,其余通道理论移相量如公式(2)所示:
Δφ1=3Δφ';Δφ2=2Δφ';Δφ3=Δφ';Δφ4=0 (2)
波束指向角度α的计算方法如公式(3)所示:
式中:
d为基线长度,为已知值。
λ为波长,λ=c/f,c=3×108m/s为常数,f为辐射信号的频率。
Δφ':为阵元标称移相量单元;
Δφ1:为通道1理论移相量;
Δφ2:为通道2理论移相量;
Δφ3:为通道3理论移相量;
Δφ4:为通道4理论移相量;
通过以上参数可解出对于已知频率信号,完成阵元间标称移相量Δφ'的测量即可得到波束指向角度。
进一步地,为了更好的实现本发明,所述步骤S3中阵元信号间基础相位差具体是指:阵列信号为法向方向时,由每个通道的电缆、耦合器、射频切换器的相对相位差构成阵元之间基础相位差,阵列信号在通道内将进行衰减,在某个波束指向下测量出的阵元间移相量叠加此基础相位差。
进一步地,为了更好的实现本发明,所述波束扫描移相量修正值具体是指:
鉴相器在不同信号频率和移相量下会有不同的插损,在波束扫描情况下各阵元激励输出时,在测量前根据实测移相量与理论要求移相量进行校准,两者之间的差异即为波束扫描移相量的修正值;
阵元标称移相量根据公式(4)计算所得:
式中:
Δψn为对应阵元最终移相量;
为在法向上阵元信号间基础相位差;
Δθn为不同波束扫描移相量的修正值;
n代表阵元序号。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及有益效果:
(1)本发明解决了目前测试方法受场地限制、测试步骤繁琐、架设困难等问题,在测试时不需暗室,不需大功率辐射即可满足大功率阵列发射信号测试需求。
(2)本发明完成每个阵元自动扫描,利用测控系统内处理器,快速精确测量功率,并得到方位信息。在波束角度[-45°,45°],以5°为分度,频率范围6GHz~18GHz,最小分度200MHz范围内,完成测试一般在4分钟内完成。而利用传统方法在天线架设和波束角度验证完成一般需要1.5个小时以上,因此此发明提供的测试方法测试效率提高了15倍以上。
(3)提高波束合成角度测试精度。本发明测试精度取决于鉴相器的鉴相精度和校准精度,经过精确校准后,测试精度可控制在1°范围内。传统方法误差平均在5°以上。因此本发明将测试精度提高了5倍以上。
附图说明
图1为本发明中大功率阵列发射信号波控扫描示意图;
图2为本发明中大功率阵列发射信号在线扫描测试方法物理连接方式示意图;
图3为本发明大功率阵列发射信号在线扫描测试流程图;
其中1-大功率阵列发射信号阵列面。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1:
本发明通过下述技术方案实现,如图1、图2所示,一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统,包括测控系统、鉴相器、射频切换器、设置有负载的定向耦合器以及用于接收大功率阵列发射信号的大功率阵列发射信号阵列面1;所述大功率阵列发射信号阵列面1 依次连接定心耦合器、鉴相器传递到测控系统,所述测控系统将控制信号分别反馈给测控系统、鉴相器、大功率阵列发射信号阵列面1;所述射频切换器外接功率测量装置。
需要说明的是,通过上述改进,在大功率阵列发射信号的每个阵元信号后连接信号耦合器和鉴相器,利用通道自动切换实现信号衰减和相位扫描,最后通过数据处理得到合成波束方位。
大功率阵列发射信号阵列面1对大功率阵列发射信号进行采集并将阵元信号传递给有负载的定向耦合器,定向耦合器进行分配并输出耦合功率值到射频切换器,射频切换器对耦合功率值进行读取并通过鉴相器传递到测控系统;同时射频切换器对耦合功率值传递给功率测量装置进行相位测量。
本实施例的其他部分与上述实施例相同,故不再赘述。
实施例2:
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化,如图2所示,进一步地,为了更好的实现本发明,所述大功率阵列发射信号包括多个阵元信号,定向耦合器的数量与多个阵元信号一一对应设置且连接;所述每个阵元信号之间等间距设置。
进一步地,为了更好的实现本发明,为保证相位测量精度,所述射频切换器通过稳幅稳相电缆与功率测量装置连接。
本实施例的其他部分与上述实施例相同,故不再赘述。
实施例3:
如图3所示,一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,利用通道自动切换实现信号衰减和相位扫描,最后通过数据处理得到合成波束方位。
进一步地,为了更好的实现本发明,具体包括以下步骤:
步骤S1:控制大功率阵列发射信号正常工作;通过下发波束控制码和频率码指令,引导大功率阵列发射信号阵列面1按照设定频率在某个方位合成波束信号;
步骤S2:程控射频切换器扫描读取对多个阵元经耦合输出功率值,在测试系统存储空间中读取通道插损值,得到阵元真实发射功率,判断阵元功率指标是否合格;若不合格,阵列发射波束控制测试将不合格;
步骤S3:在阵元功率合格情况下,通过鉴相器读取阵元移相量,经过基础相位差和波束扫描移相量修正值补偿计算后,得到波束指向角度;
步骤S4:系统提供CP码,对阵列发射信号程控频率码和波束码进行寻址,得到波束控制角度;
步骤S5:判断测量的波束角度和波束控制角度是否一致;
如果一致,阵列发射波束控制测试合格,测控结束;
如果不一致,阵列发射波束控制测试将不合格。
本实施例的其他部分与上述实施例相同,故不再赘述。
实施例4:
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化,如图1所示,进一步地,为了更好的实现本发明,所述步骤S3中波束指向角度的具体计算方法为:
不同频率工作点,不同波束扫描时,不同阵元的理论移相量是不同的,以四个发射阵元为例,每两个阵元间距为d,如图1所示,两阵元信号的标称移相量如公式(1)所示:
以第4通道为基准,其余通道理论移相量如公式(2)所示:
Δφ1=3Δφ';Δφ2=2Δφ';Δφ3=Δφ';Δφ4=0 (2)
波束指向角度α的计算方法如公式(3)所示:
式中:
d为基线长度,为已知值。
λ为波长,λ=c/f,c=3×108m/s为常数,f为辐射信号的频率。
Δφ':为阵元标称移相量单元;
Δφ1:为通道1理论移相量;
Δφ2:为通道2理论移相量;
Δφ3:为通道3理论移相量;
Δφ4:为通道4理论移相量;
通过以上参数可解出对于已知频率信号,完成阵元间标称移相量Δφ'的测量即可得到波束指向角度。
本实施例的其他部分与上述实施例相同,故不再赘述。
实施例5:
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化,如图1所示,为了更好的实现本发明,所述步骤S3中阵元信号间基础相位差具体是指:阵列信号为法向方向时,由每个通道的电缆、衰减器、耦合器、射频切换器的相对相位差构成阵元之间基础相位差,在某个波束指向下测量出的阵元间移相量叠加此基础相位差。
需要说明的是,通过上述改进,阵列信号为法向方向时,由每个通道的电缆、吗,每个通道内的衰减器、耦合器、射频切换器的相对相位差构成阵元之间基础相位差,在某个波束指向下测量出的阵元间移相量叠加此基础相位差,因此在设计时需要控制每个构件的相对相位差,对于无源器件相位差可以通过电缆长度进行修正。
本实施例的其他部分与上述实施例相同,故不再赘述。
实施例6:
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化,如图1所示,进一步地,为了更好的实现本发明,所述波束扫描移相量修正值具体是指:
鉴相器在不同信号频率和移相量下会有不同的插损,在波束扫描情况下各阵元等激励输出时,会因为鉴相器的插损不同造成微波通道的饱和深度不一致,影响相位变化。因此除了基础相位外,在测量前根据实测移相量与理论要求移相量进行校准,两者之间的差异即为波束扫描移相量的修正值。
阵元标称移相量根据公式(4)计算所得:
式中:
Δψn为对应阵元最终移相量;
为在法向上阵元信号间基础相位差;
Δθn为不同波束扫描移相量的修正值;
n代表阵元序号。
本实施例的其他部分与上述实施例相同,故不再赘述。
实施例7:
本实施例为一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法的最佳实施例,如图1-图 3所示,一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,其特征在于:具体包括以下步骤:
步骤S1:控制大功率阵列发射信号正常工作;通过下发波束控制码和频率码指令,引导大功率阵列发射信号阵列面1按照设定频率在某个方位合成波束信号;
步骤S2:程控射频切换器扫描读取对多个阵元经耦合输出功率值,在测试系统存储空间中读取通道插损值,得到阵元真实发射功率,判断阵元功率指标是否合格;若不合格,阵列发射波束控制测试将不合格;
步骤S3:在阵元功率合格情况下,通过鉴相器读取阵元移相量,经过基础相位差和波束扫描移相量修正值补偿计算后,得到波束指向角度;所述步骤S3中波束指向角度的具体计算方法为:
不同频率工作点,不同波束扫描时,不同阵元的理论移相量是不同的,以四个发射阵元为例,每两个阵元间距为d,两阵元信号的标称移相量如公式(1)所示:
以第4通道为基准,其余通道理论移相量如公式(2)所示:
Δφ1=3Δφ';Δφ2=2Δφ';Δφ3=Δφ';Δφ4=0 (2)
波束指向角度α的计算方法如公式(3)所示:
式中:
d为基线长度,为已知值。
λ为波长,λ=c/f,c=3×108m/s为常数,f为辐射信号的频率。
Δφ':为阵元标称移相量单元;
Δφ1:为通道1理论移相量;
Δφ2:为通道2理论移相量;
Δφ3:为通道3理论移相量;
Δφ4:为通道4理论移相量;
通过以上参数可解出对于已知频率信号,完成阵元间标称移相量Δφ'的测量即可得到波束指向角度。
所述步骤S3中阵元信号间基础相位差具体是指:阵列信号为法向方向时,由每个通道的电缆、衰减器、耦合器、射频切换器的相对相位差构成阵元之间基础相位差,在某个波束指向下测量出的阵元间移相量叠加此基础相位差。
所述波束扫描移相量修正值具体是指:
鉴相器在不同信号频率和移相量下会有不同的插损,在波束扫描情况下各阵元激励输出时,在测量前根据实测移相量与理论要求移相量进行校准,两者之间的差异即为波束扫描移相量的修正值;
阵元标称移相量根据公式(4)计算所得:
式中:
Δψn为对应阵元最终移相量;
为在法向上阵元信号间基础相位差;
Δθn为不同波束扫描移相量的修正值;
n代表阵元序号。
步骤S4:系统提供CP码,对阵列发射信号程控频率码和波束码进行寻址,得到波束控制角度;
步骤S5:判断测量的波束角度和波束控制角度是否一致;
如果一致,阵列发射波束控制测试合格,测控结束;
如果不一致,阵列发射波束控制测试将不合格。
本发明解决了目前测试方法受场地限制、测试步骤繁琐、架设困难等问题,在测试时不需暗室,不需大功率辐射即可满足大功率阵列发射信号测试需求。
本发明提高测试效率。本发明完成每个阵元自动扫描,利用测控系统内处理器,快速精确测量功率,并得到方位信息。在波束角度[-45°,45°],以5°为分度,频率范围 6GHz~18GHz,最小分度200MHz范围内,完成测试一般在4分钟内完成。而利用传统方法在天线架设和波束角度验证完成一般需要1.5个小时以上,因此此发明提供的测试方法测试效率提高了15倍以上。
本发明提高波束合成角度测试精度。本发明测试精度取决于鉴相器的鉴相精度和校准精度,经过精确校准后,测试精度可控制在1°范围内。传统方法误差平均在5°以上。因此本发明将测试精度提高了5倍以上。
本实施例的其他部分与上述实施例相同,故不再赘述。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统,其特征在于:包括测控系统、鉴相器、射频切换器、设置有负载的定向耦合器以及用于接收大功率阵列发射信号的大功率阵列发射信号阵列面;所述大功率阵列发射信号阵列面依次连接定心耦合器、鉴相器传递到测控系统,所述测控系统将控制信号分别反馈给测控系统、鉴相器、大功率阵列发射信号阵列面;所述射频切换器外接功率测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统,其特征在于:所述大功率阵列发射信号包括多个阵元信号,所述定向耦合器的数量与多个阵元信号一一对应设置且连接;所述每个阵元信号之间等间距设置。
3.根据权利要求2所述的一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试系统,其特征在于:所述射频切换器通过稳幅稳相电缆与功率测量装置连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,其特征在于,利用通道自动切换实现信号衰减和相位扫描,最后通过数据处理得到合成波束方位。
5.根据权利要求4所述的一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,其特征在于:具体包括以下步骤:
步骤S1:控制大功率阵列发射信号正常工作;通过下发波束控制码和频率码指令,引导大功率阵列发射信号阵列面按照设定频率在某个方位合成波束信号;
步骤S2:程控射频切换器扫描读取对多个阵元经耦合输出功率值,在测试系统存储空间中读取通道插损值,得到阵元真实发射功率,判断阵元功率指标是否合格;若不合格,阵列发射波束控制测试将不合格;
步骤S3:在阵元功率合格情况下,通过鉴相器读取阵元移相量,经过基础相位差和波束扫描移相量修正值补偿计算后,得到波束指向角度;
步骤S4:系统提供CP码,对阵列发射信号程控频率码和波束码进行寻址,得到波束控制角度;
步骤S5:判断测量的波束角度和波束控制角度是否一致;
如果一致,阵列发射波束控制测试合格,测控结束;
如果不一致,阵列发射波束控制测试将不合格。
6.根据权利要求5所述的一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,其特征在于:所述步骤S3中波束指向角度的具体计算方法为:
不同频率工作点,不同波束扫描时,不同阵元的理论移相量是不同的,以四个发射阵元为例,每两个阵元间距为d,两阵元信号的标称移相量如公式(1)所示:
以第4通道为基准,其余通道理论移相量如公式(2)所示:
Δφ1=3Δφ';Δφ2=2Δφ';Δφ3=Δφ';Δφ4=0 (2)
波束指向角度的计算方法如公式(3)所示:
式中:
α为波束指向角度;
d为基线长度,为已知值;
λ为波长,λ=c/f,c=3×108m/s为常数,f为辐射信号的频率;
Δφ':为阵元标称移相量单元;
Δφ1:为通道1理论移相量;
Δφ2:为通道2理论移相量;
Δφ3:为通道3理论移相量;
Δφ4:为通道4理论移相量;
通过以上参数可解出对于已知频率信号,完成阵元间标称移相量Δφ'的测量即可得到波束指向角度。
7.根据权利要求6所述的一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,其特征在于:所述步骤S3中阵元信号间基础相位差具体是指:阵列信号为法向方向时,由每个通道的电缆、定向耦合器、射频切换器的相对相位差构成阵元之间基础相位差,在某个波束指向下测量出的阵元间移相量叠加此基础相位差。
8.根据权利要求7所述的一种用于大功率阵列发射信号的在线扫描测试方法,其特征在于:所述波束扫描移相量修正值具体是指:
鉴相器在不同信号频率和移相量下会有不同的插损,在波束扫描情况下各阵元激励输出时,在测量前根据实测移相量与理论要求移相量进行校准,两者之间的差异即为波束扫描移相量的修正值;
阵元标称移相量根据公式(4)计算所得:
式中:
Δψn为对应阵元最终移相量;
为在法向上阵元信号间基础相位差;
Δθn为不同波束扫描移相量的修正值;
n代表阵元序号。
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