CN112688742A - 一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波暗室天线测试技术领域，公开了一种高精度宽频段圆极化天线的测试系统及方法，该方法采用的测试系统，包括：天线架、天线阵、升降梯，所述的天线架是一个以远场测试距离为半径的圆弧天线架，天线架上设置有等间距安装窄频率段圆极化天线，天线架设置在升降梯的顶端；所述圆弧天线架以远场测试距离半径的一段圆弧形架子作为天线架的前骨架，前骨架与平直的后骨架中间设置有固定横条来加固天线架，天线架的中心处为主支撑点固定在升降梯上。本发明能够方便、快捷、准确、高效进行测试。克服了在微波暗室天线测试中天线数目多、起落升降次数多的缺陷，极大缩短了时间，简化了操作，提高了宽频段圆极化天线远场测试系统的测试效率。

Description

一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统及方法

技术领域

本发明涉及微波暗室的天线测试技术领域，尤其涉及一种高精度宽频段圆极化天线的测试系统及方法，能够方便、快捷、准确、高效进行测试。

背景技术

天线的高精度测试需要在微波暗室内进行，微波暗室是一个能够屏蔽外界电磁干扰、抑制内部电磁多路径反射、对电磁波几乎全部吸收的电磁测量环境。依据《GJB3071-97雷达天线分系统性能测试方法》，远场测试的测试距离按照(1)，(2)计算：

R≥2(D+d)²/λ (1)

在d<<D时，R≥2D²/λ (2)

式中：D为被测天线口径(等效口径)最大尺寸，m；d为源天线口径(等效口径)尺寸，m；λ为最短工作波长，m；R为源天线和被测天线几何中心之间的距离，m。

所谓极化，是指在波的传播方向垂直平面内，电场矢量变化一周期矢端所描述的轨迹，如果矢端所描述的轨迹是直线，则称为线极化；如果矢端所描述的轨迹是圆，则称为圆极化；如果矢端所描述的轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。

椭圆极化轴比定义为长轴与短轴之比，用r表示，则用分贝表示的轴比AR为：

AR＝20log(R) (3)

圆极化和线极化是椭圆极化的两种特殊情况，即当r＝1或AR＝0dB时为圆极化；当r＝∞或AR＝∞时，为线极化。任意圆极化可以分解为线极化波或圆极化波所组成，因此椭圆计划天线增益可表示为：

G＝10log(G_a+G_b) (4)

式中，G_a和G_b分别表示正交极化分量的部分增益。对线极化分解法，G_a和G_b分别表示长轴部分增益和短轴部分增益；对圆极化分解法，G_a和G_b分别表示振幅较大圆极化部分增益和振幅较小部分增益。

圆极化天线的高精度测试需要轴比好的圆极化源天线，只有把圆极化天线的频段做的足够窄，轴比才会足够好，轴比r才能无限的接近于1，因此宽频段圆极化天线的高精度测试往往需要数目比较多的窄频段圆极化源天线。通常，在微波暗室内架设的远场测试系统如图1所示，在一维方向转台上架设标准增益天线或被测试宽频段天线，在升降梯上架设窄频段天线。为满足远场测试条件，需要满足远场距离、等高架设、极化一致等测试要求，架设完毕后，需进行方向光学对准，然后进行测试。本发明中使用例子：一个频率为(2-12)GHz宽带圆极化天线，测试需要14个窄频段圆极化源天线，其中包括7个左旋圆极化天线，7个右旋圆极化天线。在测试过程，每测试完一组数据要更换另一个窄频段圆极化源天线，就需要降下升降梯，拆装替换另一个窄频段天线，然后升起升降梯，再次进行天线对准，然后进行测试，原测试条件与方法存在的主要问题：一是需要配合的人力多，需要多人配合进行升降梯的升降，天线的拆卸与安装；二是花费的时间长，升降及拆装天线需要花费大量时间，效率低下。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种基于微波暗室的高精度宽频段圆极化天线远场测试系统与方法，可以更加方便、快捷、准确、高效的对宽频段天线进行测试，极大缩短了测试时间，可以将升降次数有原来的14次(使用上例中数据)变为现在的1次，节约升降安装时间超过90％，一次安装完毕所有测试天线，架设完毕后，不用重复起落升降架，只需软件操作即可实现天线的选通，减少了操作人员，提高了自动化水平及测试效率。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统，包括：天线架、天线阵、升降梯，所述的天线架是一个以远场测试距离为半径的圆弧天线架，天线架上设置有等间距安装窄频率段圆极化天线，天线架设置在升降梯的顶端；所述圆弧天线架以远场测试距离半径的一段圆弧形架子作为天线架的前骨架，前骨架与平直的后骨架中间设置有固定横条来加固天线架，天线架的中心处为主支撑点固定在升降梯上；

所述前骨架以主支撑点为中点，两边对称设置不同极化的天线，包括左旋圆极化天线组、右旋圆极化天线组；所述左旋圆极化天线组由左旋圆极化天线1至左旋圆极化天线7组成，右旋圆极化天线由右旋圆极化天线1'至右旋圆极化天线7'组成，每个左旋圆极化天线和右旋圆极化天线通过天线固定点固定在前骨架圆弧上；

所述左旋圆极化天线组、右旋圆极化天线组的每个天线按低频段天线比较大，高频段天线比较小，及重心平衡的技术，从中间到两边依次是从低频到高频天线的次序设置。

所述左旋圆极化天线组、右旋圆极化天线组与天线阵电路相连，天线阵电路由射频切换开关矩阵、功放、信号源组成。

一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统，所述射频切换开关矩阵，包括三选一射频开关SP3T、五选一射频开关SP5T，所述三选一射频开关SP3T的三个输出端分别通过射频线缆与五选一射频开关SP5T相连，每个五选一射频开关SP5T的五个输出端分别通过射频线缆与对应的负载——天线相连；三选一射频开关SP3T的输入端通过射频线缆与功放电路相连；三选一射频开关SP3T放置天线架中心处，每个五选一射频开关SP5T放置在3个等分区域的中心位置；所述射频选择开关矩阵为工控机控制，工控机上继电器板为RS485通信接口，用于操作实现对不同频率和极化窄频率天线的选择。

一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统的测试方法：采用比较法测量天线的增益，其步骤如下：

1)准备，首先要将窄频段源天线全部安装在升降梯的天线架上，然后升起升降梯，在一维转台上设置好标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线，且通过光学对准后能够实现标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线与窄频段圆极化源天线的轴心在一条水平线上；

2)在测试中，在升降梯升起后，要保证安装的源天线轴线能够保持水平发射信号，与标准天线或者被测试天线的轴线在同一平面内，且方向指向一维转台的标准增益天线/被测宽带天线中心；

开关矩阵要按要求逐一选通源天线，信号源发出的信号通过功放放大后传输给被选择的源天线，接收端为标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线，接收端天线接收到的信号通过低噪放和频谱仪，接收端的频率与发射端频率一致，通过转台旋转一周扫描可以得到测试端的天线方向图，功率最大值点数据为被测天线测试值A₂，或标准天线测试值A₁,，

当标准增益天线为线极化天线，则需要增益合成值，设标准增益天线的增益为G₀，根据公式(5)，即能够算出所被测天线在该频率的增益值：

G＝G₀+[A₂-A₁] (5)。

采用所述的技术方案，本发明具有如下的优越性：

一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统，克服了在微波暗室天线测试中，圆极化源天线数目多，需要多次起落升降梯及更换源天线，需要多人操作的弊端，一次安装完毕所有测试天线，架设完毕后，不用重复起落升降架，只需软件操作即可实现窄频段圆极化源天线的选通，极大缩短了时间，简化了操作，提高了系统的自动化程度，极大提高了宽频段圆极化天线远场测试系统的测试效率。

附图说明

图1为原微波暗室天线测试系统示意图

图2为天线架设计方案图

图3为天线射频开关矩阵设计图

图4为本发明在微波暗室应用的测试原理图。

具体实施方式

如图2、3、4所示，一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统，所述的升降梯上的天线架，是一个以远场测试距离为半径的圆弧天线架，天线架上可以等间距安装窄频率段圆极化天线，天线架能够安装在升降梯的顶端，在升降梯升起后，要保证安装的源天线轴线能够保持水平发射信号，与标准天线或者被测试天线的轴线在同一平面内，且方向指向一维转台的标准增益天线/被测宽带天线中心。如图2所示，设计以半径为30米的一段圆弧形架子作为天线架的前骨架8，长度如图2所示的平直的后骨架11，中间加装固定横条10来加固天线架，以整个架子的中心处为主支撑点固定在升降梯上，天线组13安装要以主支撑点12为中点两边对称安装，两边分别安装不同极化的天线，天线1至天线7为左旋圆极化天线，天线1'至天线7'为右旋圆极化天线，由于低频段天线比较大，高频段天线比较小，考虑重心平衡，从中间到两边依次是从低频到高频天线的次序安装。每个左旋圆极化天线和右旋圆极化天线通过天线固定点9固定在前骨架8圆弧上。

所述的天线阵需要设计一个射频切换开关电路能够实现对不同天线的选择，通过操作软件实现依次对天线不同频率和极化的切换。如图3所示，给14个窄频段天线阵设计一个射频开关矩阵，结合频率、功率和隔离度指标选择符合要求的机械式开关，本例需1个SP3T和3个SP5T，4个开关安装盒及相关连接插件，射频线缆(1根功放-SP3T，3根SP3T–SP5T，15根SP5T–天线)，1个大功率负载，1个开关供电及控制系统，1个套控制软件，开关布局采取中心处天线放置SP3T开关，将3个SP5T开关放置在3个等分区域的中心位置，同时应减少射频线缆长度，1个负载用于天线阵关闭和维护备份。射频选择开关为电源控制，继电器板为RS485通信接口，在工控机上安装RS485板卡，通过控制软件操作实现对不同频率和极化窄频率天线的选择。

按照本发明所述的技术方案进行测试，采用比较法测量天线的增益。首先要将窄频段源天线全部安装在升降梯的天线架上，然后升起升降梯，在一维转台上设置好标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线，且通过光学对准后能够实现标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线与窄频段圆极化源天线的轴心在一条水平线上。在测试中，开关矩阵要按要求逐一选通源天线，信号源发出的信号通过功放放大后传输给被选择的源天线，接收端为标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线，接收端天线接收到的信号通过低噪放和频谱仪，接收端的频率与发射端频率一致，通过转台旋转一周扫描可以得到测试端的天线方向图，功率最大值点数据为A₂(被测天线测试值)或A₁(标准天线测试值，如果标准增益天线为线极化天线，则需要增益合成值)，假设标准增益天线的增益为G₀，根据公式(5)，即可算出所被测天线在该频率的增益值：

G＝G₀+[A₂-A₁] (5)。

Claims (3)

1.一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统，其特征是：包括：天线架、天线阵、升降梯，所述的天线架是一个以远场测试距离为半径的圆弧天线架，天线架上设置有等间距安装窄频率段圆极化天线，天线架设置在升降梯的顶端；

所述圆弧天线架以远场测试距离半径的一段圆弧形架子作为天线架的前骨架，前骨架与平直的后骨架中间设置有固定横条来加固天线架，天线架的中心处为主支撑点固定在升降梯上；

所述前骨架以主支撑点为中点，两边对称设置不同极化的天线，包括左旋圆极化天线组、右旋圆极化天线组；所述左旋圆极化天线组由左旋圆极化天线1至左旋圆极化天线7组成，右旋圆极化天线由右旋圆极化天线1'至右旋圆极化天线7'组成，每个左旋圆极化天线和右旋圆极化天线通过天线固定点固定在前骨架圆弧上；

所述左旋圆极化天线组、右旋圆极化天线组的每个天线按低频段天线比较大，高频段天线比较小，及重心平衡的技术，从中间到两边依次是从低频到高频天线的次序设置；所述左旋圆极化天线组、右旋圆极化天线组与天线阵电路相连，天线阵电路由射频切换开关矩阵、功放、信号源组成。

2.根据权利要求1所述的一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统，其特征是：所述射频切换开关矩阵，包括三选一射频开关SP3T、五选一射频开关SP5T，所述三选一射频开关SP3T的三个输出端分别通过射频线缆与五选一射频开关SP5T相连，每个五选一射频开关SP5T的五个输出端分别通过射频线缆与对应的负载——天线相连；三选一射频开关SP3T的输入端通过射频线缆与功放电路相连；三选一射频开关SP3T放置天线架中心处，每个五选一射频开关SP5T放置在3个等分区域的中心位置；射频选择开关矩阵为工控机控制，工控机上继电器板为RS485通信接口，用于操作实现对不同频率和极化窄频率天线的选择。

3.一种高精度宽频段圆极化天线远场测试系统的测试方法：采用比较法测量天线的增益，其步骤如下：

1)准备，首先要将窄频段源天线全部安装在升降梯的天线架上，然后升起升降梯，在一维转台上设置好标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线，且通过光学对准后能够实现标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线与窄频段圆极化源天线的轴心在一条水平线上；

2)在测试中，在升降梯升起后，要保证安装的源天线轴线能够保持水平发射信号，与标准天线或者被测试天线的轴线在同一平面内，且方向指向一维转台的标准增益天线/被测宽带天线中心；

开关矩阵要按要求逐一选通源天线，信号源发出的信号通过功放放大后传输给被选择的源天线，接收端为标准增益天线或被测试宽频段圆极化天线，接收端天线接收到的信号通过低噪放和频谱仪，接收端的频率与发射端频率一致，通过转台旋转一周扫描可以得到测试端的天线方向图，功率最大值点数据为被测天线测试值A₂，或标准天线测试值A₁,，

当标准增益天线为线极化天线，则需要增益合成值，设标准增益天线的增益为G₀，根据公式(5)，即能够算出所被测天线在该频率的增益值：

G＝G₀+[A₂-A₁] (5)。

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