CN112505435B - 大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置和方法，该装置包括：微波暗室，用于提供内部无电磁信号反射，且不受外部电磁信号干扰的电磁波自由传播空间；转台，用于调整被测圆柱形相控阵天线的姿态，以测量被测圆柱形相控阵天线在不同方位上的辐射特性；信号发射模块，用于生成天线测试用的激励信号；控制单元，用于控制信号发射模块的激励信号以及转台的旋转角度，并对被测圆柱形相控阵天线在不同方位上的辐射特性进行采集和处理。本发明适用于大型圆柱形相控阵天线的测试，能够有效节约测试系统的建设成本，适应性强，测试结果更加准确。

Description

大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置和方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置和方法。

背景技术

相控阵天线具备天线波束形状捷变、空间功率合成、多波束形成等诸多优势，在各种电子信息设备中得到了越来越广泛的应用。从阵列形式上看，相控阵天线一般分为直线阵或平面阵，而圆柱形相控阵天线是由分布在共轴的多个相同圆周上的阵元所构成，圆柱形相控阵内在的圆周旋转对称性可以在大体上保持阵元间的互耦平衡，有利于工程研究的实现与应用。不同于直线阵和平面阵相控阵天线在扫描角度增大时，波束宽度和增益一般会出现下降的情况，圆柱形相控阵天线得益于自身结构特点，可在全方位波束扫描时实现波束形状和增益等性能基本不变，相比直线阵和平面阵具有更佳的电气性能，在特定的应用场合往往会得到更好的效果。在圆柱形相控阵天线工程应用时，需对其辐射特性进行准确全面的测试。

目前，对于尺寸较大的圆柱形相控阵天线特性测试主要依靠近场扫描测试系统或紧缩场测试系统进行。近场扫描测试系统利用一个属性已知的探头天线在待测的相控阵天线的某个已知表面上扫描来实施，该方法具有场地紧凑的优点，但是系统建设复杂、周期长，测量中需要进行远近场变换、数据量大、测量周期长等缺点。紧缩场测试系统借助反射镜、透镜、喇叭所产生的平整波前来仿真无限长度的场地，该方法具有测试精度高的优点，但是其系统建设复杂、建设周期长、费用高。

传统的远场测试方法需要测试距离满足远场条件，对于大型圆柱形相控阵天线而言，测试时需要建设尺寸相当大的微波暗室，如口径为2米的天线，在10GHz测试频点时需要约267米的测试距离，一般微波暗室难以满足测试距离的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置和方法。

第一方面，本发明提供一种大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，包括：微波暗室、转台、信号发射模块、控制单元，所述信号发射模块和所述转台均设置在所述微波暗室内，所述转台用以安装被测圆柱形相控阵天线，所述控制单元分别与所述信号发射模块、所述转台通信连接；其中：

所述微波暗室，用于提供内部无电磁信号反射，且不受外部电磁信号干扰的电磁波自由传播空间；

所述转台，用于调整所述被测圆柱形相控阵天线的姿态，以测量所述被测圆柱形相控阵天线在不同方位上的辐射特性；

所述信号发射模块，用于生成天线测试用的激励信号；

所述控制单元，用于控制所述信号发射模块的激励信号以及所述转台的旋转角度，并对所述被测圆柱形相控阵天线在不同方位上的辐射特性进行采集和处理。

可选地，所述微波暗室包括屏蔽层和吸波层，其中：

所述屏蔽层通过镀锌钢板进行无缝焊接，形成一个密闭壳体；

所述吸波层贴附在屏蔽层内侧，用于吸收入射到墙面、地面以及顶面的电磁信号。

可选地，所述转台包括：控制器、驱动器、码盘、机械台体，其中，所述机械台体的安装面直径不小于2000mm，所述回转轴垂直于地面；所述控制器根据所述控制单元发送的控制信号，操纵所述驱动器带动所述机械台体旋转至预设角度。

可选地，所述信号发射模块包括：标准信号源、射频电缆、功率放大器、发射天线以及支架；其中：

所述标准信号源采用德E8267D或同等性能信号源，用于根据测试需要的频率、功率产生标准射频信号；

所述射频电缆采用同轴稳相电缆，用于将标准信号源产生的信号传输到位于支架顶端的功率放大器的输入端；

所述功率放大器用于对接收到的信号功率进行放大后通过发射天线辐射至自由空间。

可选地，所述控制单元包括：控制计算机、以太网交换机，其中：

所述控制计算机，用于控制所述转台和所述信号发射模块的参数设置、运行控制，采集所述被测圆柱形相控阵天线的接收幅度、转台姿态角信息，以及完成天线方向图测试结果的自动化处理；

所述以太网交换机分别与所述转台和所述信号发射模块通信连接，用于传输所述控制计算机下发的控制指令，以及回传的采集数据。

可选地，还包括：单元接口，所述单元接口包括：

千兆以太网接口，用于连接所述信号发射模块和所述转台；

信号发射模块接口，用于实现标准信号源、功率放大器和发射天线的内部连接；

转台接口，用于实现转台中控制器和驱动器的连接。

第二方面，本发明提供一种大型圆柱形相控阵天线等效远场测试方法，应用于第一方面中任一项所述的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，所述方法包括：

步骤1：将被测圆柱形相控阵天线安装在转台上，并对所述被测圆柱形相控阵天线各个阵元的相位进行校准；

步骤2：确定信号发射模块与所述被测圆柱形相控阵天线的空间几何关系，并通过调整转台改变所述被测圆柱形相控阵天线的姿态，执行对不同方位上的辐射特性的采集和处理。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置和方法，适用于大型圆柱形相控阵天线的测试，利用圆柱形相控阵天线自身的工作原理，在其不满足远场条件的情况下，构建等效平面波测试场，实现了在较低成本下开展大型圆柱形相控阵天线特性的测试，能够有效节约测试系统的建设成本，适应性强，测试结果更加准确。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的转台的机械台体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的功率放大器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的发射天线的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的大型圆柱形相控阵天线测试空间示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置的结构示意图，如图1所示，包括：微波暗室、转台、信号发射模块、控制单元等四个部分构成。微波暗室主要用于提供一个无内部电磁信号反射、无外部电磁信号干扰的电磁波自由传播空间，为圆柱形相控阵天线测试提供一个良好的测试环境；转台主要用于调整圆柱形相控阵天线的姿态，以测量天线在不同方位上的辐射特性；信号发射模块主要由标准信号源、射频电缆、功率放大器、发射天线、支架等部分组成，主要用于产生天线测试用的激励信号；控制单元主要由控制计算机、以太网交换机等部分组成，主要用于控制转台姿态、信号发射频率、信号发射功率等参数，并进行数据采集与处理。

本实施例中，微波暗室用于为圆柱形相控阵天线测试提供一个良好的测试环境，微波暗室由屏蔽层和吸波层两个部分组成，屏蔽层通过镀锌钢板进行无缝焊接，形成一个密闭壳体，一方面阻止暗室外部的各类电磁信号进入暗室内部，另一方面也阻止测试信号向外泄露；吸波层主要由贴附在屏蔽层上的吸波材料构成，吸波层用于吸收入射到墙面、地面以及房顶的电磁信号，以防影响方向图的测试精度。

本实施例中，转台包括控制器、驱动器、码盘、机械台体，机械台体安装面直径不小于2000mm，回转轴垂直于地面。如图1、图2所示，转台主要用于承载被测圆柱形相控阵天线，并在测试过程中调整被测天线的姿态，以便获取圆柱形相控阵天线在不同方位向的空间辐射特性。

结合3、图4所示，本实施例中，信号发射模块由标准信号源、射频电缆、功率放大器、发射天线、支架组成，用于产生天线测试用的激励信号；其中，标准信号源采用是德E8267D或同等性能信号源，用于根据测试需要的频率、功率产生标准射频信号；射频电缆采用同轴稳相电缆，用于将标准信号源产生的信号传输到位于支架顶端的功率放大器输入端，功率放大器用于对信号功率进行放大后通过发射天线辐射出去。

本实施例中，控制单元由工业控制计算机、以太网交换机组成，其中工业控制计算机采用的中央处理器配置大于Intel酷睿i7，用于控制转台和信号发射模块的参数设置、运行控制，另外还需具备采集天线接收幅度、转台姿态角的信息，并完成天线方向图等测试结果的自动化处理；以太网交换机通过连接转台控制器、信号发射模块中的仪器，用于传输各类控制和数据采集指令和数据。

示例性的，上述装置还包括单元接口，该单元接口包括单元之间接口和单元内部接口；单元之间接口包括：控制单元、信号发射模块和转台之间通过千兆以太网接口连接；单元内部接口包括：

信号发射模块接口，包括标准信号源、功率放大器和发射天线之间采用标准SMA接口进行连接。

转台接口，包括控制器与驱动器之间采用标准232串口通信。

本发明实施例还提供了一种大型圆柱形相控阵天线等效远场测试方法，圆柱形相控阵天线工作，是利用数字程控衰减器调整阵元的辐射功率，并利用数字程控移相器调整各个阵元的相位以进行天线波束指向的调整；天线远场测试是从源天线按球面波前到达待测天线边缘与待测天线中心的波程差为波长的十六分之一，称之为天线远场测试；其步骤如下：

步骤1：使用前，需要对各个阵元的相位进行校准，确保各个阵元的相位有同一个基准；由于近场效应引起的阵元间的相位差，通过空间几何关系进行确定。

步骤2：测试时，测试装置发射天线与圆柱形相控阵天线的空间几何关系。

步骤2.1：如图5所示，测试装置的发射天线与圆柱相控阵天线中线位于同一个水平面上，R1阵元位于阵面中心，与测试装置发射天线的间距为L1；Rn为阵面上第n个阵元，与测试装置发射天线的间距为Ln；则两者之间由于距离差产生的相位差为：

式中，λ为测信号波长；d_n为Rn阵元与R1阵元之间的高度差；θ_n为Rn阵元与R1阵元之间的方位夹角；r为圆柱相控阵天线的半径。

步骤2.1：当满足远场条件、以平面波照射时，由于阵面为圆柱，R1阵元和Rn阵元之间自身会产生距离差，从而会产生天线自身的相位差，该相位差为天线固有相位差；假设Rn与中心线的方位夹角为θ_n，圆柱的半径为r，则得到天线固有相位差为：

式中，λ为测试信号波长；r为圆柱相控阵天线的半径；因此，得到不同阵元的修正相位差为：

步骤2.3：将各个阵元的位置代入上述式中，计算得到各个阵元的相位修正量，并根据修正量数据建立圆柱形相控阵天线等效远场相位校准修正关系，用于实时修正；并加载至圆柱形相控阵天线的控制单元，对各个阵元的相位进行预失真调制，从而完成等效远场的模拟，对该方位的天线辐射特性进行测量。

步骤2.4：通过调整转台改变被测天线的姿态，重复上述步骤，直至得到不同方位的天线辐射特性。

具体地，计算各个阵元的相位修正量并建立修正表格用于实时修正，如表l所示。

表1

按照表1中的数据制作相位校准表，并加载至圆柱形相控阵天线的控制单元，对各个阵元的相位进行预失真调制，从而完成等效远场的模拟，对该方位的天线辐射特性进行测量。通过调整转台改变被测天线的姿态，重复上述步骤，直至得到不同方位的天线辐射特性。

本实施例中，根据圆柱形相控阵天线工作原理，通过优化测试方法，在无需新建专用的近场扫描或紧缩场测量设施的情况下，可以在有限测试距离的微波暗室条件下，通过构建等效平面波测试场，实现了一种新的大型圆柱形相控阵天线测试方法。即本发明通过控制阵列天线中阵元的馈电相位来改变方向图形状的天线，突破了大型圆柱形相控阵天线局限于传统的紧缩场或近场扫描测试方法，利用对圆柱形相控阵天线各阵元的幅相一致性进行预失真调制，在测试距离有限的微波暗室内构建等效远场平面波测试条件，实现大型圆柱形相控阵天线方向图、增益等特性参数的测试，本发明中提供的测试方法能够有效节约测试条件及系统的建设成本；其搭建开发周期短，成本较低。需要强调的是，本发明亦可以推广应用于其他类似相控阵天线测试中。

需要说明的是，本发明提供的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试方法中的步骤，可以利用大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置中对应的模块、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，其特征在于，包括：微波暗室、转台、信号发射模块、控制单元，所述信号发射模块和所述转台均设置在所述微波暗室内，所述转台用以安装被测圆柱形相控阵天线，所述控制单元分别与所述信号发射模块、所述转台通信连接；其中：

所述微波暗室，用于提供内部无电磁信号反射，且不受外部电磁信号干扰的电磁波自由传播空间；

所述转台，用于调整所述被测圆柱形相控阵天线的姿态，以测量所述被测圆柱形相控阵天线在不同方位上的辐射特性；

所述信号发射模块，用于生成天线测试用的激励信号；

所述控制单元，用于控制所述信号发射模块的激励信号以及所述转台的旋转角度，并对所述被测圆柱形相控阵天线在不同方位上的辐射特性进行采集和处理；其中，所述控制单元包括：控制计算机、以太网交换机，所述控制计算机，用于控制所述转台和所述信号发射模块的参数设置、运行控制，采集所述被测圆柱形相控阵天线的接收幅度、转台姿态角信息，以及完成天线方向图测试结果的自动化处理；所述以太网交换机分别与所述转台和所述信号发射模块通信连接，用于传输所述控制计算机下发的控制指令，以及回传的采集数据；其中，对所述被测圆柱形相控阵天线在不同方位上的辐射特性进行采集和处理，包括：

确定圆柱形相控阵天线各个阵元的修正相位差，计算公式如下：

式中：

为修正相位差，

为测试装置发射天线和圆柱相控阵天线之间的相位差，

为天线固有相位差；

根据修正相位差建立圆柱形相控阵天线等效远场相位校准修正关系，用于对圆柱形相控天线各个阵元的相位进行实时修正；

对圆柱形相控天线各个阵元的相位进行预失真调制，以完成等效远场的模拟；

对相应方位的天线辐射特性进行测量；

调整转台改变被测圆柱形相控阵天线的姿态，直到得到不同方位的天线辐射特性。

2.根据权利要求1所述的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，其特征在于，所述微波暗室包括屏蔽层和吸波层，其中：

所述屏蔽层通过镀锌钢板进行无缝焊接，形成一个密闭壳体；

所述吸波层贴附在屏蔽层内侧，用于吸收入射到墙面、地面以及项面的电磁信号。

3.根据权利要求1所述的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，其特征在于，所述转台包括：控制器、驱动器、码盘、机械台体，其中，所述机械台体的安装面直径不小于2000mm，回转轴垂直于地面；所述控制器根据所述控制单元发送的控制信号，操纵所述驱动器带动所述机械台体旋转至预设角度。

4.根据权利要求1所述的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，其特征在于，所述信号发射模块包括：标准信号源、射频电缆、功率放大器、发射天线以及支架；其中：

所述标准信号源采用德E8267D或同等性能信号源，用于根据测试需要的频率、功率产生标准射频信号；

所述射频电缆采用同轴稳相电缆，用于将标准信号源产生的信号传输到位于支架顶端的功率放大器的输入端；

所述功率放大器用于对接收到的信号功率进行放大后通过发射天线辐射至自由空间。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，其特征在于，还包括：单元接口，所述单元接口包括：

千兆以太网接口，用于连接所述信号发射模块和所述转台；

信号发射模块接口，用于实现标准信号源、功率放大器和发射天线的内部连接；

转台接口，用于实现转台中控制器和驱动器的连接。

6.一种大型圆柱形相控阵天线等效远场测试方法，其特征在于，应用于权利要求1-5中任一项所述的大型圆柱形相控阵天线等效远场测试装置，所述方法包括：

步骤1：将被测圆柱形相控阵天线安装在转台上，并对所述被测圆柱形相控阵天线各个阵元的相位进行校准；

步骤2：确定信号发射模块与所述被测圆柱形相控阵天线的空间几何关系，并通过调整转台改变所述被测圆柱形相控阵天线的姿态，执行对不同方位上的辐射特性的采集和处理。

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