CN113281576B - 一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法 - Google Patents

一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法，包括：步骤1，天线阵面通过平面暗室近场测试获取有源阵面各通道对应的天线子阵的带内方向图矢量数据；步骤2，通过平面暗室近场测试获取的法向波位对应的有源阵面所有通道的工作频带内幅度和相位近场数据采样；步骤3，对待测波位进行分组，通过内定标多波位测试获取的法向波位的带内内定标幅相数据矩阵；步骤4，通过内定标多波位测试系统获取的待测波位的带内内定标幅相数据矩阵；步骤5，计算待测波位的内定标方向图。采用本发明进行单个波位功能性验证，测试时间至少可以减少原近场测试时间的95％以上，解决了相控阵天线在阵面测试阶段方向图性能测试耗时长的问题。

Description

一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法。
背景技术
星载合成孔径雷达(SAR)因其全天候、全天时、覆盖广的优势，在民用和军事领域应用广泛，这些应用通常要求SAR载荷工作模式多样化，且分辨能力精细化。为实现这些要求，SAR天线具有定标功能，同时SAR天线通常要求实现多极化和多种成像模式。这就要求SAR天线可以实现多个波位。
对相控阵天线方向图特性的评估一般通过近场校准及测试验证来实现。如果要完成所有天线方向图测试，数量庞大。随着相控阵天线口径的不断增大以及控制复杂程度的日益提高，尤其对于电大口径的有源相控阵天线，近场修正及波束测试验证耗时非常巨大，即使采用多波位测试，也会耗费大量时间和成本。另外，平面近场测试法需要伺服系统控制测试探头完成整个天线平面的扫描，在测试阵面时尤其是大口径阵面时，长时间下SAR天线阵面的温度偏移及探头机械稳定性误差会影响近场测试精度。平面近场测试方法有一定的局限性。
通常，SAR天线阵面具有可以标定系统TR有源链路幅相特性的内定标功能，近年来，国内外专家对内定标系统及功能进行了应用研究，并且有的专家也提出了内定标来初步监测天线波束性能是可行的，并且提出了基于内定标的天线方向图综合方法，只能用于定性监测天线波束性能，而近年来基于内定标的天线方向图获取方法，仅用于在整星阶段的近中频或带内平均的天线性能验证测试。
上述方法在SAR天线阵面方向图测试方面均有一定的应用局限性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术提出本发明提出了一种基于内定标链路多波位数据采集和天线近场测试结合的天线方向图快速测试方法。
具体的，一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法，其特征在于，所述天线方向图测试方法包括以下步骤：
步骤1，天线阵面通过平面暗室近场测试获取有源阵面各通道对应的天线子阵的带内方向图矢量数据；
步骤2，通过平面暗室近场测试获取的法向波位对应的有源阵面所有通道的工作频带内幅度和相位近场数据采样；
步骤3，对待测波位进行分组，通过内定标多波位测试获取的法向波位的带内内定标幅相数据矩阵；
步骤4，通过内定标多波位测试系统获取的待测波位的带内内定标幅相数据矩阵；
步骤5，通过带内方向图矢量数据、法向波位对应带内幅度和相位近场数据采样、法向波位的带内内定标幅相数据矩阵以及待测波位的带内内定标幅相数据矩阵计算待测波位的内定标方向图；
在步骤5中，所述待测波位的内定标方向图计算模型为：
Figure GDA0003834461260000021
其中，
Figure GDA0003834461260000022
λ表示入为天线工作波长；amn为各通道的近场幅相值,对应本发明中的AMN+D1MN-D0MN，AMN表示法向波位对应带内幅度和相位近场数据采样，D0MN表示法向波位的带内内定标幅相数据矩阵，D1MN表示待测波位的带内内定标幅相数据矩阵；f(u,v)表示带内方向图矢量数据；xm＝m×dx，表示第(m,n)有源通道的横坐标，其中dx为在x方向的通道间距；yn＝n×dy，表示第(m,n)有源通道的横坐标，其中dy为在y方向的通道间距；
Figure GDA0003834461260000031
Figure GDA0003834461260000032
为阵列波束指向角位置。
更进一步地，在步骤3和步骤4中，所述内定标多波位测试过程中，若通道数小于波位数，则对第一个波位中所有通道进行遍历采样，再依次将其他波位中所有通道进行遍历采样；若波位数小于通道数，则对第一个通道中所有波位进行遍历采样，再依次将其他通道中所有波位进行遍历采样。
本发明的有益效果包括：
本发明采用的内定标多波位测试的天线方向图高精度快速测试方法，利用天线的内定标多波位数据录取与近场基础数据和校准相结合的方式，可以实现实测精度可以与近场测试精度相媲美，实现了对相控阵天线方向图性能全频段验证测试。大幅提升了波位多频点验证的测试覆盖性和测试效率。采用本发明完成单个波位功能性验证，测试效率有了数量级的提升，测试时间至少可以减少原近场测试时间的95％以上。解决了传统雷达卫星相控阵天线在天线阵面测试阶段方向图性能测试时间长的问题，大大提高了天线阵面集成后在暗室的测试效率，大大降低了暗室使用成本，缩短了天线子系统的研制周期。
本发明采用的内定标带内测试系统原理是采用先通道后波位，即先把第一个波位所有通道的幅度和相位遍历采样，然后再对第二个波位所有通道的幅度和相位遍历采样，逐个完成所有待测多个波位的所有通道的幅度和相位遍历采样。相对于采用先波位后通道的采样方法，能够有效降低有源相控阵天线测试过程中产生的环境温度波动，从而减小温漂问题，减小温漂带来的测试误差。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法与平面近场法测试基于示例的天线方向图指向误差对比示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法与平面近场法测试基于示例的天线方向图波宽误差对比示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法与平面近场法测试基于示例的距离向法向天线方向图对比示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法与平面近场法测试基于示例的方位向法向天线方向图对比示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法与平面近场法测试基于示例的距离向波束展宽1.8倍且扫描某波位的天线方向图对比示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法与平面近场法测试基于示例的距离向波束展宽3.4倍且扫描某波位的天线方向图对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如附图1所示，本发明的一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法，包括以下步骤：
步骤1，天线阵面通过平面暗室近场测试获取有源阵面各通道对应的天线子阵的带内方向图矢量数据；
步骤2，通过平面暗室近场测试获取的法向波位对应的有源阵面所有通道的工作频带内幅度和相位近场数据采样；
步骤3，对待测波位进行分组，通过内定标多波位测试获取的法向波位的带内内定标幅相数据矩阵；
步骤4，通过内定标多波位测试系统获取的待测波位的带内内定标幅相数据矩阵；
步骤5，通过带内方向图矢量数据、法向波位对应带内幅度和相位近场数据采样、法向波位的带内内定标幅相数据矩阵以及待测波位的带内内定标幅相数据矩阵计算待测波位的内定标方向图。
具体的，本发明中内定标多波位测试的天线方向图高精度快速测试方法的一种具体实施例，采用的实施例为具有多个工作模式的SAR有源相控阵天线，阵面尺寸为15米×1.3米，共768个有源通道。
具体的测试方法步骤为：
步骤1，天线阵面集成调平后，通过平面暗室近场测试，测试并记录有源阵面各通道对应的天线子阵的带内方向图矢量数据，记为f(u,v)。
步骤2，通过平面暗室近场测试，完成有源相控阵天线通道法向校准；并通过平面暗室近场测试，采用单通道法测量法向波位对应的有源阵面所有通道的工作频带内幅度和相位近场数据采样，并记为AMN，矩阵AMN中各元素为对应被测天线阵面中所有M×N个通道的带内幅相参数。
步骤3，由于天线阵面通常需要设计多种波位，当存在大量的待测波位时。若在测试中若逐一进行测试会耗费较多时间，因此对天线阵面的波位进行分组，并指定每组第一个波位为法向波位，通过各组待测波位中对法向波位进行带内多频点内定标测试，获取法向波位的带内内定标幅相数据矩阵D0MN，矩阵D0MN中各元素为对应位置通道的参数。对每个通道仅执行第一个波位，能够节省大量测试时间。
为了获取各波位的内定标数据，控制天线进入单T/R工作模式，并将指定波位的波控码置位，然后按照通道顺序依次遍历打开每个T/R通道，同时读取每个通道的内定标幅相值。在采集待测波位的各通道带内定标幅相数据中有两种采集模式，模式1是采用“先通道后波位”，即，先把第一个波位所有通道的幅度和相位遍历采样，然后再对第二个波位所有通道的幅度和相位遍历采样，....依次类推，逐个完成所有待测多个波位的所有通道的幅度和相位遍历采样。模式2是采用“先波位后通道”，即，先把第一-个通道对应所有待测多个波位的幅度和相位遍历采样，然后再对第二个通道对应所有待测多个波位的幅度和相位遍历采样，....依次类推，逐个完成所有的通道对应所有待测多个波位的幅度和相位遍历采样。通常有源相控阵天线测试过程中受环境温度波动影响，而存在温漂问题。为了减小温漂带来的测试误差，若通道数小于波位数，则对第一个波位中所有通道进行遍历采样，再依次将其他波位中所有通道进行遍历采样；若波位数小于通道数，则对第一个通道中所有波位进行遍历采样，再依次将其他通道中所有波位进行遍历采样。在一般情况下天线的波位数量远大于通道数，因此为了减小温漂问题通常采用模式1进行采集。
步骤4，对待测的所有波位逐个通道进行带内多频点内定标测试，获取待测波位的带内内定标幅相数据矩阵D1MN，矩阵D1MN中各元素为对应位置通道的参数；内定标测试过程中，也可以在模式1和模式2中选择最优的模式进行采集。
步骤5，待测波位的通道幅相amn记为：AMN+D1MN-D0MN，并将测波位的通道幅相数据带入下述公式，计算待测波位的内定标方向图；内定标方向图计算模型为：
Figure GDA0003834461260000071
其中，
Figure GDA0003834461260000072
λ表示入为天线工作波长；amn为各通道的近场幅相值,对应本发明中的AMN+D1MN-D0MN；f(u,v)表示各通道对应的天线(子阵)各单元的带内方向图，并依赖于所用单元种类；xm＝m×dx,表示第(m,n)有源通道的横坐标，其中dx为在x方向的通道间距；yn＝n×dy，表示第(m,n)有源通道的横坐标,其中dy为在y方向的通道间距；
Figure GDA0003834461260000073
Figure GDA0003834461260000074
Figure GDA0003834461260000075
为阵列波束指向角位置。
本发明采用的实例，阵面尺寸为15米×1.3米，近场扫描范围为16米×1.5米，近场测试需要扫描架完成整个天线阵面的机械扫描，采用多波位测试，扫面全阵一次完成16个波位的近场测试时间约6个小时，合计每个波位月22.5分钟；而采用本发明所述的内定标多波位测试的天线方向图高精度快速测试方法，完成一个波位所有通道、所有频点测试的时约1.28分钟(完成一个通道的内定标测试时间约100ms，全阵单极化为768通道)。可以节省约95％的时间，未计近场测试时探头的转换及定位的时间消耗。
如附图2-3所示，本发明采用的内定标多波位测试的天线方向图高精度快速测试方法与平面近场法测试方法基于该实例的全极化条带模式(Q波位)和超精细条带模式(F波位)的两百多个波位的天线方向图参数误差对比，可以看出，两种方法的测试结果非常相近：波束指向误差小于3％波束宽度，波束宽度误差小于5％波束宽度(99％以上波位满足)。
如附图4-7所示，法向波位在距离向和方位向及距离向不同展宽倍数加扫描情况下，关于内定标法与平面近场法测试的天线方向图典型对比，可以看出在±60°范围内，两种方法的测试结果非常一致，±60°外的区别可以接受。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于内定标多波位测试的天线方向图测试方法，其特征在于，所述天线方向图测试方法包括以下步骤：
步骤1，天线阵面通过平面暗室近场测试获取有源阵面各通道对应的天线子阵的带内方向图矢量数据；
步骤2，通过平面暗室近场测试获取法向波位对应的有源阵面所有通道的工作频带内幅度和相位近场数据采样值；
步骤3，对待测波位进行分组，通过内定标多波位测试获取法向波位的带内内定标幅相数据矩阵；
步骤4，通过内定标多波位测试系统获取待测波位的带内内定标幅相数据矩阵；
步骤5，通过带内方向图矢量数据、法向波位对应的有源阵面所有通道的工作频带内幅度和相位近场数据采样、法向波位的带内内定标幅相数据矩阵以及待测波位的带内内定标幅相数据矩阵计算待测波位的内定标方向图；
在步骤5中，所述待测波位的内定标方向图计算模型为：
Figure FDA0003864908910000011
其中，
Figure FDA0003864908910000012
λ表示天线工作波长；amn为各通道的近场幅相值，amn＝AMN+D1MN-D0MN，AMN表示法向波位对应的有源阵面所有通道的工作频带内幅度和相位近场数据采样值，D0MN表示法向波位的带内内定标幅相数据矩阵，D1MN表示待测波位的带内内定标幅相数据矩阵；f(u，v)表示带内方向图矢量数据；xm＝m×dx，xm表示第(m，n)有源通道的横坐标，其中dx为在x方向的通道间距；yn＝n×dy，yn表示第(m，n)有源通道的纵坐标，其中dy为在y方向的通道间距；
Figure FDA0003864908910000021
Figure FDA0003864908910000022
Figure FDA0003864908910000023
为阵列波束指向角位置。
2.根据权利要求1所述天线方向图测试方法，其特征在于，在步骤3和步骤4中，所述内定标多波位测试过程中，若通道数小于波位数，则对第一个波位中所有通道进行遍历采样，再依次对其他波位中所有通道进行遍历采样；若波位数小于通道数，则对第一个通道中所有波位进行遍历采样，再依次将其他通道中所有波位进行遍历采样。
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