CN114460864A

CN114460864A - 一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法

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Publication number: CN114460864A
Application number: CN202210120627.5A
Authority: CN
Inventors: 但建波
Original assignee: Chengdu Zhongwei Puye Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Zhongwei Puye Technology Co ltd
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2042-02-09
Also published as: CN114460864B

Abstract

本发明公开了一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法，将程控衰减单元和程控移相单元表示为2端口网络，通过对2端口网络链接参数的提取形成2端口网络传输矩阵，进而模拟形成幅度、相位相互对应的多组幅度测试和相位测试，通过对2端口网络传输矩阵的级联运算形成整体的链接参数，进而实现通过级联后2端口网络传输矩阵的幅度、相位特征计算完成全态数据库的重构。本发明以传输矩阵为理论基础，通过传输矩阵的级联运算，再转换为整体的链接参数，通过计算的方式实现全态数据的重构和幅相特征的提取，使用本方法测试速度可以提升99%以上，达到快速，准确，高效的目的。

Description

一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法

技术领域

本发明涉及微波信号处理领域，特别涉及一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法。

背景技术

无论是射频制导控制半实物仿真系统中，还是当前5G基站的相控阵测试系统中，以及主流的相控阵雷达系统，都对幅相的协同精确控制提出了很高的要求。例如当前5G基站OTA测试系统中，幅度控制需要步进0.1dB，精度±0.1dB，相位步进1°，精度±1°，因此，需要对上述数据进行测试，如果直接采用单一的幅度或单一相位控制方法实现微波信号的单幅度或者单相位控制测试由于所需时间过长是无法达到这个精度的。

如公开号CN 108319157 A“毫米波幅相精确控制系统及方法”所公开的幅相的协同精确控制采用单独的幅相控制方法实现，该方法采用了高精度测试仪，对幅相控制模块整体的输入输出界面连接测试，通过逐频点的幅度相位特征测试形成幅相特征数据库，最后通过幅相特征数据库提供的幅相控制信息，实现幅相精确控制。该方法确实解决了幅度和相位交叉耦合的技术难题，但同时也不得不牺牲大量的测试时间作为代价，从民品的批量生产测试来讲，测试的时间长度显然是完全无法接受的。以5G基站OTA测试相控阵设备为例，共计128通道，频率为2-5GHz，采集50个频点，按25dB幅度动态，步进0.1dB，精度±0.1dB，360°动态，步进1°，精度±1°为例，通过市面标准网络分析仪作为测试仪表，完成同等数据库的构建所需要的时间计算：

T＝M×t×C

T:表达的是完成产品数据特征库的提取时间消耗

M：表示的是所需要测试的状态数，该案例中幅度：25dB/0.1dB＝250，相位360°/1°＝360，M＝250×360

t：表示的是单个状态完成自动化测试所需的时间，按单次50ms计算(实际不同仪表有些偏差)

C：表示需要测试的通道数量

基于以上计算，可知T＝576000s，约一周的时间才能完成所有数据的提取，这样长时间的测量，对于这样高精度的系统，仪表的稳定性误差也会引入到其中，进一步降低幅相特征库的数据准确度，因此如何降低所需测试时间是保证测试精度实际要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法，所述方法以传输矩阵为理论基础，将幅度控制单元(程控衰减单元)、相位控制单元(程控移相单元)抽象为2端口网络，通过对两者链接参数的准确提取，转换为相应的传输矩阵，通过传输矩阵的级联运算，再转换为整体的链接参数，实现级联后2端口网络幅度、相位特征的精确计算，通过计算的方式实现全态数据的重构和幅相特征的提取，达到快速，准确，高效的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法，数据库是对应幅度逐级变换、相位逐级变换微波测试获取的多组测试数据，幅度逐级变换是对应逐级程控衰减单元的幅度逐级变换，相位逐级变换是对应程控移相单元的相位由0至360°逐级变换，其中，将多组测试数据对应的程控衰减单元和程控移相单元的微波测试表示为2端口网络链接传输矩阵，通过对2端口网络链接参数的提取模拟形成幅度逐级变换、相位逐级变换相互对应的多组数据测试，通过对2端口网络链接传输矩阵的级联运算形成整体的链接参数，进而实现通过级联后2端口网络链接传输矩阵的幅度、相位逐级变换计算完成全态数据库的重构；

所述重构过程是：建立用[T_AiP0]表示的程控衰减单元传输矩阵和用[T_A0Pj]表示的程控移相单元的2端口网络传输矩阵的链接，建立重构链接参数计算公式[T_Ai][T_Pj]＝[T_AiPj]；

构建程控衰减单元为0态时的传输矩阵[T_A0]和程控移相单元为0态时的传输矩阵[T_P0]，对[T_A0Pj]用[T_A0]的去嵌得到[T_Pj]、对[T_AiP0]用[T_P0]去嵌得到[T_Ai]，用以消除程控衰减单元与程控移相单元链接误差；

即：[T_A0]^-1[T_A0Pj]＝[T_Pj]，[T_AiP0][T_P0]^-1＝[T_Ai]；

i＝0，1，2...m，j＝0，1，2...n；

通过测量获取程控衰减单元传输矩阵[T_AiP0](i＝0，1，2...m)的数据；

通过测量获取程控移相单元传输矩阵[T_A0Pj](j＝0，1，2...n)的数据；

然后通过重构链接参数计算公式[T_Ai][T_Pj]＝[T_AiPj]计算构建得到全态特征数据库。

方案进一步是：所述程控衰减单元和程控移相单元微波测试表示为2端口网络链接传输矩阵是基于T矩阵理论基础的2端口网络链接传输矩阵。

本发明的有益效果是：本发明以传输矩阵为理论基础，将幅度控制单元(程控衰减单元)、相位控制单元(程控移相单元)抽象为2端口网络，通过对两者链接参数的准确提取，转换为相应的传输矩阵，通过传输矩阵的级联运算，再转换为整体的链接参数，实现级联后2端口网络幅度、相位特征的精确计算，通过计算的方式实现全态数据的重构和幅相特征的提取，以背景数据为例，使用本方法测试速度可以提升99％以上，达到快速，准确，高效的目的。

方法结合实际工程应用，创新的采用了电路参考面虚构的方法，测试基准数据全部来源于实际物理连接下的真实准确数据，保证了全态特征库的高精度，为最终高精度幅度，相位控制提供准确的参考数据，实现精确的幅相控制。

其中虚构界面E的假设、通过去嵌的思路实现程控移相单元、程控衰减单元特征传输矩阵[T_Ai],[T_Pj]的生成，最后实现全态特征库的构建，是最终高效、快速、准确构建全态数据库的关键之所在。

该方法不局限于某个频段、某种连接方式，通道内程控移相单元，程控衰减单元前后位置可以互易，对于高度集成的相控阵雷达、相控阵体制MIMO基站，信道模拟网络、半实物仿真设备均可以极大的改善校准时间，提高幅相精度。

方法可以高效、快速、准确构建幅相全态特征库，实现幅相控制系统精确的控制，完美解决了幅度、相位交叉耦合的难题。

该虚构界面的假设，特征参数的提取，全态数据的重构，整个数学模型的建模与实际工程的结合，可应用于类似场景各种组合态的应用，各种频段的应用，对军工、通信、仪表领域都具有非常高的应用价值。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

附图说明

图1是2端口网络矩阵示意图；

图2是2端口网络传输矩阵示意图；

图3是程控衰减单元传输A-B和程控移相单元传输C-D示意图；

图4是带有虚构参考面E的传输连接状态示意图；

图5是程控衰减单元传输和程控移相单元传输理论、理想链接示意图；

图6是程控衰减单元传输和程控移相单元传输过紧连接状态示意图；

图7是程控衰减单元传输和程控移相单元传输过松连接状态示意图；

图8是重构态与实测真值误差示意图。

具体实施方式

一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法，数据库是对应幅度逐级变换、相位逐级变换微波测试获取的多组测试数据，幅度逐级变换是对应逐级程控衰减单元的幅度逐级变换，相位逐级变换是对应程控移相单元的相位由0至360°逐级变换，作为公知：微波测试幅度和相位是指S参数包含的幅度比值和相位值，表示端口出射电压波与入射电压波的比值，幅度逐级变换是对应逐级程控衰减单元的分贝幅度0至25dB(不同产品幅度动态可更大)逐级变换，相位逐级变换是对应逐级程控移相单元的相位频率由由0至360°逐级变换，其中，将多组测试数据对应的程控衰减单元和程控移相单元的微波测试表示为2端口网络链接传输矩阵，通过对2端口网络链接参数的提取模拟形成幅度逐级变换、相位逐级变换相互对应的多组数据测试，通过对2端口网络链接传输矩阵的级联运算形成整体的链接参数，进而实现通过级联后2端口网络链接传输矩阵的幅度、相位逐级变换计算完成全态数据库的重构；

即：[T_A0]^-1[T_A0Pj]＝[T_Pj]，[T_AiP0][T_P0]^-1＝[T_Ai]；

i＝0，1，2...m，j＝0，1，2...n；

其中：所述程控衰减单元和程控移相单元微波测试表示为2端口网络链接传输矩阵是基于T矩阵理论基础的2端口网络链接传输矩阵。

下面针对上述方案的形成做详细的说明：

如图1所示，在2端口网络中：

a1表示输入端口的归一化入射波电压；

b1表示输入端口的归一化反射波电压；

a2表示输出端口的归一化入射波电压；

b2表示输出端口的归一化反射波电压；

用输出端口的归一化反射波电压和入射波电压表示输入端口的归一化入射波电压和反射波电压，其变换矩阵就是如公式1所示的T传输矩阵：

用输入，输出端口的归一化入射波电压表示输入、输出端口的归一化反射波电压，其变换矩阵就是如公式2所示的S传输矩阵：

T矩阵与S矩阵的函数变换如公式3所示：

如图2所示，将2个2端口网络链接在一起，便可以基于T传输矩阵完成链接后的如公式4所示的等效传输矩阵计算：

本实施例以[T]传输矩阵为理论基础，将幅度控制单元(程控衰减单元)、相位控制单元(程控移相单元)抽象为2端口网络，建立如图4所示的虚构分解面E，通过对两者S参数的准确提取，转换为相应的传输矩阵，通过传输矩阵的级联运算，再转换为整体的S参数，实现级联后2端口网络幅度、相位特征的精确计算，通过计算的方式实现全态数据的重构和幅相特征的提取，达到快速，准确，高效的目的。

实际工程应用中程控衰减单元[T_Ai]、程控移相单元[T_Pj]通过微带、同轴等传输单元串连起来，实现通道的幅度、相位的调节。

以背景技术中5G基站OTA测试相控阵设备为例，共计128通道，频率为2-5GHz，采集50个频点，按25dB幅度动态，步进0.1dB，精度±0.1dB，360°动态，步进1°，精度±1°，其中：

程控衰减单元的传输矩阵我们命名为[T_Ai](i＝0,1,2...250)；

程控移相单元的传输矩阵我们命名为[T_Pj](j＝0,1,2...360)；

通过对[T_Ai]，[T_Pj]共计610个态的提取就能完成中间250×360＝90000个状态的计算与构建，如下表格1所示。

表格1

[TP0]

[TP1]

[TP2]

[TP3]

[TP4]

[TP5]

[TP6]

...

[TP360]

[TA0]

[TA0P0]

[TA1]

[TA1P1]

[TA2]

[TA3]

[TA4]

...

[TA250]

[TA250P360]

实际工程中，按以上模型验证发现移相、衰减精度误差偏大，无法满足高精度重构的诉求。主要原因并不是理论模型存在错误，而在于实际测试[S_Ai]，[S_Pj]过程中，由于多次连接测量中存在连接的不一致性误差会引入到测试数据中，形成系统误差累积进入全态特征数据库中。

如图3所示意，理论上假设对程控衰减单元做S参数测量，矢网校准后电路端面为A-B，对应S矩阵为[S_Ai]；对程控移相单元做S参数测量，矢网校准后电路端面为C-D，对应S矩阵为[S_Pj]；最后将程控衰减单元与程控移相单元连接起来后，电路端面看似B与C实现了如图5所示意理想连接状态的重合，实际工程中无法做到理论上的重合，要么间隙，要么过紧等情况出现，导致[T_Ai]×[T_Pj]得出的幅相数据已和实际工程数据出现了偏差，如图6所示意的过紧连接状态和图7所示意的过松连接状态。

因此，本实施例所提出的是一种不破坏程控衰减、程控移相单元已实现物理连接状态下的重构方法，确保实测数据与物理状态的绝对一致与高精度重构。

实施例中，对程控衰减，程控移相单元完成连接后的状态下，对A-D界面实际测试相关的S参数，转换得到[T_A0Pj](j＝0，1，2...360)，[T_AiP0](i＝0，1，2...250)，如图4所示，通过带有虚构参考面E的传输连接状，建立一个虚构电路参考面E，构建一个程控衰减单元为0态时的传输矩阵为[T_A0]，对[T_A0Pj]做[T_A0]的去嵌(用公式5表示)就能得出[T_Pj]，其中得出的[T_P0]是在虚构界面E状态下形成的传输矩阵，所以能保证物理分界面的唯一性假设，再对[T_AiP0]用[T_P0]去嵌(用公式6表示)就能得出[T_Ai]，最后再将[T_Ai]与[T_Pj]矩阵相乘得出真正意义A-D界面的全态数据库，实现精确重构。其表达式如公式5、公式6和公式7以及表格2所示：

[T_A0]^-1[T_A0Pj]＝[T_Pj] 公式5

[T_AiP0][T_P0]^-1＝[T_Ai] 公式6

[T_Ai][T_Pj]＝[T_AiPj] 公式7

表格2

[TP0]

[TP1]

[TP2]

[TP3]

[TP4]

[TP5]

[TP6]

...

[TP360]

[TA0]

[TA0P0]

[TA0P1]

[TA0P2]

[TA0P3]

[TA0P4]

[TA0P5]

[TA0P6]

[TA0P360]

[TA1]

[TA1P0]

[TA1P1]

[TA2]

[TA2P0]

[TA3]

[TA3P0]

[TA4]

[TA4P0]

...

[TA250]

[TA250P0]

[TA250P360]

如图8所示，通过抽取任意[T_AiPj]状态论证，将实际测量值与基于虚拟界面重构的[T_AiPj]对比发现，图中上部的幅度误差＜0.05dB，图中下部相位的偏差＜0.5°，足以满足高精度幅相精度要求。

上述微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法实施例以传输矩阵为理论基础，将幅度控制单元(程控衰减单元)、相位控制单元(程控移相单元)抽象为2端口网络，通过对两者链接参数的准确提取，转换为相应的传输矩阵，通过传输矩阵的级联运算，再转换为整体的链接参数，实现级联后2端口网络幅度、相位特征的精确计算，通过计算的方式实现全态数据的重构和幅相特征的提取，以背景数据为例，使用本方法测试速度可以提升99％以上，达到快速，准确，高效的目的。

其中虚构界面E的假设、通过去嵌的思路实现程控移相单元、程控衰减单元特征传输矩阵[T_Ai]，[T_Pj]的生成，最后实现全态特征库的构建，是最终高效、快速、准确构建全态数据库的关键之所在。

Claims

1.一种微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法，数据库是对应幅度逐级变换、相位逐级变换微波测试获取的多组测试数据，幅度逐级变换是对应逐级程控衰减单元的幅度逐级变换，相位逐级变换是对应程控移相单元的相位由0至360°逐级变换，其特征在于，将多组测试数据对应的程控衰减单元和程控移相单元的微波测试表示为2端口网络链接传输矩阵，通过对2端口网络链接参数的提取模拟形成幅度逐级变换、相位逐级变换相互对应的多组数据测试，通过对2端口网络链接传输矩阵的级联运算形成整体的链接参数，进而实现通过级联后2端口网络链接传输矩阵的幅度、相位逐级变换计算完成全态数据库的重构；

所述重构过程是：建立用[T_AiP0]表示的程控衰减单元传输矩阵和用[T_AOPj]表示的程控移相单元的2端口网络传输矩阵的链接，建立重构链接参数计算公式[T_Ai][T_Pj]＝[T_AiPj]；

即：[T_A0]^-1[T_A0Pj]＝[T_Pj],[T_AiP0][T_P0]^-1＝[T_Ai]；

i＝0,1,2...m，j＝0,1,2...n；

通过测量获取程控衰减单元传输矩阵[T_AiP0](i＝0,1,2...m)的数据；

通过测量获取程控移相单元传输矩阵[T_A0Pj](j＝0,1,2...n)的数据；

2.根据权利要求1所述的微波测试幅度相位特征数据库快速精确重构方法，其特征在于，所述将程控衰减单元和程控移相单元微波测试表示为2端口网络链接传输矩阵是基于T矩阵理论基础的2端口网络链接传输矩阵。