CN109873680A - 大规模阵列天线的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模阵列天线的测试系统及测试方法，该测试系统包括：天线模块，天线模块包括n个天线单元，各天线单元均具有射频端口；滤波模块，滤波模块集成于天线模块，并且滤波模块包括n个滤波器，各滤波器分别具有作为测试评估端口的第一连接端口以及与第一连接端口相对的第二连接端口；传输模块，传输模块设于天线模块与滤波模块之间，并且传输模块包括n个传输件，各射频端口与各第二连接端口之间通过各传输件一一对应连接；其中，传输件配置为工作状态可变并能通过改变工作状态形成m组不同的电气参数，n≥1，m≥4。该测试系统及方法使测试过程中可消除滤波器对通道一致性的影响，为有源天线系统提供准确的通道误差校准数据。

Description

大规模阵列天线的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及天线测试技术领域，尤其涉及一种大规模阵列天线的测试系统及测试方法。

背景技术

大规模阵列天线是有源天线系统的关键部件之一，为校准有源天线系统中各收/发通道的误差，可在天线各传输通道中设置耦合器和功分器，通过耦合器和功分器对各收/发通道的信号进行检测，并依据事先获取的各通道经耦合器和功分器的传输系数，对各收/发通道的传输误差进行校准。因此，各通道传输系数一致性指标是评估大规模阵列天线各通道一致性的关键，也是整个有源天线系统通道传输误差校准的重要依据。

目前，为抑制频带外的杂散信号，有源天线系统中各收/发通道通常需使用滤波器，为了提高系统集成度、降低系统级的产品调试难度，通常较为优选的是将滤波器设置在阵列天线模块中。这种情况下，参照图1所示，A₁～A_n表示大规模阵列天线内部端口，F₁～F_n表示集成在天线单元110内部的滤波器，P₁～P_n+1是大规模阵列天线与有源模块的连接端口，也是大规模阵列天线的测试评估端口，其中P₁～P_n是天线的射频端口，P_n+1是天线的校准端口，测试过程中，可直接测试P_i至P_n+1的传输系数，记为P_iP_n+1，其中，i＝1～n；显然，此传输系数包含了滤波器210的电气特性，而当前阶段，滤波器210因工艺一致性和个体调试的差异性，难以在批量产品中保证高度一致的电气性能(包括端口反射系数、传输幅度和传输相位)，滤波器210自身性能的差异将导致集成了滤波器210的大规模阵列天线的各通道一致性指标较差，由此将直接导致各通道经滤波器210、耦合器400和功分器500的传输系数的一致性变差，从而使测量除滤波器210以外的各通道经耦合器400和功分器500的传输系数一致性指标变得非常困难。

发明内容

基于此，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大规模阵列天线的测试系统及测试方法，旨在解决因滤波器集成到天线单元而导致大规模阵列天线的各通道一致性指标较差的技术难题，消除滤波器对通道一致性的影响，为有源天线系统提供准确的通道传输误差校准数据。

本发明的大规模阵列天线的测试系统采用的技术方案是：

一种大规模阵列天线的测试系统，包括：

天线模块，所述天线模块包括n个天线单元，各所述天线单元均具有射频端口；

滤波模块，所述滤波模块集成于所述天线模块，并且所述滤波模块包括n个滤波器，各所述滤波器分别具有作为测试评估端口的第一连接端口以及与所述第一连接端口相对的第二连接端口；

传输模块，所述传输模块设于所述天线模块与所述滤波模块之间，并且所述传输模块包括n个传输件，各所述射频端口与各所述第二连接端口之间通过各所述传输件一一对应连接，以使各所述天线单元和各所述滤波器经各所述传输件级联形成多个通道；

其中，所述传输件配置为工作状态可变并能通过改变工作状态形成m组不同的电气参数，n≥1，m≥4。

进一步的，所述传输件包括传输线及与所述传输线并联的可变导纳，通过所述可变导纳改变所述传输件的工作状态以调节所述传输件的电气参数。

进一步的，所述传输件包括传输线和加载件，所述加载件能与所述传输线相连以改变所述传输件的工作状态。

进一步的，所述加载件包括可移动加载件，所述可移动加载件能相对于所述传输线运动以改变所述传输件的工作状态。

进一步的，所述加载件还包括与所述可移动加载件对应的接地线路和接地过孔。

进一步的，所述可移动加载件为设于所述传输线上的金属片或介质块。

进一步的，所述测试系统还包括n个耦合器和功分器，n个所述耦合器与n个所述天线单元一一对应耦合，所述功分器具有作为测试评估端口的第一连接端口及与n个所述耦合器一一对应连接的n个第二连接端口。

本发明提供的大规模阵列天线的测试方法所采用的技术方案是：

一种大规模阵列天线的测试方法，应用上述大规模阵列天线的测试系统，该测试方法包括步骤：

通过改变第i个所述传输件的工作状态得到m组所述传输件的电气参数；

在第i个所述传输件的不同工作状态下，经第i个所述滤波器的所述第一连接端口对应测得第i个所述通道的m组电气参数；

根据m组所述传输件的电气参数和m组所述通道的电气参数，利用去嵌入计算得出第i个所述天线单元和第i个所述滤波器的电气参数；其中，i＝1～n。

进一步的，所述根据m组所述传输件的电气参数和m组所述通道的电气参数，利用去嵌入计算得出第i个所述天线单元和第i个所述滤波器的电气参数，具体是：

根据微波网络理论，设所述天线单元的所述射频端口的端口反射系数为A_i＝[A_i11]，所述滤波器表示为二端口网络参数所述传输件表示为二端口网络参数所述天线单元和所述滤波器经所述传输件级联形成的通道的端口反射系数为P_ik，则：其中，k＝1～m；

根据m组所述传输件的二端口网络参数和m组所述通道的端口反射系数P_ik，联合求解得出所述天线单元的端口反射系数A_i和所述滤波器的二端口网络参数F_i。

进一步的，当m＞4时，可利用最小二乘法拟合出所述天线单元的端口反射系数A_i和所述滤波器的二端口网络参数F_i，以减小测试误差。

基于上述技术方案，本发明的大规模阵列天线的测试系统及测试方法相对于现有技术至少具有以下有益效果：

本发明通过在天线单元和滤波器之间设置工作状态可变的传输件，在实际进行电路参数测试时，只需通过改变传输件的工作状态即可获得多组传输件的电气参数，并通过滤波器的第一连接端口测得相应工作状态下天线单元和滤波器经传输件级联后形成的通道的多组电气参数，即可通过去嵌入计算，获得天线单元和滤波器的准确电气参数；从而可在对有源天线系统中大规模阵列天线的各通道信号进行检测以获得各通道的传输系数时，去除滤波器的自身电气性能差异所带来的误差，使得测量各通道的传输系数一致性指标变得十分容易，并能为有源天线系统提供准确的通道误差校准数据；整个测试过程简单，操作方便，能大幅降低测试误差，并提高生产效率。

附图说明

图1为现有的大规模阵列天线的测试系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种大规模阵列天线的测试系统的示意图；

图3为图2所示大规模阵列天线的测试系统中天线单元、传输件和滤波器级联的微波网络信号流图；

图4为图2所示大规模阵列天线的测试系统中的传输件采用传输线结构的通用等效电路图；

图5为图2所示大规模阵列天线的测试系统应用传输线的一种示意图；

图6为图2所示大规模阵列天线的测试系统应用传输线的另一种示意图；

图7为应用图2所示大规模阵列天线的测试系统的测试方法流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

需要说明的是，当单元被称为“固定于”或“设于”另一个单元上时，它可以直接在另一个单元上或者可能同时存在居中单元。当一个单元被称为是“连接”另一个单元，它同样也可以是直接连接另一个单元或者可能同时存在居中单元。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“横向”、“纵向”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单元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的限制。

参照图2所示，本发明实施例提供了一种大规模阵列天线的测试系统，包括：

天线模块100，天线模块100包括n个天线单元110，各天线单元110均具有射频端口，各射频端口分别为图2中的A₁～A_n；

滤波模块200，滤波模块200集成于天线模块100，并且滤波模块200包括n个滤波器210(即：图2所示F₁～F_n)，各滤波器210分别具有作为测试评估端口的第一连接端口(即：图2所示P₁～P_n)以及与第一连接端口相对的第二连接端口(未示出)；

传输模块300，传输模块300设于天线模块100与滤波模块200之间，并且传输模块300包括n个传输件310(即：图2所示B₁～B_n)，各射频端口与各第二连接端口之间通过各传输件310一一对应连接，以使各天线单元110和各滤波器210经各传输件310级联形成多个通道；

其中，传输件310配置为工作状态可变并能通过改变工作状态形成m组不同的电气参数，n≥1，m≥4。

需要说明的是，第1个天线单元110和第1个滤波器210经第1个传输件310级联形成第1通道，第2个天线单元110和第2个滤波器210经第1个传输件310级联形成第2通道，以此类推，第n个天线单元110和第n个滤波器210经第n个传输件310级联形成第n通道。

参照图7所示，本发明实施例还提供了一种大规模阵列天线的测试方法，应用上述大规模阵列天线的测试系统，该测试方法包括步骤：

S100，通过改变第i个传输件310的工作状态得到m组传输件310的电气参数；

S200，在第i个传输件310的不同工作状态下，经第i个滤波器210的第一连接端口(即：图2所示P₁～P_n)对应测得第i个通道的m组电气参数；

S300，根据m组传输件310的电气参数和m组通道的电气参数，利用去嵌入计算得出第i个天线单元110和第i个滤波器210的电气参数；其中，i＝1～n，m≥4；

重复步骤S100～S300，既可以获得天线1～n个通道中所有天线单元和滤波器的电气参数。

需要说明的是，传输件310通常具有较好的稳定性和一致性，故上述设于天线单元110和滤波器210之间的传输件310的多组电气参数可以方便的通过单独测试同类传输件310获得；而对于滤波器210而言，由于其集成于天线单元110上，天线单元110与滤波器210通常被焊接在同一个PCB上，一方面滤波器210无法拆卸后单独进行测试以获得其散射参数，另一方面，即便可以采用批量生产的同类滤波器210来单独测试以获得电气参数，不同产品之间由于一致性较差，故用功能接近的滤波器210测得的电气参数难以等价于已经焊接于天线单元110上的滤波器210的电气参数，而将滤波器210先单独进行测试后再组装到天线单元110的做法，虽然可以准确获得集成于天线单元110上的滤波器210的电气参数，但在实际生产中将导致生产效率极低，是难以适应产业化生产需求的。

本发明实施例提供的大规模阵列天线的测试系统及测试方法，通过在天线单元110和滤波器210之间设置工作状态可变的传输件310，在实际进行电路参数测试时，只需通过改变传输件310的工作状态即可获得多组传输件310的电气参数，并通过滤波器210的第一连接端口测得相应工作状态下天线单元110和滤波器210经传输件310级联后形成的通道的多组电气参数，即可通过去嵌入计算，获得天线单元110和滤波器210的准确电气参数；从而可在对有源天线系统中大规模阵列天线的各通道信号进行检测以获得P1～Pn+1(即各测试评估端口处)的传输系数时，去除滤波器210的自身电气性能差异所带来的误差，使得测量各通道的传输系数一致性指标变得十分容易，并能为有源天线系统提供准确的通道误差校准数据；整个测试过程简单，操作方便，能大幅降低测试误差，并提高生产效率。

结合图2、图3和图7，作为本发明的一个优选实施例，上述步骤S300中，具体可通过以下方法得出天线单元110和滤波器210的电气参数：

设天线单元110的射频端口的端口反射系数为A_i＝[A_i11]，滤波器210表示为二端口网络参数传输件310表示为二端口网络参数天线单元110和滤波器210经传输件310级联形成的通道的端口反射系数为P_ik，则根据微波网络理论可得：其中，i可表示天线单元110、传输件310和滤波器210所处的通道数，k表示传输件310所处的工作状态；以第一通道的传输件310为例，当该传输件310处于第一种工作状态下时，该传输件310的二端口网络参数表示为其对应的天线单元110和滤波器210经该传输件310级联形成的第一通道的端口反射系数则可表示为P₁₁；当该传输件310处于第二种工作状态下时，其对应的二端口网络参数表示为其对应的天线单元110和滤波器210经该传输件310级联形成的第一通道的端口反射系数则可表示为P₁₂；以此类推，当该传输件310处于第m种工作状态下时，其对应的二端口网络参数表示为其对应的天线单元110和滤波器210经该传输件310级联形成的第一通道的端口反射系数则可表示为P_1m；以第二通道的传输件310为例，当该传输件310处于第一种工作状态下时，其对应的二端口网络参数表示为其对应的天线单元110和滤波器210经该传输件310级联形成的第二通道的端口反射系数则可表示为P₂₁；当该传输件310处于第二种工作状态下时，其对应的二端口网络参数表示为其对应的天线单元110和滤波器210经该传输件310级联形成的第二通道的端口反射系数则可表示为P₂₂，以此类推，当该传输件310处于第m种工作状态下时，其对应的二端口网络参数表示为其对应的天线单元110和滤波器210经该传输件310级联形成的第二通道的端口反射系数则可表示为P_2m。因此，对于第i个通道的传输件310而言，当该传输件310处于第k种工作状态时，其对应的二端口网络参数表示为其对应的天线单元110和滤波器210经该传输件310级联形成的第i通道的端口反射系数则可表示为P_ik；其中，i＝1～n，k＝1～m。

根据可单独测量获得的m组传输件310的二端口网络参数和m组通道的端口反射系数P_ik，联合形成以下k个方程组：

……

根据二端口网络的对称性，F_i21＝F_i12，令F_it＝F_i21×F_i12,则上述公式(1.k)可简化为：

由于上述和P_ik均为可以测得的已知参数，故公式(2.k)中的未知变量仅剩4个，分别是：F_i11、F_it、F_i22和A_i11；因此，至少获得4组(即k＝1～m，m≥4)(包括)和P_ik，即可得出以下方程组：

……

对每个通道分别建立上述方程(2.1)～(2.k)并联合求解，就可以求解出各通道的未知参数F_i11、F_it、F_i22和A_i11，即得出各天线单元110的射频端口的端口反射系数为A_i和各滤波器210的二端口网络参数F_i。利用微波网络级联理论，就可以将各滤波器210的未知参数F_i11、F_it和F_i22的影响从测试参数P_ik中除去，实现“去嵌入”，在对有源天线系统中大规模阵列天线各通道信号进行检测时，即可去除各滤波器210的自身电气性能差异所带来的误差，使得测量各通道的传输系数一致性指标变得十分容易，并为有源天线系统提供准确的通道误差校准数据。

作为本发明的一个优选实施例，当m＞4时，还可利用现有的最小二乘法拟合出天线单元110的端口反射系数A_i和滤波器210的二端口网络参数F_i，以减小测试误差，优化测试结果。

在实际应用时，上述传输件310配置为工作状态可变并能通过改变工作状态形成m组不同的电气参数，具体可以通过以下几种较为优选的方式实现：

参照图4所示，为本发明实施例的大规模阵列天线的测试系统的传输件310采用传输线结构的通用实施方法，参照图4，上述传输件310可包括传输线311及与传输线311并联的可变导纳312a，通过可变导纳312a改变传输件310的工作状态以调节传输件310的电气参数，结构简单，调节方便。

具体在本实施例中，上述传输件310可包括传输线311和加载件，加载件能与传输线311相连以改变传输件310的工作状态。该加载件可以是现有的校准件，通过外接不同的校准件以改变传输件310的工作状态，从而调节传输件310的电气参数。该传输线311优选采用微带传输线311或带状传输线311，结构简单，且方便制作。参照图5，作为本发明的一个优选实施例，上述加载件可包括可移动加载件312b，可移动加载件312b能相对于传输线311运动以改变传输件310的工作状态。通过可移动加载件312b相对于传输线311的运动，可移动加载件312b移动到传输线311的不同位置时，即可造成传输件310的电气参数变化，这种变化超过四种时，即可求解出天线单元110和滤波器210的电气参数。参照图6，在部分实施例中，上述加载件还可包括与可移动加载件312b对应的接地线路313和接地过孔314。

上述可移动加载件312b可以为设于传输线311上的金属片或介质块。

上述金属片或介质块也可以作为负载，在相对于传输线311运动的过程中，改变传输线311的电气参数。

上述传输线311与加载件的具体设置可参照电气技术领域相关原理进行选择，在此不作详述。

上述方案，一方面均采用了传输线311，其稳定性和一致性较好，并且导纳312a和可移动加载件312b也为电气技术领域常见的，同样具有较好的一致性，故能方便的通过单独测试获得传输件310的电气参数；另一方面，在滤波器210本身即通过传输线311与天线单元110集成的前提下，该测试系统和测试方法无需改变滤波器210、天线单元110及传输线311的结构，即可通过简单易行的操作准确、方便的获得多组用于求解上述方程组的和P_ik，能极大的简化测试过程，并大幅提高测试效率，减小测试误差。

在实际应用时，参照图2、图5和图6，大规模阵列天线还包括n个耦合器400和功分器500，n个耦合器400与n个天线单元110一一对应耦合，功分器500具有作为测试评估端口的第一连接端口(即图2所示P_1+n)及与n个耦合器400一一对应连接的n个第二连接端口。在可消除滤波器210对天线各通道一致性指标影响的前提下，即可准确测量各通道经耦合器400和功分器500的传输系数，从而可进一步通过功分器500的第一连接端口对各通道误差进行较好的校准。

应当理解的是，上述i、n、k、m均为≥1为自然数。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种大规模阵列天线的测试系统，其特征在于，包括：

天线模块，所述天线模块包括n个天线单元，各所述天线单元均具有射频端口；

滤波模块，所述滤波模块集成于所述天线模块，并且所述滤波模块包括n个滤波器，各所述滤波器分别具有作为测试评估端口的第一连接端口以及与所述第一连接端口相对的第二连接端口；

传输模块，所述传输模块设于所述天线模块与所述滤波模块之间，并且所述传输模块包括n个传输件，各所述射频端口与各所述第二连接端口之间通过各所述传输件一一对应连接，以使各所述天线单元和各所述滤波器经各所述传输件级联形成多个通道；

其中，所述传输件配置为工作状态可变并能通过改变工作状态形成m组不同的电气参数，n≥1，m≥4。

2.根据权利要求1所述的大规模阵列天线的测试系统，其特征在于，所述传输件包括传输线及与所述传输线并联的可变导纳，通过所述可变导纳改变所述传输件的工作状态以调节所述传输件的电气参数。

3.根据权利要求1所述的大规模阵列天线的测试系统，其特征在于，所述传输件包括传输线和加载件，所述加载件能与所述传输线相连以改变所述传输件的工作状态。

4.根据权利要求3所述的大规模阵列天线的测试系统，其特征在于，所述加载件包括可移动加载件，所述可移动加载件能相对于所述传输线运动以改变所述传输件的工作状态。

5.根据权利要求4所述的大规模阵列天线的测试系统，其特征在于，所述加载件还包括与所述可移动加载件对应的接地线路和接地过孔。

6.根据权利要求4所述的大规模阵列天线的测试系统，其特征在于，所述可移动加载件为设于所述传输线上的金属片或介质块。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的大规模阵列天线的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括n个耦合器和功分器，n个所述耦合器与n个所述天线单元一一对应耦合，所述功分器具有作为测试评估端口的第一连接端口及与n个所述耦合器一一对应连接的n个第二连接端口。

8.一种大规模阵列天线的测试方法，其特征在于，应用权利要求1至7中任意一项所述的大规模阵列天线的测试系统，该测试方法包括步骤：

通过改变第i个所述传输件的工作状态得到m组所述传输件的电气参数；

在第i个所述传输件的不同工作状态下，经第i个所述滤波器的所述第一连接端口对应测得第i个所述通道的m组电气参数；

根据m组所述传输件的电气参数和m组所述通道的电气参数，利用去嵌入计算得出第i个所述天线单元和第i个所述滤波器的电气参数；其中，i＝1～n。

9.根据权利要求8所述的大规模阵列天线的测试方法，其特征在于，所述根据m组所述传输件的电气参数和m组所述通道的电气参数，利用去嵌入计算得出第i个所述天线单元和第i个所述滤波器的电气参数，具体是：

根据微波网络理论，设所述天线单元的所述射频端口的端口反射系数为A_i＝[A_i11]，所述滤波器表示为二端口网络参数所述传输件表示为二端口网络参数所述天线单元和所述滤波器经所述传输件级联形成的通道的端口反射系数为P_ik，则：其中，k＝1～m；

根据m组所述传输件的二端口网络参数和m组所述通道的端口反射系数P_ik，联合求解得出所述天线单元的端口反射系数A_i和所述滤波器的二端口网络参数F_i。

10.根据权利要求9所述的大规模阵列天线的测试方法，其特征在于，当m＞4时，可利用最小二乘法拟合出所述天线单元的端口反射系数A_i和所述滤波器的二端口网络参数F_i，以减小测试误差。