CN111510231A - 一种有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法,通过打开和关闭发射信号源,得到有源阵列天线系统接收到的输出信号So和噪声No,然后在天线相同位置架设增益为Gh的标准增益喇叭,在发射信号源功率相同的情况下,测试喇叭接收到的信号Ph作为标定信号,通过计算得到有源阵列天线接收增益噪声温度比。本发明采用将有源阵列天线系统中的天线阵面、接收通道和波束合成作为整体考虑,降低了理论分析复杂度。对于有源阵列天线,只需要测试波束合成后输出的信号及空间噪声,测试方法简便。采用标准增益喇叭对信号源输出进行标定,消除信号源频响及微波信号空间传输误差的影响,保证测试结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,涉及一种有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法,主要应用于接收增益不能单独测试的有源阵列天线系统,也可适用于对两维有源阵列天线系统DBF接收增益噪声温度比的验证测试。
背景技术
有源阵列天线系统是相对于传统无源天线系统来说的,是指由有源电路(主要是T/R组件)与天线阵列中的每一个辐射单元或子阵通道直接连接而组成的接收或者发射电磁波的系统。有源阵列天线改变了无源天线采用集中式发射机的结构特点,通常有源阵列天线是由分布式的T/R组件组成,能形成单个或多个波束,并可控制波束指向,以实现大角度灵活扫描,具有系统频率响应灵敏度高,射频损耗小,系统响应速度快,可以实现大的等效辐射功率(EIRP),便于实现数字波束形成及多个接收波束的自适应控制,能实现更低的天线副瓣,至今作为雷达天线系统大量使用。
有源阵列天线采用分布式有源器件,包含发射和接收通道。对于接收状态,天线辐射单元接收到的微波信号,经过LNA、滤波、混频和下变频,将信号由射频降到中频,通过I/Q两路输出,此时就可以采用数字波束形成(DBF)技术,将天线技术与数字信号处理技术集成的有源天线阵列系统称为数字波束形成阵列。采用数字波束形成技术具有很多优点,可同时形成多个独立可控的波束,波束特性灵活可变,具有较好的低副瓣能力。采用数字波束形成技术的有源阵列天线系统除了具有传统无源天线所没有的优点,能够使雷达系统的性能大幅提升。同时根据有源天线特点,具有不同与无源天线的技术指标要求,相应的分析测试方法也要改变。在雷达方程中,天线系统增益是一个重要参数,同时也对雷达探测距离起决定性作用,因此天线增益较准确的分析测试就显得尤为重要。对于传统无源天线系统,天线相对于雷达其它分系统可以完全独立,天线增益的测试也就可以单独完成,但是对于有源阵列天线系统,接收信号合成是通过数字波束合成技术实现的,天线增益的测试需要和收发、信处、电源等其它分系统合作完成,此时天线增益就不是传统意义上的只有天线系统增益,而是还包括其它分系统对增益有影响的因素,因此对于有源数字波束形成阵列天线增益已经不能作为一个单独技术指标,也不能完全说明天线系统性能,提出了接收增益噪声温度比这一技术指标。
有源数字波束形成阵列天线接收增益噪声温度比由天线增益、有源接收通道性能、数字信号处理能力等因素决定,因此也就能对有源阵列天线系统性能进行验证。由于影响接收增益噪声温度比的因素很多,推导过程比较复杂,因此给出接收增益噪声温度比的测试方法,并且得到能够满足工程使用的测试结果就是有源阵列天线系统设计的重要内容。本发明给出了有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法,可以实现对有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试,完成对有源阵列天线性能指标的验证,指导天线系统工程设计。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有技术之不足,提出一种在远场测试条件下有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法,该测试方法将无源辐射单元、有源收发通道和数字波束合成处理作为一个整体考虑,只需要考虑数字波束合成处理后的信号和噪声,而不用关注系统各部分之间的相互关系,使得测试方法简单,测试设备量少,可以在工程实践中被大量推广应用。
技术方案
一种有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:首先用射频电缆1连接信号源和频谱仪,测试得到信号源输出射频信号P1,然后用射频电缆1和射频电缆2连接信号源和频谱仪,测试得到信号源输出射频信号P2,则射频电缆2的损耗为L=P1-P2;
步骤2:远场测试有源阵列天线接收到的信号和噪声:首先打开发射塔上的信号源射频开关,得到有源阵列天线输出信号So,然后关闭信号源射频开关,得到有源阵列天线输出噪声No;
步骤3:在有源阵列天线同一位置放置增益为Gh的接收喇叭,接收喇叭后面接频谱仪,使用射频电缆2连接标准增益喇叭和频谱仪,打开信号源射频开关,得到标准增益喇叭接收到的射频信号Ph;
步骤4:通过下式计算有源阵列天线接收增益噪声温度比:
其中,K为波尔兹曼常数,B为接收机带宽。
有益效果
本发明提出的一种有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法,有益效果如下:
1、将有源阵列天线系统中的天线阵面、接收通道和波束合成作为整体考虑,只需要关注输入、输出的信号和噪声,简化了测试思路。
2、从接收天线增益噪声温度比的计算公式可以看出,测试方法简单,只需要得到有源阵列天线输出的信号和噪声,及标准增益喇叭接收到的标定信号就可以得到有源阵列天线的增益噪声温度比有测试结果。
附图说明
图1表示本发明的测试原理框图
图2表示本发明实施例测试连接喇叭和频谱仪的测试电缆损耗示意图
图3表示本发明实施例测试有源阵列天线接收到的信号和噪声示意图
图4表示本发明实施例测试标准增益喇叭接收到信号示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
对于采用数字波束合成技术的有源阵列天线系统,各有源通道采集到的射频信号经过处理下变频为中频信号,通过加权合成接收波束。在测试过程中,通过打开和关闭发射信号源,得到有源阵列天线系统接收到的输出信号So和噪声No,然后在天线相同位置架设增益为Gh的标准增益喇叭,在发射信号源功率相同的情况下,测试喇叭接收到的信号Ph作为标定信号,通过计算得到有源阵列天线接收增益噪声温度比。有源阵列天线系统接收增益噪声温度比测试需要的仪器设备包括:信号源、标准增益喇叭、频谱仪、射频电缆。测试环境要求满足天线远场测试条件,测试距离R要求大于2D2/λ,其中D为天线最大尺寸,λ为自由空间波长。
本发明的信号源作为有源阵列天线系统接收波束测试时的射频信号输出使用,在需要测试天线系统输出信号So和标准增益喇叭接收信号Ph时打开功率输出,在测试天线系统输出噪声时关闭功率输出。信号源要求能够工作在有源阵列天线的工作频段,并且功率输出稳定。
本发明的标准增益喇叭需要两个,一个与信号源架设在发射塔上,连接信号源功率输出端口,作用是将信号源输出的射频信号向空间辐射;另一个与天线系统架设在一起,与频谱仪连接,用来接收在天线位置处信号源发射出的射频信号。
本发明的频谱仪与架设在天线处的标准增益喇叭连接,用来测试喇叭接收到的信号源发出的射频信号的大小Ph,作为测试有源阵列天线系统接收增益噪声温度比的标定信号。频谱仪要求能够工作在有源阵列天线的工作频段,并且工作正常。
本发明的射频电缆用来连接信号源和标准增益喇叭、标准增益喇叭和频谱仪,作为射频信号传输使用。电缆损耗L要求小,无破损,接头连接牢固。
如图1所示本发明的原理框图中,Si和Ni是当发射塔上的信号源打开和关闭时有源阵列天线输入的信号和噪声,So和No是经过有源阵列天线后输出的信号和噪声。假设有源阵列天线系统增益为Ga,输入噪声用天线系统的噪声温度Ta来表示为Ni=kTaB,其中k为波尔兹曼常数(k=1.38×10-23J/K),B为接收机带宽,则输出的信号和噪声为So=SiGa和No=NiGa=kTaBGa,因此可得:
当发射信号源功率为Pt,发射喇叭增益为Gth,有源天线增益为Ga,测试距离为R,波长为λ时,由传输方程得,测试天线输入信号Si为:
在测试天线同一位置(或附近)放置增益为Gh的接收喇叭,喇叭后面接频谱仪,测试值为Ph,喇叭和频谱仪之间的连接电缆损耗为L,则喇叭接收功率为:
上两式相比,则得到:
将上式代入式(1)中得到有源阵列天线系统接收增益噪声温度比为:
图2表示本发明实施例测试连接喇叭和频谱仪的测试电缆损耗示意图,首先用射频电缆1连接信号源和频谱仪,测试得到信号源输出射频信号P1,然后用射频电缆1和射频电缆2连接信号源和频谱仪,测试得到信号源输出射频信号P2,则射频电缆2的损耗为L=P1-P2。
如图3所示为测试有源阵列天线接收到的信号和噪声示意图,首先打开信号源射频开关,得到有源阵列天线输出信号So,然后关闭信号源射频开关,得到有源阵列天线输出噪声No。
如图4所示用射频电缆2连接标准增益喇叭和频谱仪,打开信号源射频开关,得到标准增益喇叭接收到的射频信号Ph。
通过公式(2)计算得到有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试结果。
本发明的实施例为工作在X波段的有源阵列天线,方位面单元数为128,每个单元后面连接有源收发组件,通过DBF实现接收波束合成。测试得到有源阵列天线接收到的信号和噪声分别为90.7dBm和30.3dBm,标准增益喇叭增益为20dB,接收到的信号源输出的信号为-77.1dBm,射频电缆损耗为2.9dB,接收机带宽为20MHz,则有源阵列天线接收增益噪声温度比为18.94dB/K。
从测试结果可以看出,通过对有源阵列天线接收信号和噪声及标准增益喇叭接收到信号的测试,可以得到有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试结果,完成对有源阵列天线性能指标的验证,指导天线系统工程设计。
Claims (1)
1.一种有源阵列天线接收增益噪声温度比的测试方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:首先用射频电缆1连接信号源和频谱仪,测试得到信号源输出射频信号P1,然后用射频电缆1和射频电缆2连接信号源和频谱仪,测试得到信号源输出射频信号P2,则射频电缆2的损耗为L=P1-P2;
步骤2:远场测试有源阵列天线接收到的信号和噪声:首先打开发射塔上的信号源射频开关,得到有源阵列天线输出信号So,然后关闭信号源射频开关,得到有源阵列天线输出噪声No;
步骤3:在有源阵列天线同一位置放置增益为Gh的接收喇叭,接收喇叭后面接频谱仪,使用射频电缆2连接标准增益喇叭和频谱仪,打开信号源射频开关,得到标准增益喇叭接收到的射频信号Ph;
步骤4:通过下式计算有源阵列天线接收增益噪声温度比:
其中,K为波尔兹曼常数,B为接收机带宽。
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