CN112505434A - 一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，涉及雷达和天线测试技术领域，解决如何实现电大尺寸无源阵列天线波束扫描特性的快速、高效测试的问题；测试方法基于平面近场测试系统，将数字阵列雷达波束合成技术应用到无源阵列天线测试中，利用多通道开关和矢量网络分析仪替代数字阵列雷达的有源通道和数字接收机，利用平面近场扫描架、多通道开关、矢量网络分析仪协同控制一个探头，配以时序控制和采集，通过一次平面近场扫描获得各个天线单元近场幅度和相位数据，再通过数字波束合成方法计算扫描波束近场数据，通过近‑远场变换得到无源阵列天线波束扫描特性；一次平面近场扫描，可获得无源阵列天线不同工作频率下任一波束扫描特性，测试效率成倍提高。
Description
技术领域
本发明涉及雷达和天线测试技术领域，尤其涉及一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法。
背景技术
相控阵雷达广泛用于国防、航空、航天等各个领域，无源阵列天线作为相控阵雷达的一个重要单机，其性能评估，尤其是对波束扫描特性的测试和评估是一个难点。目前，主要通过以下三种方法来评估：方法一是通过仿真计算来评估无源阵列天线的波束扫描特性；方法二是加工1套小型天线子阵并配备有源通道，通过相控阵的方法实现波束扫描，再通过多次迭代的方式评估全阵天线扫描特性；方法三是定制功分网络和配相电缆来实现无源阵列天线波束扫描特性的测试，每测1个波束就需要按照一定的相位分布配置一组电缆，并进行1次平面近场扫描测试得到远场方向图，该方法对于单元数较少的一维波束扫描测试尚可，对于电大尺寸的无源阵列天线，单元数成百上千，要实现波束扫描特性的测试，特别是二维波束扫描，目前三种做法存在多个缺点：方法一是纯理论计算，与工程实施后的效果会存在偏差；方法二需要在天线正式投产之前，先研制一套小型的有源天线子阵，研制周期较长、成本较高；方法三需要根据不同的工作频率设计、定制多级功分网络和配相电缆，每测一个波束就需要更换一组配相电缆，并进一次平面近场扫描，耗时较长，测试效率较低，而且测试的波束有限。因此，如何实现电大尺寸无源阵列天线波束扫描特性的快速、高效测试成为待解决的关键技术问题。
现有技术中，申请号为201810424620.6、公开日期为2018年9月21日的中国发明专利申请《一种阵列天线测试系统及其测试方法》公开了一种阵列天线测试系统及其测试方法，包括矢量网络分析仪、上位机、测试用的探头阵列(2)、探头阵列的自动控制装置和一个用于设置被测阵列天线(3)的可升降平台(1)；探头阵列的自动控制装置通过接收上位机传送的被测阵列天线(3)的阵子排列坐标信号，使探头阵列(2)作为镜像阵列与被测阵列天线(3)对应；矢量网络分析仪产生射频信号并接入到被测阵列天线(3)，被测阵列天线(3)输出被测信号至探头阵列(2)，探头阵列(2)将被测信号回传给矢量网络分析仪进行分析。
上述文献通过一个可以与基站阵列天线单元位置镜像自适应的探头阵，实现多个天线单元同时快速校准和测试，适用于基站阵列天线近距离幅度相位校准测试及通信网络参数的测试，但是该文献的技术方案并未解决如何实现电大尺寸无源阵列天线波束扫描特性的快速、高效测试的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何实现电大尺寸无源阵列天线波束扫描特性的快速、高效测试。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，所述的测试方法基于平面近场测试系统，利用多通道开关和矢量网络分析仪替代数字阵列雷达的有源通道和数字接收机，利用平面近场扫描架、多通道开关、矢量网络分析仪协同控制一个探头，配以时序控制和采集，通过一次平面近场扫描获得各个天线单元近场幅度和相位数据，再通过数字波束合成方法计算扫描波束近场数据，通过近-远场变换得到无源阵列天线波束扫描特性。
该方法一次平面近场扫描，可获得无源阵列天线不同工作频率下任一波束扫描特性(特别是二维波束扫描)，测试效率成倍提高；采用多通道开关和等幅同相电缆，带宽大，可覆盖多个频段的无源阵列天线测试，通用性强；对于不同工作频率的无源阵列天线，无需定制功分网络和配相电缆，在相控阵天线有源组件投产之前，实现对无源阵列天线波束扫描特性的测试，缩短了研制周期，降低了研制风险和成本。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的平面近场测试系统包括主控计算机、扫描架、扫描架控制器、时序交互模块、多通道开关、矢量网络分析仪、测试探头、无源阵列天线；所述的主控计算机通过网线分别与时序交互模块、扫描架控制器、矢量网络分析仪连接；所述的测试探头安装于扫描架上，所述的扫描架控制器与扫描架连接；所述的无源阵列天线包括多个均匀分布的天线单元，每个所述的天线单元与多通道开关采用等幅同相的射频电缆依次相连；所述的多通道开关、测试探头采用射频电缆分别与矢量网络分析仪连接；所述的时序交互模块采用控制电缆与矢量网络分析仪双向连接，所述的时序交互模块通过控制电缆分别与扫描架控制器以及多通道开关连接。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的主控计算机通过网口向扫描架控制器发送控制指令实现探头移动，向矢量网络分析仪发送参数设置指令并从矢量网络分析仪实时读取采集数据，向时序交互模块发送测试指令；所述的扫描架控制器，用于接收主控计算机发送的位置指令，控制测试探头按照预设的采样位置连续移动，同时向时序交互模块发送位置达位信号；所述的时序交互模块用于接收主控计算机发送的测试指令，并根据扫描架及控制器发送的达位信号同步产生通道切换信号和采集触发信号，分别发送给多通道开关和矢量网络分析仪；所述的矢量网络分析仪用于接收主控计算机发送的参数设置指令，并根据时序交互模块发送的采集触发信号进行数据采集；所述的多通道开关用于接收时序交互模块发送的通道切换信号逐一打开相应通道；所述的测试探头，用于接收或发射射频信号。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的通过一次平面近场扫描获得各个天线单元近场幅度和相位数据的方法为：
S1、设置无源阵列天线的参数，无源阵列天线包括M*N均匀分布的天线单元，水平向单元间隔dx,垂直向单元间隔dy；
S2、主控计算机设置扫描参数，平面近场扫描面由Q*V个采样点组成矩形面，水平向采样间隔jx，垂直向采样间隔jy；
S3、主控计算机对矢量网络分析仪进行初始化，设置频率列表f1、f2、f3……fF-2、fF-1、fF，其中F为频率数；
S4、主控计算机对时序交互模块进行初始化，设置通道列表C1、C2、C3……CM*N-2、CM*N-1、CM*N，其中，M*N为通道数；
S5、主控计算机向扫描架控制器发送位置指令，移动扫描架，并将位置寄存器i＝0,通道寄存器j＝0；
S6、开启测试流程，进行一次平面近场扫描，从而获得不同工作频率下，所有M*N个天线单元独立工作时，在近场Q*V个采样点处的幅度和相位数据。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的测试流程包括以下步骤：
1)测试探头移动至第i个采样点,并向时序交互模块发送位置达位信号SSR；
2)时序交互模块收到位置达位信号，向多通道开关发送通道切换信号打开第j个通道后，向矢量网络分析仪发送采集触发信号Receive Trig；
3)矢量网络分析仪收到采集触发信号，将Ready电平拉高并进行频点f1-fF的数据采集；
4)数据采集完成后，矢量网络分析仪将Ready电平拉低，主控计算机读取矢量网络分析仪采集数据，并存储到计算机内存；
5)通道寄存器j＝j+1,判断j是否小于总的通道数M*N,如果小于总的通道数则重复步骤b-d，否则进入步骤6)，并将通道寄存器j＝0；
6)位置寄存器i＝i+1，判断i是否大于或等于总的采样点数Q*V，如果大于或等于总的采样点数，则完成所有测试，否则重复步骤1)至5)。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的数字波束合成方法为：取天线坐标系，工作频率为f、方位扫描角为az0、俯仰扫描角为el0，计算无源阵列天线各个单元在近场采样点的合成后的电场，合成平面近场数据后，再通过近-远场变换计算得到无源阵列天线波束扫描特性；所述的计算无源阵列天线各个单元在近场采样点的合成后的电场Eqv的公式为：
其中，m＝1、2、3……M，为天线单元在阵中的行编号，n＝1、2、3……N，为天线单元在阵中的列编号，q＝1、2、3……Q，为近场采样点水平位置编号，v＝1、2、3……V，为近场采样点垂直位置编号，Imn相位加权因子，amn为幅度加权因子，Xmn为第(m,n)个天线单元的水平位置坐标，Ymn为第(m,n)个天线单元的垂直位置坐标，emn为第(m,n)个天线单元在采样点(q,v)处获得的近场数据，cmn为多通道开关第(m,n)个通道的插损。
本发明的优点在于：
(1)该方法一次平面近场扫描，可获得无源阵列天线不同工作频率下任一波束扫描特性(特别是二维波束扫描)，测试效率成倍提高。
(2)该方法所用多通道开关和等幅同相电缆，带宽很大，可覆盖多个频段的无源阵列天线测试，通用性强。
(3)该方法在相控阵天线有源组件投产之前，可实现对无源阵列天线波束扫描特性的测试，缩短了研制周期，降低了研制风险和成本。
(4)该方法对于不同工作频率的无源阵列天线，无需定制功分网络和配相电缆，成本降低，效率提高。
附图说明
图1为本发明实施例的一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法采用的平面近场测试系统结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
本实施例针对现有测试技术的不足，提出了一种快速、高效的无源阵列天线波束扫描特性的测试方法。
本实施例的思想是利用多通道开关和矢量网络分析仪替代数字阵列雷达的有源通道和数字接收机，控制1个探头完成一次平面近场扫描，再配以时序控制和采集，经过波束合成算法实现无源阵列天线波束扫描特性的快速测试和评估。具体方法是基于平面近场测试系统，利用平面近场扫描架、多通道开关、矢量网络分析仪协同控制，通过一次平面近场扫描获得各个天线单元近场幅度、相位，再通过数字波束合成方法计算扫描波束近场数据，通过近-远场变换得到无源阵列天线波束扫描特性。
无源阵列天线波束扫描特性测试方法是基于平面近场测试系统来实现的，所述平面近场测试系统包括：主控计算机，扫描架及控制器，时序交互模块，多通道开关，矢量网络分析仪，测试探头。
主控计算机，通过网口向扫描架控制器发送控制指令实现探头移动，向矢量网络分析仪发送参数设置指令并从矢量网络分析仪实时读取采集数据，向时序交互模块发送测试指令。
扫描架及控制器，用于接收主控计算机发送的位置指令，控制测试探头按照预设的采样位置连续移动，同时向时序交互模块发送位置达位信号。
时序交互模块，用于接收主控计算机发送的测试指令，并根据扫描架及控制器发送的达位信号同步产生通道切换信号和采集触发信号，分别发送给多通道开关和矢量网络分析仪。
矢量网络分析仪，用于接收主控计算机发送的参数设置指令，并根据时序交互模块发送的采集触发信号进行数据采集。
多通道开关，用于接收时序交互模块发送的通道切换信号逐一打开相应通道。
测试探头，用于接收或发射射频信号。
无源阵列天线测试示意图如图1所示，以一个测试实例来描述该方法：
1、无源阵列天线由M*N均匀分布的天线单元组成，水平向单元间隔dx,垂直向单元间隔dy，每个天线单元与多通道开关用等幅同相的射频电缆依次相连。
2、主控计算机设置扫描参数，平面近场扫描面由Q*V个采样点组成矩形面，水平向采样间隔jx，垂直向采样间隔jy。
3、主控计算机对矢量网络分析仪进行初始化，设置频率列表f1、f2、f3……fF-2、fF-1、fF(F为频率数)；主控计算机对时序交互模块进行初始化，设置通道列表C1、C2、C3……CM*N-2、CM*N-1、CM*N(M*N为通道数)；主控计算机向扫描架控制器发送位置指令，移动扫描架。将位置寄存器i＝0,通道寄存器j＝0。
4、测试流程：
a)测试探头移动至第i个采样点，并向时序交互模块发送位置达位信号SSR；
b)时序交互模块收到位置达位信号，向多通道开关发送通道切换信号打开第j个通道后，向矢量网络分析仪发送采集触发信号Receive Trig；
c)矢量网络分析仪收到采集触发信号，将Ready电平拉高并进行频点f1-fF的数据采集；
d)数据采集完成后，矢量网络分析仪将Ready电平拉低，主控计算机读取矢量网络分析仪采集数据，并存储到计算机内存；
e)通道寄存器j＝j+1,判断j是否小于总的通道数M*N,如果小于总的通道数则重复步骤b-d，否则进入步骤f，并将通道寄存器j＝0；
f)位置寄存器i＝i+1，判断i是否大于或等于总的采样点数Q*V，如果大于或等于总的采样点数，则完成所有测试，否则重复步骤a-e。
5、以上步骤获得了不同工作频率下，所有M*N个天线单元独立工作时，在近场Q*V个采样点处的幅度和相位数据，下面介绍数据处理方法，获得无源阵列天线波束扫描特性。
6、取天线坐标系(Az-El)，工作频率f，方位扫描角az0，俯仰扫描角el0，计算无源阵列天线各个单元在近场采样点的合成后的电场为：
其中，m＝1、2、3……M，为天线单元在阵中的行编号，n＝1、2、3……N，为天线单元在阵中的列编号，q＝1、2、3……Q，为近场采样点水平位置编号，v＝1、2、3……V，为近场采样点垂直位置编号，
为相位加权因子，amn为幅度加权因子，Xmn为第(m,n)个天线单元的水平位置坐标，Ymn为第(m,n)个天线单元的垂直位置坐标，emn为第(m,n)个天线单元在采样点(q,v)处获得的近场数据，cmn为多通道开关第(m,n)个通道的插损。
7、合成平面近场数据后，再通过近-远场变换计算得到无源阵列天线波束扫描特性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，其特征在于，所述的测试方法基于平面近场测试系统，利用多通道开关和矢量网络分析仪替代数字阵列雷达的有源通道和数字接收机，利用平面近场扫描架、多通道开关、矢量网络分析仪协同控制一个探头，配以时序控制和采集，通过一次平面近场扫描获得各个天线单元近场幅度和相位数据，再通过数字波束合成方法计算扫描波束近场数据，通过近-远场变换得到无源阵列天线波束扫描特性。
2.根据权利要求1所述的一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，其特征在于，所述的平面近场测试系统包括主控计算机、扫描架、扫描架控制器、时序交互模块、多通道开关、矢量网络分析仪、测试探头、无源阵列天线；所述的主控计算机通过网线分别与时序交互模块、扫描架控制器、矢量网络分析仪连接；所述的测试探头安装于扫描架上，所述的扫描架控制器与扫描架连接；所述的无源阵列天线包括多个均匀分布的天线单元，每个所述的天线单元与多通道开关采用等幅同相的射频电缆依次相连；所述的多通道开关、测试探头采用射频电缆分别与矢量网络分析仪连接；所述的时序交互模块采用控制电缆与矢量网络分析仪双向连接，所述的时序交互模块通过控制电缆分别与扫描架控制器以及多通道开关连接。
3.根据权利要求2所述的一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，其特征在于，所述的主控计算机通过网口向扫描架控制器发送控制指令实现探头移动，向矢量网络分析仪发送参数设置指令并从矢量网络分析仪实时读取采集数据，向时序交互模块发送测试指令；所述的扫描架控制器，用于接收主控计算机发送的位置指令，控制测试探头按照预设的采样位置连续移动，同时向时序交互模块发送位置达位信号；所述的时序交互模块用于接收主控计算机发送的测试指令，并根据扫描架及控制器发送的达位信号同步产生通道切换信号和采集触发信号，分别发送给多通道开关和矢量网络分析仪；所述的矢量网络分析仪用于接收主控计算机发送的参数设置指令，并根据时序交互模块发送的采集触发信号进行数据采集；所述的多通道开关用于接收时序交互模块发送的通道切换信号逐一打开相应通道；所述的测试探头，用于接收或发射射频信号。
4.根据权利要求2所述的一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，其特征在于，所述的通过一次平面近场扫描获得各个天线单元近场幅度和相位数据的方法为：
S1、设置无源阵列天线的参数，无源阵列天线包括M*N均匀分布的天线单元，水平向单元间隔dx,垂直向单元间隔dy；
S2、主控计算机设置扫描参数，平面近场扫描面由Q*V个采样点组成矩形面，水平向采样间隔jx，垂直向采样间隔jy；
S3、主控计算机对矢量网络分析仪进行初始化，设置频率列表f1、f2、f3……fF-2、fF-1、fF，其中F为频数；
S4、主控计算机对时序交互模块进行初始化，设置通道列表C1、C2、C3……CM*N-2、CM*N-1、CM*N，其中，M*N为通道数；
S5、主控计算机向扫描架控制器发送位置指令，移动扫描架，并将位置寄存器i＝0,通道寄存器j＝0；
S6、开启测试流程，进行一次平面近场扫描，从而获得不同工作频率下，所有M*N个天线单元独立工作时，在近场Q*V个采样点处的幅度和相位数据。
5.根据权利要求4所述的一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，其特征在于，所述的测试流程包括以下步骤：
1)测试探头移动至第i个采样点,并向时序交互模块发送位置达位信号SSR；
2)时序交互模块收到位置达位信号，向多通道开关发送通道切换信号打开第j个通道后，向矢量网络分析仪发送采集触发信号Receive Trig；
3)矢量网络分析仪收到采集触发信号，将Ready电平拉高并进行频点f1-fF的数据采集；
4)数据采集完成后，矢量网络分析仪将Ready电平拉低，主控计算机读取矢量网络分析仪采集数据，并存储到计算机内存；
5)通道寄存器j＝j+1,判断j是否小于总的通道数M*N，如果小于总的通道数则重复步骤b-d，否则进入步骤6)，并将通道寄存器j＝0；
6)位置寄存器i＝i+1，判断i是否大于或等于总的采样点数Q*V，如果大于或等于总的采样点数，则完成所有测试，否则重复步骤1)至5)。
6.根据权利要求1所述的一种无源阵列天线波束扫描特性的测试方法，其特征在于，所述的数字波束合成方法为：取天线坐标系，工作频率为f、方位扫描角为az0、俯仰扫描角为el0，计算无源阵列天线各个单元在近场采样点的合成后的电场，合成平面近场数据后，再通过近-远场变换计算得到无源阵列天线波束扫描特性；所述的计算无源阵列天线各个单元在近场采样点的合成后的电场Eqv的公式为：
其中，m＝1、2、3……M，为天线单元在阵中的行编号，n＝1、2、3……N，为天线单元在阵中的列编号，q＝1、2、3……Q，为近场采样点水平位置编号，v＝1、2、3……V，为近场采样点垂直位置编号，Imn相位加权因子，amn为幅度加权因子，Xmn为第(m,n)个天线单元的水平位置坐标，Ymn为第(m,n)个天线单元的垂直位置坐标，emn为第(m,n)个天线单元在采样点(q,v)处获得的近场数据，cmn为多通道开关第(m,n)个通道的插损。
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