CN110095658A - 用于esa度量的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于测试相控天线阵列的方法和系统包括将相控天线阵列和探测天线定位在相对于彼此的相对位置处，其中它们中的一个可以作为发射器来操作并且另一个作为接收器来操作。发射器可以顺序地辐射多个电磁波，同时针对每个辐射的电磁波来不同地操纵或配置相控天线阵列。接收器可以响应于每个辐射的电磁波来接收对应的接收射频(RF)信号。处理器可以使用接收RF信号来确定相控天线阵列的一个或多个性能参数。

Description

用于ESA度量的方法和系统
背景技术
天线通常在投入使用之前进行测试。天线的测试对于提供该天线的性能参数的精确测量是重要的。非常常见和频繁的是天线未按期望或理论预期那样执行。因此，在现场使用之前，天线测试起到测量或评估天线的实际性能度量或参数的作用。
对于相控天线阵列，通常通过操作带宽和温度来测量性能参数。测量性能参数涉及通常在远场中进行的无线(over-the-air)测试。传统的天线度量需要昂贵的大型测试站-例如远场消声室或紧缩场(compact range)。用于执行工厂验收测试的传统方法在低容量市场(例如火控战斗机雷达相控阵)中是足够的，但在高容量市场(例如5G基站相控阵列)或中等容量市场(例如，机载卫星通信相控阵列)是完全不够的。特别地，大多数传统测试技术昂贵，需要相对大的测试空间，并且可能不足以执行某些性能测量。
通常用于测试相控天线阵列和其他天线的消声室可能是昂贵的。成本通常随着室的尺寸而增加。而且，大多数测试仪器可能昂贵且难以控制或监视。这样的困难可能使测试过程缓慢，因此增加了更多的总成本。
发明内容
在一方面，本文公开的发明构思的实施例涉及一种测试相控天线阵列的方法。该方法可以包括将相控天线阵列和探测天线(probe antenna)定位在相对于彼此的相对位置处。相控天线阵列可以包括多个天线元件。相控天线阵列可以充当发射天线并且探测天线可以充当接收天线，或者探测天线可以充当发射天线并且相控天线阵列可以充当接收天线。该方法可以包括使发射天线顺序地辐射多个电磁波。该方法可以包括使相控天线阵列在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作。对应的配置方案可以定义在电磁波的发射期间活动的(active)天线元件的相应集合，或者在电磁波的发射期间应用于多个天线元件的相应的相位编码方案。该方法可以包括由接收天线响应于每个辐射的电磁波来接收对应的接收射频(RF)信号。该方法可以包括使用接收RF信号确定针对多个天线元件中的每个天线元件的对应的幅度和相位参数。该方法可以包括使用所确定的多个天线元件的幅度和相位参数来确定相控天线阵列的一个或多个性能参数。
在又一方面，天线子阵列可以包括具有对应的天线元件的天线子阵列组，所述天线元件具有相应的尺寸并支持相应的频率子带。天线子阵列可以包括具有对应的天线元件的另一天线子阵列组，所述天线元件具有不同的尺寸并支持不同的频率子带。
在又一方面，该方法可以包括将探测天线定位在相对于相控天线阵列的近场位置处。一个或多个性能参数可以包括：共极化天线增益，交叉极化天线增益、共极化天线方向性、交叉极化天线方向性、天线波束宽度、辐射功率、交叉极化鉴别度、天线增益-对-噪声-温度、误差矢量量值、相邻信道功率比、脉冲质量、一个或多个旁瓣电平、信噪比(SNR)或其组合。
在又一方面，该方法可以包括使用所确定的多个天线元件中的每个的幅度和相位参数来确定相控天线阵列的远场响应。在又一方面，使相控天线阵列根据对应的配置方案操作可以包括一次一个地激活多个天线元件。可以激活每个天线元件以发射多个电磁波中的电磁波，并且探测天线可以响应于天线元件对电磁波的发射而接收对应的接收RF信号。响应于探测天线对多个电磁波中的电磁波的发射，可以激活每个天线元件以接收对应的接收RF信号。该方法还可以包括：使用在天线元件的激活期间接收到的对应的接收RF信号，确定针对多个天线元件中的每个天线元件的对应的幅度和相位参数。
在又一方面，使相控天线阵列根据相应的配置方案操作可以包括在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据相应的相位编码方案对多个天线元件进行相位操纵(phasesteering)。每个相位编码方案可以定义在多个电磁波中的对应电磁波的发射期间应用于多个天线元件的对应的相移集合或对应的时间延迟集合。该方法还可以包括由根据对应的相移集合或对应的时间延迟集合而被相位操纵的多个天线元件发射多个电磁波中的每个电磁波。响应于多个天线元件对电磁波的发射，探测天线可以接收对应的接收RF信号。该方法可以包括由探测天线发射多个电磁波中的每个电磁波，并且相控天线阵列可以响应于探测天线对电磁波的发射而接收对应的接收RF信号。
在又一方面，使相控天线阵列根据对应的配置方案进行操作可以包括在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间，根据相应的相位编码方案来相位操纵多个天线元件中的活动的天线元件组。
在又一方面，该方法还可以包括通过使探测天线或相控天线阵列在多个电磁波的发射期间沿预定义的路径进行移动来修改相对位置。
在又一方面，该方法可以包括定位具有不同极化的至少两个探测天线，或定位单个双极化探测天线。在又一方面，该方法可以包括将在不同中心频率下操作的多个探测天线定位在相对于相控天线阵列的各种位置处。
在又一方面，该方法可以包括将预定义的相位偏移应用于多个天线元件，并且以相对于接收天线的主瓣的角度偏移来接收一个或多个额外的接收信号。
在一方面，本文公开的发明构思的实施例涉及一种测试相控天线阵列的方法。该方法可以包括将包括多个天线元件的相控天线阵列和探测天线定位在相对于彼此的相对位置处。相控天线阵列可以充当发射天线并且探测天线可以充当接收天线，或者探测天线可以充当发射天线并且相控天线阵列可以充当接收天线。该方法可以包括将对应的相移或对应的时间延迟应用于多个天线元件中的每个天线元件，以补偿探测天线与多个天线元件中的每个之间的信号传播时间的差异。该方法可以包括使发射天线辐射电磁波。该方法可以包括由接收天线响应于辐射电磁波来接收接收射频(RF)信号。该方法可以包括使用接收RF信号来确定相控天线阵列的一个或多个性能参数。
在又一方面，该方法可以包括将探测天线定位在相对于相控天线阵列的近场位置处。在又一方面，一个或多个性能参数可以包括：共极化天线增益，交叉极化天线增益、共极化天线方向性、交叉极化天线方向性、天线波束宽度、辐射功率、交叉极化鉴别度、天线增益-对-噪声-温度、误差矢量量值、相邻信道功率比、脉冲质量、一个或多个旁瓣电平、和信噪比(SNR)。
在又一方面，该方法可以包括定位具有不同极化的至少两个探测天线，或定位单个双极化探测天线。在又一方面，该方法可以包括将在不同中心频率下操作的多个探测天线定位在相对于相控天线阵列的一个或多个位置处。
在一个方面，本文公开的发明构思的实施例涉及一种用于测试相控天线阵列的系统。该系统可以包括信号发生器电路，该信号发生器电路被通信地耦合到包括多个天线元件的相控天线阵列或被定位在相对于该相控天线阵列的相对位置处的探测天线。信号发生器电路可以生成一个或多个发射射频(RF)信号，以供相控天线阵列或探测天线发射。相控天线阵列可以充当发射天线并且探测天线可以充当接收天线，或者探测天线可以充当发射天线并且相控天线阵列可以充当接收天线。该系统可以包括通信地耦合到信号发生器电路、相控天线阵列和探测天线的处理器。处理器可以使发射天线顺序地辐射与一个或多个发射RF信号相关联的多个电磁波。该处理器可以使相控天线阵列在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作。对应的配置方案可以定义在电磁波的发射期间活动的天线元件的相应集合，或者在电磁波的发射期间应用于多个天线元件的相应的相位编码方案。处理器可以响应于每个辐射的电磁波而从接收天线获得对应的接收RF信号，该接收RF信号由接收天线响应于辐射的电磁波而接收。处理器可以使用接收RF信号确定针对多个天线元件中的每个天线元件的对应的幅度和相位参数。处理器可以使用所确定的多个天线元件的幅度和相位参数来确定相控天线阵列的一个或多个性能参数。
在又一方面，处理器可以嵌入在相控天线阵列内。
附图说明
本文公开的发明构思的实施方式在考虑下面的其详细描述时可以被更好地理解。这样的描述参考所包括的附图，附图不一定按比例绘制，并且为了清楚起见，其中一些特征可被夸大并且一些特征可被省略或者可以示意性地表示。附图中相同的附图标记可以表示和指代相同或相似的元件、特征或功能。在附图中：
图1显示了示出根据此公开的发明构思的相控天线阵列测试环境的示例实施例的图；
图2A-图2C显示了示出根据此公开的发明构思的具有不同示例波束形成器电路的各种WSA天线阵列的示例实施例的框图；
图3显示了示出根据此公开的发明构思的对相控天线阵列进行测试的方法的流程图；
图4显示了示出根据此公开的发明构思的用于基于相控天线阵列的每个天线元件的幅度/相位响应来确定相控天线阵列106的远场响应的方法的框图；
图5显示了示出根据此公开的发明构思的相控天线阵列的天线元件的相位/幅度响应的示例模拟结果；
图6显示了根据此公开的发明构思的使用图5中所示的天线元件的相位/幅度响应确定的相控天线阵列的示例远场响应；以及
图7显示了示出根据此公开的发明构思的对相控天线阵列进行测试的另一方法700的流程图。
图8显示了根据此公开的发明构思的相控天线阵列测试系统的框图。
图9显示了根据此公开的发明构思的另一相控天线阵列测试系统的框图。
在附图和以下描述中阐述了方法和系统的各种实施例的细节。
具体实施方式
在详细描述本文公开的发明构思的实施例之前，应该观察到的是，本文公开的发明构思包括但不限于组件和电路的新颖结构组合，并且不限于其特定的详细配置。因此，组件和电路的结构、方法、功能、控制和布置大部分已通过易于理解的框图表示和示意图在附图中示出，以便不以将对本领域的技术人员显而易见的具有本文中描述的益处的结构上的细节模糊本公开。此外，本文公开的发明构思不限于此公开中提供的图中描绘的特定实施例，而是应当根据权利要求中的语言来解释。
本文描述的方法和系统允许精确的、相对快速(例如，与常规测试技术相比)的、高效的相控天线阵列测试方法。虽然常规天线测试方法可以允许每天测试一个或非常少的相控天线阵列，但是本文描述的方法和系统允许每天测试许多个相控天线阵列。例如，下面关于图3和图7描述的方法可以允许在大约七秒而不是几小时内确定相控天线阵列的辐射图案。增加的测试速度允许使用相对较少数量的测试系统(或测试仪器)来测试给定数量(例如数千)的相控天线阵列，并且因此减少了所使用的测试空间。所使用的测试仪器的减少降低了测试成本，并且测试空间的减少也降低了测试成本，因为消声室非常昂贵并且其成本随着其尺寸而增加。
而且，常规天线测试方法和系统通常采用需要维护的移动机械部件(例如，电动机)。这些移动的机械部件会增加测试方法的复杂性并减慢测试过程。具体地，使用电动机来旋转或移动探测天线或相控天线阵列会比通过应用时间延迟或相移集合来操纵相控天线阵列的天线元件慢得多并且更不精确。
现在参考附图，图1显示了示出根据此公开的发明构思的相控天线阵列测试环境100的示例实施例的图。简而言之，相控天线阵列测试环境100可以包括天线测试室102、天线测试控制系统104、相控天线阵列106以及一个或多个探测天线，诸如探测天线108a-108c，其在下文中单独地或组合地被称为一个或多个探测天线108。天线测试控制系统104、相控天线阵列106和一个或多个探测天线108可以被布置在天线测试室102内。天线测试控制系统104和一个或多个探测天线108可以被视为形成用于测试相控天线阵列106的相控天线阵列测试系统110。虽然图1示出了被测试的单个相控天线阵列106，但是相控天线阵列测试系统110可被用于测试多个相控天线阵列106，如下面进一步详细讨论的。
天线测试室102可以包括射频(RF)消声室。RF消声室可以是被设计为完全或基本上吸收由相控天线阵列106或一个或多个探测天线108辐射的电磁波的反射的房间。例如，RF消声室的壁、天花板和地板可以由电磁波吸收材料制成或衬有电磁波吸收材料。RF消声室的壁和天花板还可以被设计为阻挡周围环境中的电磁波穿透到消声室中。测试室102的尺寸可以设置成容纳相控天线阵列测试系统110和待测试的(一个或多个)相控天线阵列106。例如，可以基于相控天线阵列测试系统110的组件的尺寸、待测试的(一个或多个)相控天线阵列106的尺寸、待测试的(一个或多个)相控天线阵列的数量(例如，每给定持续时间)、(一个或多个)相控天线阵列106和(一个或多个)探测天线108之间的距离或者其组合来定义测试室102的尺寸。
在一些实施方式中，待测试的相控天线阵列测试系统110和(一个或多个)相控天线阵列106可以被布置在开放空间中(或室外)。具体地，此公开中描述的用于测试相控天线阵列的实施例可以在开放空间环境中(不在测试室102内)执行。例如，电磁波吸收材料可以涂抹在(一个或多个)相控天线阵列106和(一个或多个)探测天线108之间的地面的一部分上，以防止或减轻地面的反射。可以采用其他技术来消除或减轻开放空间测试环境内的背景噪声。
操作者可以使用相控天线阵列测试系统110通过测量相控天线阵列106的一个或多个性能参数来测试相控天线阵列106。相控天线阵列106可以是电子扫描阵列(ESA)天线或活动的ESA(AESA)天线。相控天线阵列106可以包括形成阵列的多个天线元件(也称为辐射元件)112。天线元件112的阵列可以是一维(1-D)阵列、二维(2-D)阵列或三维(3-D)阵列。天线元件112中的每个可以充当单独的天线，其被配置为接收、发射射频(RF)信号、或者在发射和接收射频(RF)信号之间交替。相控天线阵列106可以包括通信地耦合到多个天线元件112的RF放大器和移相器(或时间延迟元件)的网络。RF放大器和移相器(或时间延迟元件)的网络可以允许对由相控天线阵列106接收或发射的波束进行操纵。
在制造时，相控天线阵列106可以被设计为具有特定的性能参数(或无线电特性)，诸如增益(G)、方向性、辐射图案、波束宽度、辐射功率(或有效各向同性辐射功率(EIRP))、交叉相关性鉴别度、增益-对-噪声-温度(G/T)、误差矢量量值(EVM)、相邻信道功率比(ACPR)、脉冲质量、旁瓣电平、信噪比(SNR)或其组合。然而，由于制造和/或设计误差，相控天线阵列106可能不如期望那样执行，并且相控天线阵列106的实际性能参数可能与例如在相控天线阵列106的设计过程期间定义的对应的理论性能参数不同。本文描述的相控天线阵列测试过程允许测量相控天线阵列106的实际性能参数(或无线电特性)。
在本文描述的测试过程期间，相控天线阵列106可以作为发射天线来进行操作(或动作)，而(一个或多个)探测天线108可以作为(一个或多个)接收天线进行操作，或者(一个或多个)探测天线108可以作为(一个或多个)发射天线进行操作，而相控天线阵列106可以作为接收天线进行操作(或动作)。例如，天线测试控制系统104可以使探测天线108辐射电磁波，并且相控天线阵列106可以响应于电磁波的发射而接收对应的接收RF信号。天线测试控制系统104可以使相控天线阵列106辐射特定的电磁波，并且(一个或多个)探测天线108可以响应于电磁波的发射而接收对应的接收RF信号。天线测试控制系统104可以基于接收到的RF信号来确定(或计算)相控天线阵列106的一个或多个实际性能参数。
(一个或多个)探测天线108可以包括喇叭天线、环形探测天线、矩形天线、偶极探测天线或本领域技术人员已知的其他类型的天线。(一个或多个)探测天线108可以是单极化的或双极化的。一个或多个探测天线108可以被布置在相对于相控天线阵列106的(一个或多个)固定位置处。一个或多个探测天线108可以以相对于轴114的不同的角度来布置或定位，该轴114与相控天线阵列106的前表面(平面或弯曲的)正交，沿着所述相控天线阵列106的前表面来布置天线元件112。例如，探测天线108a可以以角度θ0＝0°来布置，探测天线108b可以以角度θ1＝45°来布置，并且探测天线108b可以以角度θ2＝60°来布置。点116可以指示沿着其可以布置一个或多个探测天线108的各种角度或位置。轴114可以指向(或穿过)相控天线阵列106的中心点。可以在三维(3D)空间中限定探测天线108可以被定位所处的相对于轴114(或点116)的角度。限定探测天线108可以被定位或布置所处(或沿其)的相对于轴114的潜在角度的点116可以形成半球或二维(2D)平面。
参考图2A-图2C，示出了根据此公开的发明构思的探测天线108的各种布置。如图2A中所示，相控天线阵列测试系统110可以包括水平极化的探测天线108-1和垂直极化的探测天线108-2，或更一般地包括至少两个不同极化的探测天线。探测天线108-1和108-2在下文中也单独地或共同地被称为(一个或多个)探测天线108。不同极化的探测天线108-1和108-2可以彼此相对靠近地布置或定位(例如，以相差0°至3°或0°至5°的相对于轴114的对应角度)或者彼此基本上分开(例如，以相差10°或更多的相对于轴114的对应角度)。不同极化的探测天线108-1和108-2可以以不同的高度(例如，相对于地面或天线测试室102的地板)或沿相同的高度来定位。不同极化的探测天线108-1和108-2允许辐射或接收双极化的电磁波，并因此允许测量与相控天线阵列106的不同极化分量相关联的性能参数。相控天线阵列测试系统110可以包括多对不同极化的探测天线。
参考图2B，相控天线阵列测试系统110可以包括在与不同中心频率f1、f2、…、fn相关联的不同频带下进行操作的多个探测天线108-1至108-n(在本文中单独地或组合地被称为(一个或多个)探测天线108)，其中n是大于1的整数。每个探测天线108-i(其中i＝1、2、...、n)可以被配置为在频率f1、f2、...、fn的对应中心频率fi下进行操作。探测天线108-1至108-n可以彼此相对靠近地布置或定位(例如，以相差0°至3°或0°至5°的相对于轴114的对应角度)或者彼此基本上分开(例如，以相差10°或更多的相对于轴114的对应角度)。探测天线108-1至108-n可以以不同的高度(例如，相对于地面或天线测试室102的地板)或沿相同的高度来定位。相控天线阵列测试系统110可以包括多个n元组探测天线(诸如n元组108-1至108-n)。例如，n元组探测天线中的至少两个可以被不同地极化(例如，一个n元组可以是水平极化的并且另一个可以是垂直极化的)。在给定中心频率fi下进行操作的探测天线108-i可以被定位在不同位置处(例如，在相对于轴114的不同角度处)。对在不同频带下进行操作的探测天线108-1至108-n的使用允许辐射或接收不同频率下的电磁波，并在宽频带内评估相控天线阵列106的性能参数(例如，探测天线108-1到108-n在其下进行操作的频带的组合)。对在不同频带下进行操作的探测天线108-1至108-n的使用可以允许确定相控天线阵列106的操作频带。
参考图2C，相控天线阵列测试系统110可以包括探测天线108，探测天线108被配置为相对于相控天线阵列106移动。定位系统(图1和图2A-2C中未示出)可以使探测天线108例如沿预定义的路径(例如，一个或多个直线或曲线)或在预定义的位置(例如，由图1中的点116指示的位置)之间进行移动。定位系统可以使相控天线阵列106或探测天线108和相控天线阵列106两者根据对应的(一个或多个)预定义的路径或在对应的预定义的位置之间进行移动。使用移动探测天线108和/或移动相控天线阵列106可以便于测量多个相控天线阵列106的性能参数或测量相控天线阵列106的额外的性能参数(例如，辐射图案或一个或多个旁瓣电平)。例如，当测试多个相控天线阵列106时，天线测试控制系统104可以使相控天线阵列106一次一个地被激活，并且使探测天线108或多个相控天线阵列106根据预定义的运动模式进行移动，使得活动的相控天线阵列106被定位在相对于(一个或多个)探测天线108的预定义的位置处。例如，天线测试控制系统104可以(1)使相控天线阵列106沿预定义的路径移动特定距离，(2)激活位于特定位置处的相控天线阵列106，(3)致使在活动的相控天线阵列和(一个或多个)探测天线108之间辐射电磁波，以及(4)重复步骤(1)至(4)直到所有相控天线阵列106被激活用于测试为止。在另一示例中，天线测试控制系统104可以使探测天线108根据多个预定义的位移进行移动，并在每个位移之后激活不同的相控天线阵列106，直到所有相控天线阵列108被测试为止。
本公开还设想了探测天线108的其他布置。例如，根据以上关于图2A-2C讨论的布置的的组合，相控天线阵列测试系统110可以包括一个或多个探测天线108。例如，相控天线阵列测试系统110可以包括至少一对不同极化的探测天线108，其被配置为相对于相控天线阵列106进行移动。相控天线阵列测试系统110可以包括n元组探测天线108，其被配置为在不同频带下进行操作并相对于相控天线阵列106进行移动。相控天线阵列测试系统110可以包括至少两个n元组探测天线(其中在每个n元组中的探测天线108在不同频带下进行操作)，其被不同地极化(例如，一个n元组可以具有水平极化并且另一个可以具有垂直极化)。至少两个n元组探测天线可以被配置为相对于相控天线阵列106进行移动。
返回参考图1，天线测试控制系统104可以通信地耦合到(一个或多个)相控天线阵列106和(一个或多个)探测天线108。天线测试控制系统104可以包括一个或多个电子设备和一个或多个电气/电子电路的组合。例如，天线测试控制系统104可以包括信号发生器电路、网络分析器、信号分析器、控制器、处理器、存储器、计算设备或其组合。天线测试控制系统104可以通过(一个或多个)相控天线阵列106或(一个或多个)探测天线108来控制电磁波辐射。例如，天线测试控制系统104可以生成并提供RF信号，以作为电磁波由(一个或多个)相控天线阵列106或(一个或多个)探测天线108发射。天线测试控制系统104可以控制(一个或多个)相控天线阵列106的配置方案(或波束操纵)。天线测试控制系统104可以向相控天线阵列106发送指示配置方案(或相位配置方案)的指令。配置方案(或相位配置方案)可以指示(或可以定义)待激活的相控天线阵列106的一组天线元件112、用于各种天线元件112(例如所有的天线元件112或待激活的一组天线元件)的相移(或时间延迟)、用于各种天线元件112的衰减或功率放大值、或者其组合。天线测试控制系统104可以控制由相控天线阵列106根据其来实施相位配置方案的顺序和定时。
天线测试控制系统104可以获得由(一个或多个)接收天线((一个或多个)探测天线108或相控天线阵列106)接收到的RF信号，并处理接收到的RF信号以确定或计算相控天线阵列106的性能参数。天线测试控制系统104可以计算相控天线阵列106的性能参数，并提供所计算的性能参数以用于存储在存储器或远程数据库中或者显示在显示设备上，该显示设备通信地耦合到相控天线阵列测试系统110、也可以通信地耦合到用于控制(一个或多个)相控天线阵列106和(一个或多个)探测天线108的位置的定位系统。
天线测试控制系统104还可以包括定位系统(图1中未示出)。定位系统可以通信地耦合到天线测试控制系统104。定位系统可以包括一个或多个机械结构，以用于机械地支撑相控天线阵列106或(一个或多个)探测天线108。定位系统可以包括电动机、轮子或其他机械部件，以致使相控天线阵列106或(一个或多个)探测天线108在不同位置之间或沿预定义的路径自动移动。例如，定位系统可以从天线测试控制系统104接收指令(或指示指令的信号)，并致使相控天线阵列106或(一个或多个)探测天线108在不同的预定义的位置之间或沿预定义的路径进行移动，例如如上所述。
参考图3，显示了示出根据此公开的发明构思的对相控天线阵列进行测试的方法300的流程图。简而言之，方法300可以包括将相控天线阵列和探测天线定位在相对于彼此的相对位置处，其中它们中的一个充当发射天线而另一个充当接收天线(框302)，并且致使发射天线顺序地辐射多个电磁波(框304)。方法300可以包括：致使相控天线阵列在多个电磁波的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作(框306)；以及由接收天线响应于每个辐射的电磁波来接收一个或多个对应的接收射频(RF)信号(框308)。方法300可以包括：使用接收RF信号来为多个天线元件中的每个天线元件确定对应的信号响应(框310)；以及使用针对多个天线元件的所确定的信号响应来确定相控天线阵列的一个或多个性能参数(框312)。
方法300可以包括将相控天线阵列106和探测天线108定位在相对于彼此的相对位置处，它们中的一个充当发射天线而另一个充当接收天线(框302)。在测试相控天线阵列106的过程期间，相控天线阵列106可以充当发射天线(而探测天线108可以充当接收天线)或充当接收天线(而探测天线108可以充当发射天线)。在互易原理下，相控天线阵列106的接收和发射性质是相同的。例如，相控天线阵列106的辐射图案在发射模式和接收模式下是相同的。因此，当测量相控天线阵列106的性能参数时，相控天线阵可以被布置为作为发射天线或接收天线来操作。
天线测试控制系统104可以包括或可以访问测试安排表(或测试计划)。测试安排表可以包括指示相控天线阵列106和探测天线108中的哪个实体充当发射天线以及哪个实体充当接收实体、所使用的探测天线108的数量、相控天线阵列106和(一个或多个)探测天线108的相对位置、待发射的发射RF信号序列(例如，作为辐射的电磁波)、定时信息(例如，每个发射RF信号的发射时间或发射RF信号的连续发射之间的时间间隔)、相控天线阵列的多个配置方案、运动信息(例如，探测天线108或相控天线阵列106将在何处和/或何时移动)或者其组合。天线测试控制系统104可以包括或可以访问探测天线108的性质(例如，性能参数、诸如尺寸和形状的几何参数、探测天线108的类型或其组合)的指示。天线测试控制系统104可以包括或可以访问相控天线阵列106的设计性质的指示，诸如相控天线阵列106中的天线元件112的数量、天线元件112的布置(例如，阵列中的行数和列数以及每行或每列中的天线元件的数量)、天线元件112之间的间隔、三维空间中天线元件的位置、天线元件的取向、相控天线阵列106的形状(例如，平面或弯曲的)或其组合。
在测试相控天线阵列106的过程开始时，用户(例如，技术人员)可以将相控天线阵列106和探测天线108手动定位或安装在对应的机械支撑元件上。机械支撑元件可以被定位(例如，固定)在预定义的测试位置处。机械支撑元件的位置可以是可调整的，并且天线测试控制系统104可以指示定位系统将探测天线108、相控天线阵列106或对应的机械支撑元件移动到预定义的位置，在该处相控天线阵列106和探测天线108将被测试。相控天线阵列106可以被定位为面向探测天线108(或者如果使用了多于一个的探测天线108，则面向探测天线108中的一个)，例如如图1中所示。
定位探测天线108可以包括将探测天线108定位在相对于相控天线阵列106的近场位置处。例如，相控天线阵列106和探测天线108之间的距离可以小于发射的RF信号(或辐射的电磁波)的主波长λ、小于2×λ、小于3×λ或小于5×λ。这样的布置可以允许使用相对小的天线测试室102。在一些情况下，用户或定位系统可以将探测天线108定位在相对于相控天线阵列106的远场位置处。在这种情况下，相控天线阵列106和探测天线108之间的距离可以是例如大于5×λ、大于10×λ或者大于某个其他预定义的距离。
定位探测天线108可以包括定位单个双极化的探测天线108或定位具有不同极化的至少两个探测天线108(例如，包括一个水平极化的探测天线和一个垂直极化的探测天线)，如上面关于图2A所讨论的。例如，用户或定位系统可以定位不同极化的一对天线108-1和108-2或者如上面关于图2A所讨论的多个这样的对。使用双极化的探测天线108或一对不同极化的探测天线(诸如图2A的探测天线108-1和108-2)可以允许评估相控天线阵列106的共极化和交叉极化响应或性能。
定位探测天线108可以包括将多个探测天线108定位在相对于相控天线阵列106的不同位置处，如上面关于图1所讨论的。多个探测天线可以包括一个或多个n元组，其中每一个与n个不同的操作中心频率f1、f2、...、fn相关联，如上面关于图2B所讨论的。使用在各种中心频率下进行操作的多个探测天线允许在相对宽的频带内评估相控天线阵列106的性能参数。例如，当使用单个探测天线108时，相控天线阵列106的测试被约束到该探测天线108的操作频带。在一些情况下，(一个或多个)探测天线108和/或相控天线阵列106可以被配置为如上面关于图2C所讨论的那样进行移动。
方法300可以包括致使发射天线顺序地辐射多个电磁波(框304)。天线测试控制系统104可以向发射天线(相控天线阵列106或(一个或多个)探测天线108)发送指令，以致使发射天线例如根据测试安排表来辐射多个电磁波中的每个。天线测试控制系统104可以发送针对要由发射天线辐射的每个电磁波的单独的指令或命令，或者发送命令了发射天线根据指定的时间安排表来发射或辐射电磁波的一个指令。多个电磁波可以对应于单个发射RF信号或多个不同的发射RF信号(例如，与不同的带宽或中心频率相关联的发射RF信号)。例如，辐射多个电磁波可以包括发射天线在多个时间实例处重复地发射单个发射RF信号、在多个时间实例处发射时间偏移版本的单个发射RF信号的时移版本、或者在多个时间实例处发射不同的发射RF信号。通常，天线测试控制系统104可以控制要由发射天线发射的(一个或多个)发射RF信号、每个电磁波的辐射时间、发射多个电磁波的顺序或者其组合。
在使用充当发射天线的多个探测天线108的情况下(例如，如关于图1、图2A和图2B所讨论的)，探测天线108可以同时或一次一个地顺序地进行发射。而且，如果移动的探测天线108(例如，如关于图2C所讨论的)被用作发射天线，则探测天线108可以在一个位置执行一个或多个发射、移动到另一个位置以执行一个或多个其他发射、然后移动到第三位置等等。探测天线108可以在移动的同时发射(或辐射)电磁波。在由发射天线辐射或者由接收天线接收电磁波的每个实例处，天线测试控制系统104可以访问移动的探测天线108的位置(或移动的相控天线阵列106的位置)。
该方法300可以包括使相控天线阵列106在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作(框306)。每个配置方案可以指示待激活的相控天线阵列106的天线元件112(例如，天线元件112的全部或子集)、待应用于每个天线元件的相移(或时间延迟)、待应用于每个天线元件112的功率放大或其组合。每个配置方案可以与发射天线辐射的对应电磁波相关联。天线测试控制系统104可以针对要应用的每个配置方案向相控天线阵列106发送单独的指令(例如，在由发射天线辐射电磁波之前)，或者可以发送指示多个配置方案和根据其来应用配置方案中的每个方案的时间安排表的一个指令。
在相控天线阵列106作为发射天线进行操作的情况下，相控天线阵列106可以在辐射对应的电磁波之前应用或实施每个配置方案。例如，相控天线阵列106可以接收发射RF信号的指示和配置方案的指示。相控天线阵列106可以应用配置方案(例如，通过激活一个或多个天线元件112、对一个或多个天线元件112应用对应的相移或时间延迟、对一个或多个天线元件112应用对应的功率放大、或其组合)，并且通过活动的天线元件中的每个来发射发射RF信号。由相控天线阵列106辐射或发射的电磁波可以是由活动的天线元件112辐射/发射的波的总和。然后，在当前活动的天线元件112中的每个发射相同(或另一个)发射RF信号时，相控天线阵列106可以应用另一配置方案并辐射新的电磁波。相控天线阵列106可以对待发射/辐射的每个电磁波应用不同的配置方案。
在相控天线阵列106作为接收天线进行操作的情况下，相控天线阵列106可以在(一个或多个)探测天线108辐射对应电磁波之前(或同时)应用或实施每种配置方案。例如，天线测试控制系统104可以指示探测天线108发射或辐射电磁波(例如，通过提供发射RF信号的指示)并指示相控天线阵列106应用配置方案。相控天线阵列106可以在由探测天线108开始发射或辐射电磁波之前应用配置方案(例如，通过激活一个或多个天线元件112、对一个或多个天线元件112应用对应的相移或时间延迟、对一个或多个天线元件112应用对应的功率放大、或其组合)。相控天线阵列106(或其活动的天线元件108)可以在根据所应用的配置方案进行操作的同时接收辐射的电磁波。然后，相控天线阵列106可以应用另一种配置方案以接收由探测天线108辐射或发射的另一电磁波。可以利用每次由相控天线阵列106应用的不同的(或单独的)配置方案来重复此过程。探测天线108可以重复地辐射或发射相同的电磁波(例如，对应于发射RF信号)。换句话说，由探测天线108发射的多个电磁波可以包括(或表示)相同发射RF信号在不同时间实例处的多个发射。
致使相控天线阵列106在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作可以包括一次一个地激活多个天线元件112，使得在多个电磁波中的对应电磁波的发射期间每个天线元件被激活。每个配置方案可以指示待激活的相控天线阵列106的多个天线元件中的对应天线元件112。例如，当作为发射天线进行操作时，相控天线阵列106可以激活第一天线元件112并使激活的第一天线元件112发射发射RF信号，而其余的天线元件112被去激活。然后，相控天线阵列106可以激活第二天线元件112(同时去激活第一天线元件112)并使第二天线元件112发射发射RF信号(或另一发射RF信号)。相控天线阵列106可以一次一个地继续激活天线元件112并使激活的天线元件112发射发射RF信号(或对应的发射RF信号)，例如，直到相控天线阵列106的所有天线元件112均已被激活并发射(一个或多个)发射RF信号为止。
当作为接收天线进行操作时，相控天线阵列106可以激活(例如，基于来自天线测试控制系统104的指令或命令)天线元件112，使得激活的天线元件112接收由探测天线108辐射的第一电磁波。然后，相控天线阵列106可以激活另一个天线元件112(同时去激活先前激活的天线元件112)，使得当前激活的天线元件112接收由探测天线108辐射的第二电磁波。相控天线阵列106可以一次一个地继续激活天线元件112并使每个激活的天线元件112接收由探测天线108辐射的电磁波，例如，直到相控天线阵列106的所有天线元件112均已被激活为止。
致使相控天线阵列106在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作可以包括相控天线阵列106(例如，基于来自天线测试控制系统104的(一个或多个)指令或(一个或多个)命令)在每个电磁波的发射期间根据相应的相位编码方案对多个天线元件112进行相位操纵。每个相位编码方案可以定义在对应的电磁波的发射期间应用于多个天线元件112的对应的相移集合(或对应的时间延迟集合)。也就是说，每个相位编码方案可以为每个天线元件112定义对应的相移(或对应的时间延迟)，天线元件112将根据其来进行操作。每个相位编码方案还可以定义在对应电磁波的发射期间应用于多个天线元件112的功率放大集合。也就是说，每个相位编码方案可以为每个天线元件112定义对应的功率放大，天线元件112将根据其来进行操作。
例如，当作为发射天线进行操作时，相控天线阵列106可以根据第一相位编码方案对天线元件112进行相位操纵，并使天线元件112在根据第一相位编码方案进行操作的同时发射发射RF信号。这样，天线元件112可以同时发射各种时间延迟(或相移)版本的发射RF信号，其相加以形成由相控天线阵列辐射的电磁波。相控天线阵列106可以根据第二相位编码方案对天线元件112进行相位操纵，并使天线元件112在根据第二相位编码方案进行操作时发射发射RF信号(或另一发射RF信号)。相控天线阵列106可以继续对天线元件112进行相位操纵并使天线元件112发射发射RF信号，直到所有相位编码方案被应用于天线元件112为止。通过在发射(一个或多个)发射RF信号时应用各种相位编码方案，相控天线阵列106可以顺序地辐射多个电磁波。例如，当不同的相位编码方案被应用于天线元件112时，由相控天线阵列106辐射的电磁波可以彼此不同。
当作为接收天线进行操作时，相控天线阵列106可以根据第一相位编码方案对天线元件112进行相位操纵，以接收由探测天线108辐射的电磁波。考虑到不同的相移(或时间延迟)可以被应用于单独的天线元件112，即使所有天线元件112被暴露于相同的电磁波(由探测天线108辐射的)，天线元件112也可以接收不同相移(或时间延迟)版本的电磁波(或对应的RF信号)。相控天线阵列106可以根据第二相位编码方案对天线元件112进行相位操纵，以接收由探测天线108辐射的另一电磁波。相控天线阵列106可以继续对天线元件112进行相位操纵，直到所有相位编码方案(例如，预定义的编码方案集合)被顺序地应道到天线元件112以接收由探测天线108顺序辐射的多个电磁波为止。由探测天线108顺序地辐射的多个电磁波可以与由探测天线106重复发射的单个发射RF信号相关联，或者可以与不同的发射RF信号相关联。
在一些情况下，致使相控天线阵列106在多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作可以包括激活多个天线元件112中的一组天线元件，并且对所激活的组中的天线元件进行相位操纵。例如，相控天线阵列106(无论是作为发射天线还是作为接收天线操作)可以一次一组地激活多个天线元件112(例如，天线元件块)。相控天线阵列106可以顺序地向每个激活的天线元件组应用对应的多个相位编码方案。例如，可以将四个不同的相位编码方案顺序地应用于一组四个激活的天线元件112。每个编码方案定义要应用于对应的活动天线元件组中的天线元件的相移(或时间延迟)和/或功率放大。每个配置方案可以定义要被激活的一组天线元件和要被应用于该组天线元件的相位编码方案。这种方法(其中每个配置方案定义了要被激活的对应天线元件组(或块)以及要被应用于活动天线元件组的对应相位编码方案)允许单独地测试天线元件块。
方法300可以包括接收天线(相控天线阵列106或探测天线108)，其响应于由发射天线辐射的每个电磁波来接收对应的接收RF信号(框308)。当相控天线阵列106作为接收天线进行操作时，接收RF信号可以是由活动天线元件112接收到的信号的总和。例如，当一次一个地激活天线元件112时，每个接收RF信号可以是由对应的活动天线元件接收到的信号，该信号被相移(或时间延迟)了与活动元件112相关联的任何相移(或时间延迟)值和/或被放大了与活动天线元件相关联的幅度/功率放大值。当一次一组地激活天线元件112时，每个接收RF信号可以是由对应活动的天线元件组接收到的相移(或时间延迟)和/或放大版本(例如，根据应用于该天线元件组的相位编码方案)的信号的总和。当一次一个相位编码方案地将单独的相位编码方案应用于所有天线元件112时，每个接收RF信号可以是由相控天线阵列106的多个天线元件112接收到的相移(或时间延迟)和/或放大版本(例如，根据所应用的相位编码方案)的信号的总和。可以由相控天线阵列106的RF放大器和移相器(或时间延迟元件)的网络或由相控天线阵列106的处理器(或控制器)来应用相移(或时间延迟)和/或放大。
当相控天线阵列106作为发射天线进行操作时，每个接收RF信号可以表示由探测天线108接收到的信号(响应于由相控天线阵列106辐射的对应电磁波)，该信号被放大了与探测天线阵列108相关联的任何幅度/功率放大。在使用充当接收天线的多个探测天线108的情况下(例如，如关于图1、图2A和图2B所讨论的)，探测天线108可以同时或顺序地接收电磁波(例如，一次一个激活的)。而且，如果移动的探测天线108(例如，如关于图2C所讨论的)被用作接收天线，则探测天线108可以在一个位置接收一个或多个辐射的电磁波、移动到另一个位置以接收一个或多个其他波、然后移动到第三位置等等。探测天线108可以在移动的同时接收电磁波。在由发射天线辐射或者由接收天线接收电磁波的每个实例处，天线测试控制系统104可以访问移动的探测天线108的位置(或移动的相控天线阵列106的位置)。
方法300可以包括使用接收RF信号来为多个天线元件112中的每个天线元件112确定对应的信号响应(框310)。天线测试控制系统104可以从接收天线获得多个接收RF信号。如上所述，多个接收RF信号中的每个可以与以下相关联：对应的天线元件112(充当发射器或接收器)、对应的活动天线元件组(充当发射器或接收器)以及应用于该活动天线元件组的对应相位编码方案、或者应用于相控天线阵列的多个天线元件112(充当发射器或接收器)的对应相位编码方案。
假设相控天线阵列106具有K(K是整数)个天线元件和由天线测试控制系统104获得的N(N是整数)个接收RF信号，则每个接收RF信号Yi(ω)(在频域中)可以被描述为：
整数i表示通过发射天线(或接收天线)的信号发射(或接收)事件的索引或者接收RF信号的索引。整数k表示相控天线阵列106的天线元件112的索引。信号X(ω)表示发射天线使用的发射RF信号(在频域中)，并且ω是角频率。每个参数Wi,k可以是与第k个天线元件相关联的复数加权参数，并且例如通过在第i个发射/接收事件期间应用的相位编码方案来定义。例如，复数加权参数Wi,k可以指示在第i个发射/接收事件期间由相控天线阵列106对由第k个天线元件发射的或接收到的信号应用的时间延迟(或相移)和/或功率放大。如本文所使用的，发射或接收事件是指由发射天线(或接收天线)对电磁波的发射(或接收)。所有k＝1、...、K和所有i＝1、...、N的复数加权参数Wi,k对于天线测试控制系统104是已知的，因为这些参数可以在各种发射/接收事件期间由相控天线阵列106应用的配置方案(或相位编码方案)中进行预定义。每个参数Ak可以是与第k个天线元件相关联的复数加权参数，其可以指示：由于第k个天线元件和相控天线阵列之间的距离、在发射或接收方向处的探测天线108的增益、在发射或接收方向处的第k个天线元件的增益或其组合而引起的相移和信号衰减。例如，复数加权参数Ak可以指示在第i个发射/接收事件期间由相控天线阵列106对由第k个天线元件发射的或接收到的信号应用的时间延迟(或相移)和/或功率放大。对于k＝1、...、K的复数加权参数Ak是方程组(1)中的未知数。
方程组(1)中的公式说明每个接收RF信号Yi(ω)可以在频域中被表示为发射RF信号X(ω)的加权和。在发射/接收事件中的每个期间以由相控天线阵列106应用的不同相位编码方案来激活相控天线阵列106的所有天线元件112的情况下，对于所有k＝1、...、K，复数加权参数Ak可以是非零的，并且对于所有i＝1、...、N和所有k＝1、...、K，复数加权参数Wi,k可以是非零的。在一次一组地激活天线元件112的情况下，方程组(1)可以被重写为
其中Si表示在第i个发射/接收事件期间活动的天线元件的索引集合。在一次一个地激活天线元件112的情况下，方程组(1)减少到
Yi(ω)＝Wi，q(i)Aq(i)X(ω)，i＝1、...、N， (3)
其中整数q(i)表示在第i个发射/接收事件期间活动的天线元件的索引。
由于发射RF信号X(ω)和复数加权参数Wi,k是已知的，因此天线测试控制系统104可以根据相控天线阵列106应用或实施的配置方案的类型，使用方程组(1)、(2)或(3)中的任一个来求解复数加权参数Ak。例如，使用方程(3)，天线测试控制系统104可以将Aq(i)计算为：
只要N≥K且N个方程(1)是线性无关的，天线测试控制系统104就可以求解复数加权参数Ak的方程组(1)。所使用的相位编码方案可以被选择或设计(例如，通过天线测试控制系统104)，使得方程组(1)与N≥K线性无关。对于方程组(2)，假设每个活动天线元件组(或块)Si的方程的数量大于或等于该组(或块)中的天线元件的数量，则天线测试控制系统104可以单独地求解与对应的激活的天线元件组相关联的每个方程子组。与每个天线元件组(或块)Si相关联的相位编码方案可以被选择或设计为(例如，通过天线测试控制系统104)大于该组(或块)中的天线元件的数量，并且使得对应的方程(方程组(2)当中的)是线性无关的。
一旦确定了复数加权参数Ak，天线测试控制系统104就可以确定每个天线元件112的信号响应。天线测试控制系统104可以从每个复数加权参数Ak中去除探测天线增益的影响(沿着接收到的/发射的电磁波的到达/离开的角度)、由于探测天线和第k个天线元件之间的电磁波传播引起的时间延迟、以及由于探测天线和第k个天线元件之间的电磁波传播引起的电磁波衰减(如果有的话)。例如，天线测试控制系统104可以计算新的复数加权参数Bk集合，使得
其中表示沿电磁波传播角度的探测天线108的增益，并且参数表示由于探测天线108和第k个天线元件之间的电磁传播引起的幅度衰减和相移。在一些情况下，幅度衰减参数ρk可以等于1。天线测试控制系统104可以提前知道探测天线108的辐射图案。例如，探测天线108的辐射图案的表示可以被存储在天线测试控制系统104可访问的存储器中。天线测试控制系统104可以基于探测天线108和第k个天线元件之间的距离来预先计算参数(对于具有索引k的每个天线元件)。
天线测试控制系统104可以将每个天线元件的信号响应确定为Bk X(ω)。如果相控天线阵列106充当发射天线，信号响应Bk X(ω)可以被视为当在与第k个天线元件相关联的相控天线阵列106处未应用加权(例如，作为相移和/或功率放大)时在第k个天线元件的表面处辐射的RF信号。复数加权参数Bk可以被视为表示第k个天线元件的相位和幅度响应。因此，确定每个天线元件的信号响应可以包括确定每个天线元件的相位和幅度响应(或相位和幅度参数)。由复数加权参数Bk定义的相位和幅度响应独立于探测天线108和相控天线阵列106与探测天线108之间的距离(或其位置)。当相控天线阵列106应用复数加权Wi,k(例如，作为相移和/或功率放大)时，在第k个天线元件的表面处辐射的RF信号可以等于Wi,kBkX(ω)。在相控天线阵列106充当接收天线的情况下，信号响应Bk X(ω)可以被视为在与第k个天线元件相关联的相控天线阵列106处应用任何加权(例如，作为相移和/或功率放大)之前在第k个天线元件的表面处接收到的RF信号。
在一些情况下，例如，当使用多个探测天线108时，可以建立附加方程(类似于方程(1))。多个探测天线108可以与不同的位置(如关于图1所讨论的)、不同的极化(如关于图2A所讨论的)、不同的操作中心频率(如关于图2B所讨论的)或其组合相关联。在这种情况下，可以为每个探测天线108建立单独的方程组(类似于方程组(1))。因此，天线测试控制系统104可以求解多个方程组并确定每个天线元件的多个信号响应(或多个相位和幅度响应)。例如，对于给定的天线元件，天线测试控制系统104可以确定每个中心频率和/或每个波极化(例如，水平极化和垂直极化)的信号响应。
方法300可以包括使用针对多个天线元件112的确定的信号响应(或确定的相位和幅度参数)来确定相控天线阵列106的一个或多个性能参数。例如，天线测试控制系统104可以使用每个天线元件112的所确定的幅度/相位响应(或幅度和相位参数)来确定相控天线阵列106的远场响应。天线测试控制系统104可以使用相控天线阵列106的远场响应来确定相控天线阵列106的性能参数。
在一些情况下，天线测试控制系统104可以使用天线元件的相位/幅度响应和平均单独天线元件辐射图案(例如，表示每个天线元件112的辐射图案，假设类似表现的天线元件112)来确定相控天线阵列106的远场响应(或辐射图案)。例如，相控天线阵列的远场响应(或辐射图案)可以被计算为由天线元件112的相位/幅度响应缩放的平均单独天线元件辐射图案的加权和。
参考图4，显示了示出根据此公开的发明构思的用于基于天线阵列112的每个的幅度/相位响应来确定相控天线阵列106的远场响应的方法的框图。通过确定每个天线元件的相位/幅度响应，天线测试控制系统104可以确定在相控天线阵列周围的封闭表面402上的电(或磁)场和/或电流。特别地，封闭表面402上的电(或磁)场和/或电流仅在封闭表面402的面向天线元件112(或在天线元件112前面)的部分404上是非零的，这是因为由天线元件112辐射的电磁波不沿着相控天线阵列106的侧面或后面传播。
根据表面等效原理(或表面等效定理)，如果场/电流在封闭表面上是唯一已知的(例如，电场E、磁场H、磁通密度B矢量或电流密度矢量J中的两个)，那么可以唯一地识别或确定由封闭表面限定的体积内部或外部各处的场/电流。因此，天线测试控制系统104可以例如基于针对相控天线阵列106的每个天线元件112所确定的幅度/相位响应来确定基于封闭表面402的部分404的电场E和电流密度J矢量。天线测试控制系统104可以在封闭表面402的其余部分上将电场E和电流密度J矢量设置为零。然后，天线测试控制系统104可以对天线元件112的所确定的相位/幅度响应应用傅里叶变换，以根据表面等效原理确定相控天线阵列106的远场响应。
参考图5，显示了示出根据此公开的发明构思的相控天线阵列106的天线元件112的相位/幅度响应的示例模拟结果。每个菱形单元表示相控天线阵列106的对应天线元件112。
参考图6，显示了根据此公开的发明构思的使用图5中所示的天线元件的相位/幅度响应确定的相控天线阵列106的示例远场响应。图6中所示的远场响应表示沿着-100度和100度之间的方位角范围以及-100度和100度之间的仰角范围的相控天线阵列106的辐射图案。
当相控天线阵列106对天线元件112应用由复数加权参数Vk(或Wi,k)(对于k＝1、...、K)定义的相移(或时间延迟)和/或功率放大时，天线测试控制系统104可以将这些复数加权参数合并到天线元件112的相位/幅度响应中，例如，作为VkBk(或Wi,kBk)。通过基于相位/幅度响应VkBk(或Wi,kBk)确定封闭表面402上的电(或磁)场/电流，天线测试控制系统104可以使用傅里叶变换来确定在根据复数加权参数Vk(或Wi,k)(对于k＝1、...、K)进行相位操纵时相控天线阵列106的远场响应(或辐射图案)。
基于所确定的相控天线阵列106的辐射图案，天线测试控制系统104可以确定相控天线阵列的一个或多个其他性能参数，包括相控天线阵列增益(例如，共极化增益和交叉极化增益)、共极化相控天线阵列方向性(例如，共极化方向性和交叉极化方向性)、相控天线阵波束宽度、辐射功率、交叉极化鉴别度、天线增益-对-噪声-温度、误差矢量量值、相邻信道功率比、脉冲质量、一个或多个旁瓣电平、信噪比(SNR)或其组合。例如，天线测试控制系统104可以基于相控天线阵列106的辐射图案的峰值(在主瓣处)来确定峰值相控天线增益。为了确定共极化增益和交叉极化增益，可以使用具有不同极化的两个探测天线108(如关于图2A所讨论的)。一个探测天线108可以被与相控天线阵列106类似地极化(例如，两者都具有水平极化)，并且另一个探测天线具有交叉极化(例如，在相控天线阵列已经具有水平极化时具有垂直极化)。天线测试控制系统104可以确定相控天线阵列106的共极化远场响应和交叉极化远场响应。天线测试控制系统104可以使用所确定的共极化远场响应来确定共极化增益，并且使用所确定的相控天线阵列的交叉极化远场响应来确定交叉极化增益。
天线测试控制系统104可以将方向性确定为：
其中表示相控天线阵列106沿仰角θ和方位角的远场响应。为了确定共极化方向性和交叉极化方向性，天线测试控制系统104可以分别针对相控天线阵列106的共极化远场响应和相控天线阵列106的交叉极化远场响应来评估方程(6)。
相控天线阵列106的天线波束宽度可以被定义为半功率波束宽度或零点到零点波束宽度(the null to nul beamwidth)。天线测试控制系统104可以确定角度间隔，其中在半功率波束宽度的情况下，辐射图案的量值从主瓣的峰值减小50％(或3dB)。天线测试控制系统104可以确定角度间隔，其中在零点到零点波束宽度的情况下，辐射图案的量值从主瓣的峰值减小零。天线测试控制系统104可以将辐射功率确定为天线元件112中的每个的辐射功率的总和。天线测试控制系统104还可以使用所确定的相控天线阵列的(一个或多个)辐射图案和/或所确定的相控天线阵列106的相位/幅度响应(或相位/幅度参数)来确定交叉极化鉴别度、天线增益-对-噪声-温度、误差矢量量值、相邻信道功率比、脉冲质量、一个或多个旁瓣电平和信噪比(SNR)。
参考图7，显示了示出根据此公开的发明构思的对相控天线阵列进行测试的另一方法700的流程图。简而言之，方法700可以包括将相控天线阵列和探测天线定位在相对于彼此的相对位置处，它们中的一个充当发射天线而另一个充当接收天线(框702)，并且对相控天线阵列的天线元件应用相移以补偿探测天线和天线元件之间的信号传播时间的差异(框704)。方法700可以包括使发射天线辐射电磁波(框706)，响应于辐射电磁波而接收RF信号(框708)，以及使用接收到的RF信号来确定相控天线阵列的一个或多个性能参数(框710)。
方法700的步骤702可以类似于上述方法300的步骤302。方法700还可以包括天线测试控制系统致使相控天线阵列106对天线元件112应用相移，以补偿探测天线108和天线元件112之间的信号传播时间的差异(框704)。也就是说，应用相移使得由天线元件112发射的信号在接收探测天线108处构造性地加起来，或者由天线元件112接收到的信号在接收相控天线阵列106处构造性地加起来。例如，可以选择(例如，通过天线测试控制系统104)应用于每个天线元件的相移(或时间延迟)，以补偿探测天线和该天线元件112之间的传播时间。对天线元件112应用相移以补偿探测天线108和天线元件112之间的信号传播时间的差异可以致使相控天线阵列106的主瓣的峰值与探测天线108对准。
方法700的步骤706和708可以类似于上述方法300的步骤304和308，除了天线测试控制系统104可以致使相控天线阵列106将已经应用于天线元件112的相移递增(或修改)共同的相位偏移量并执行另一发射接收事件之外。这种相位偏移可以使相控天线阵列106的主瓣的峰值(或主瓣)旋转预定角度。天线测试控制系统104可以将应用于天线元件112的相移(或时间延迟)重复递增或修改相同(或另一)相位偏移值或(或偏移校准)，以进一步倾斜(或旋转)相控天线阵列106的辐射图案。例如，返回参考图1，偏移校准可以使相控天线阵列106的主瓣的峰值(或主瓣)与具有每个偏移校准的新位置点116对准。这种方法可以允许确定各种角度处的远场响应。对于每个接收RF信号(与对应的偏移校准相关联)，沿着与天线元件的经校准的相位相关联的取向角(相对于相控天线阵列106的辐射图案的主瓣的峰值)的相控天线阵列106的增益(或远场响应)可以被确定为
其中GA是沿着取向角的相控天线阵列的增益(或远场响应)，GR是沿着参考(或标准增益)天线的相同取向角的增益(或远场响应)，PA是相控天线阵列106的接收到的功率，并且PR是参考天线的接收到的功率。每个取向角的增益GR和功率以及PR对天线测试控制系统104可以是已知的(或可访问的)，并且可以基于例如对应的由相控天线阵列接收到的(或发射的)信号来针对每个相位校准(或相控天线阵列106的辐射图案的取向)计算相控天线阵列106的功率PA。因此，天线测试控制系统104通过应用相位偏移校准来对相控天线阵列106的辐射图案进行采样。
使用相控天线阵列106的辐射图案(或远场响应)的所测量的样本，天线测试控制系统104可以确定相控天线阵列106的一个或多个性能参数。例如，天线测试控制系统104可以使用如以上关于图3讨论的所测量的辐射图案(或其样本)来确定性能参数，包括相控天线阵列增益(例如，共极化增益和交叉极化增益)、共极化相控天线阵列方向性(例如，共极化方向性和交叉极化方向性)、相控天线阵波束宽度、辐射功率、交叉极化鉴别度、天线增益-对-噪声-温度、误差矢量量值、相邻信道功率比、脉冲质量、一个或多个旁瓣电平、信噪比(SNR)或其组合。通过应用相位偏移校准，天线测试控制系统104可以在不必扫描探测天线108附近任何地方的波束的情况下确定相控天线阵列106的远场响应。
参考图8，示出了根据此公开的发明构思的相控天线阵列测试系统800的框图。虽然常规测试系统通常采用被认为是复杂且昂贵的仪器的网络分析器，但系统800可以包括第一低噪声块(LNB)降频转换器802(例如，电路)以将从相控天线阵列804接收到的信号降频转换到中频。系统800可以包括第一DVB-T USB设备806和计算设备808。第一DVB-T USB设备806可以将第一(LNB)降频转换器802耦合到计算设备808。
计算设备808可以包括例如膝上型计算机、台式计算机、硬件服务器、平板电脑、移动设备或印刷电路板。计算设备808可以被配置(例如，通过可执行软件指令)为执行如由天线测试控制系统104执行的上述任务和过程，诸如控制和监视相控天线阵列的相位操纵、处理接收RF信号、确定相控天线阵列的性能参数或其组合。计算设备808可以通过第二DVB-TUSB设备810和第二低噪声块(LNB)降频转换频器812(例如，电路)而被通信地耦合到探测天线814。第二低噪声块(LNB)降频转换频器812可以将由探测天线814获得的接收信号降频转换到中频。
系统800可以包括信号发生器电路816，以用于产生例如基带发射RF信号。信号发生器电路816可以被通信地耦合到计算设备808，例如，以接收来自计算设备808的指令和/或将所生成的基带发射RF信号的副本提供给计算设备808。信号发生器电路(或设备)816可以通过增频转换器块(或电路)818而被通信地耦合到发射天线(相控天线阵列804或探测天线814。增频转换器块816可以将信号发生器电路816提供的信号增频转换到中(或高)频，并将经增频转换的信号提供给发射天线。
参考图9，示出了根据此公开的发明构思的另一相控天线阵列测试系统900的框图。系统900可以类似于系统800，除了系统800中的计算设备808被替换为通信地耦合相控天线阵列904的USB集线器902并且相控天线阵列包括被配置为执行由系统800中的计算设备808执行的任务或操作的处理器906之外。具体地，处理器906可以被配置(例如，通过可执行的软件指令)为执行如由天线测试控制系统104执行的上述任务和过程，诸如控制和监视相控天线阵列904的相位操纵、处理接收RF信号、确定相控天线阵列904的性能参数或其组合。
系统和方法的构建和布置在本文中被描述为说明性示例，而不应被解释为限制。尽管在此公开中已经详细描述了仅几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、取向)。例如，元件的位置可以颠倒或以其他方式改变，并且可以更改或改变离散元件或位置的性质或数量。因此，所有这样的修改旨在被包括在本文公开的发明构思的范围内。任何操作流程或操作方法的顺序或次序可以根据替代实施例来改变或重新排序。在不脱离本文公开的发明构思的广泛范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置方面做出其他替换、修改、改变和省略。

Claims (20)

1.一种对相控天线阵列进行测试的方法，所述方法包括：
将探测天线和包括多个天线元件的相控天线阵列定位在相对于彼此的相对位置处，所述相控天线阵列充当发射天线并且所述探测天线充当接收天线，或者所述探测天线充当发射天线并且所述相控天线阵列充当接收天线；
使所述发射天线顺序地辐射多个电磁波；
使所述相控天线阵列在所述多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作，所述对应的配置方案定义了在所述电磁波的发射期间活动的天线元件的相应集合、或者在所述电磁波的发射期间应用于所述多个天线元件的相应的相位编码方案；
由所述接收天线响应于每个辐射的电磁波而接收对应的接收射频(RF)信号；
针对所述多个天线元件中的每个天线元件，使用所述接收RF信号来确定对应的幅度和相位参数；以及
使用针对所述多个天线元件的所确定的幅度和相位参数来确定所述相控天线阵列的一个或多个性能参数。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
将所述探测天线定位在相对于所述相控天线阵列的近场位置处。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个性能参数包括以下中的至少一个：
共极化天线增益；
交叉极化天线增益；
共极化天线方向性；
交叉极化天线方向性；
天线波束宽度；
辐射功率；
交叉极化鉴别度；
天线增益-对-噪声-温度；
误差矢量量值；
相邻信道功率比；
脉冲质量；
一个或多个旁瓣电平；以及
信噪比(SNR)。
4.根据权利要求1所述的方法，包括：
使用针对所述多个天线元件中的每个天线元件的所确定的幅度和相位参数来确定所述相控天线阵列的远场响应。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述相控天线阵列根据对应的配置方案进行操作包括：
一次一个地激活所述多个天线元件，使得每个天线元件被激活以：
发射所述多个电磁波中的电磁波，并且所述探测天线响应于所述天线元件发射电磁波而接收所述对应的接收RF信号；或者
响应于所述探测天线发射所述多个电磁波中的电磁波而接收所述对应的接收RF信号。
6.根据权利要求5所述的方法，包括：
使用在所述天线元件的激活期间接收到的所述对应的接收RF信号，确定针对所述多个天线元件中的每个天线元件的所述对应的幅度和相位参数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述相控天线阵列根据对应的配置方案进行操作包括：
在所述多个电磁波中的每个电磁波的发射期间，根据相应的相位编码方案对所述多个天线元件进行相位操纵，每个相位编码方案定义了在所述多个电磁波中的对应的电磁波的发射期间应用于所述多个天线元件的对应的相移集合或对应的时间延迟集合。
8.根据权利要求7所述的方法，包括：
由根据所述对应的相移集合或所述对应的时间延迟集合而被相位操纵的所述多个天线元件发射所述多个电磁波中的每个电磁波，所述探测天线响应于由所述多个天线元件发射电磁波而接收所述对应的接收RF信号；或者
由所述探测天线发射所述多个电磁波中的每个电磁波，并且所述相控天线阵列响应于所述探测天线发射电磁波而接收所述对应的接收RF信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述相控天线阵列根据对应的配置方案进行操作包括：
在所述多个电磁波中的每个电磁波的发射期间，根据相应的相位编码方案对所述多个天线元件中活动的天线元件组进行相位操纵。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述多个电磁波的发射期间，通过使所述探测天线或所述相控天线阵列沿着预定路径移动来修改所述相对位置。
11.根据权利要求1所述的方法，包括：
定位具有不同极化的至少两个探测天线；或者
定位单个双极化的探测天线。
12.根据权利要求1所述的方法，包括：
将在不同中心频率下操作的多个探测天线定位在相对于所述相控天线阵列的各种位置处。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对所述多个天线元件应用预定的相位偏移；以及
以相对于所述接收天线的主瓣的角度偏移来接收一个或多个额外的接收信号。
14.一种对相控天线阵列进行测试的方法，所述方法包括：
将探测天线和包括多个天线元件的相控天线阵列定位在相对于彼此的相对位置处，所述相控天线阵列充当发射天线并且所述探测天线充当接收天线，或者所述探测天线充当发射天线并且所述相控天线阵列充当接收天线；
对所述多个天线元件中的每个天线元件应用对应的相移或对应的时间延迟，以补偿所述探测天线和所述多个天线元件中的每个之间的信号传播时间的差异；
使所述发射天线辐射电磁波；
由所述接收天线响应于辐射所述电磁波而对接收射频(RF)信号进行接收；以及
使用所述接收RF信号来确定所述相控天线阵列的一个或多个性能参数。
15.根据权利要求14所述的方法，包括：
将所述探测天线定位在相对于所述相控天线阵列的近场位置处。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个性能参数包括以下中的至少一个：
共极化天线增益；
交叉极化天线增益；
共极化天线方向性；
交叉极化天线方向性；
天线波束宽度；
辐射功率；
交叉极化鉴别度；
天线增益-对-噪声-温度；
误差矢量量值；
相邻信道功率比；
脉冲质量；
一个或多个旁瓣电平；以及
信噪比(SNR)。
17.根据权利要求14所述的方法，包括：
定位具有不同极化的至少两个探测天线；或者
定位单个双极化的探测天线。
18.根据权利要求14所述的方法，包括：
将在不同中心频率下操作的多个探测天线定位在相对于所述相控天线阵列的一或多个位置处。
19.一种用于对相控天线阵列进行测试的系统，所述系统包括：
信号发生器电路，其被通信地耦合到包括多个天线元件的相控天线阵列或被通信地耦合到被定位在相对于所述相控天线阵列的相对位置处的探测天线，以生成用于由所述相控天线阵列或所述探测天线发射的一个或多个发射射频(RF)信号，所述相控天线阵列充当发射天线并且所述探测天线充当接收天线，或者所述探测天线充当发射天线并且所述相控天线阵列充当接收天线；以及
处理器，其被通信地耦合到所述信号发生器电路、所述相控天线阵列和所述探测天线，所述处理器被配置为：
使所述发射天线顺序地辐射与所述一个或多个发射RF信号相关联的多个电磁波；
使所述相控天线阵列在所述多个电磁波中的每个电磁波的发射期间根据对应的配置方案进行操作，所述对应的配置方案定义了在所述电磁波的发射期间活动的天线元件的相应集合、或者在所述电磁波的发射期间应用于所述多个天线元件的相应的相位编码方案；
响应于每个辐射的电磁波，从所述接收天线获得对应的接收RF信号，所述接收RF信号由所述接收天线响应于所述辐射的电磁波而接收；
使用所述接收RF信号来确定针对所述多个天线元件中的每个天线元件的对应的幅度和相位参数；以及
使用针对所述多个天线元件的所确定的幅度和相位参数来确定所述相控天线阵列的一个或多个性能参数。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述处理器被嵌在所述相控天线阵列内。
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