CN114859141A - 球面近场测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面近场测试系统及测试方法，属于天线测试技术领域，所述系统包括探头阵列、方位转台、接收机和控制分机，被测天线固定在方位转台上，接收机用以为被测天线提供信号，控制分机用以控制方位转台移动；探头阵列呈螺旋式结构，其包括多个微波探头，相邻所述微波探头在俯仰方向按照第一角度间隔Δ_θ排列、在方位方向按照第二角度间隔

排列，

为固定角度间隔，N_p为所述探头阵列中微波探头的数量。本发明通过设计螺旋式结构，在测试过程中，可保证每个探测的方位角完全一致，既保证了测试速度，又保证了测试定位精度。

Description

球面近场测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及天线测试技术领域，具体涉及一种球面近场测试系统及测试方法。

背景技术

球面近场测试系统是一种用于测量天线辐射性能的系统，它通常由近场测试采样架与射频仪表子系统组成。球面近场测试系统可以分为单探头测试系统与多探头测试系统，单探头测试系统由单个微波探头完成整个球面空间的采样工作；多探头测试系统由多个微波探头加上矩阵开关完成整个球面空间的采样工作。相比于其它近场测试系统，球面近场能够得到立体空间的天线性能，测试范围更加广；同时由于其结构完全对称，容易实现探头补偿工作，更容易采用宽带探头；球面近场测试系统配合多个采样探头加电子开关切换可以提升天线测试速度一个数量级。

在现有多探头球面近场测试系统中，为了提升近场测试速度，使用多个具备相同电性能的探头组成探头阵列，探头阵列中的每一个探头在方位角度上都处于同一位置，在俯仰方向上等角度间隔排布，在每个方位角度上通过切换电子开关通道完成所有探头阵列的采样。

因此多探头球面近场测试系统在采样过程有两种工作模式：首先是驻点采样模式，需要方位转台处于完全停止状态，以完成每一个探头的采样工作；其次是运动采样模式，方位转台在匀速运动过程中完成探头阵列的采样。

对于驻点采样模式来说，在方位向上每一个点都需要完成“启动-加速-减速-停止”的循环过程，该模式测试周期较长，不利于天线的快速测试；对于运动采样模式来说，因为采样过程需要有时间间隔，因此每一个探头在采样的时候，被测天线的方位角位置是发生变化的，这样会带来较大的测试误差。

因此，球面近场条件下天线测试技术存在的不足之处在于：

(1)在追求测试精度的前提下，测试速度会下降，特别是测量大尺寸天线的时候。

(2)在追求测试速度的前提下，测试误差会增加，尤其是探头阵列中探头数量较多，或者采样点数较多的情况下。

相关技术中，公开号为CN113985150A的中国发明专利申请公开了一种基于原子相干效应的空口测试系统及方法，该方法包括：在微波暗室内的圆环形扫描支架上，按照采样定理的要求以特定角度间隔均匀布置多个棱镜型原子天线探头组成环形原子探头阵列，环形原子探头阵列通过光纤连接到光纤分束器上，被测天线放置在转台上并保证被测天线的相位中心在扫描支架的圆心。被测天线作为发射天线，原子微波电场计依次控制棱镜型原子天线探头完成各个接收通道的数据采集。控制计算机控制天线转台旋转被测天线，完成三维球面近场数据采集；将采集到的球面近场数据进行近远场变换，就能得到三维远场数据。

但该方案是采用原子相干效应的原理来实现空口测量，采用原子相干效应的测试探头只能实现被测天线发射测试，但测试探头无法发射微波信号，应用范围较窄，并且采用的是较为常规的均匀分布探头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何兼顾球面近场测试的测试速度与测试精度。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一方面，本发明提出了一种球面近场测试系统，所述系统包括探头阵列、方位转台、接收机和控制分机，被测天线固定在所述方位转台上，所述接收机/信号源用以为所述被测天线提供信号，所述控制分机用以控制所述方位转台移动；

所述探头阵列呈螺旋式结构，其包括多个微波探头，相邻所述微波探头在俯仰方向按照第一角度间隔Δ_θ排列、在方位方向按照第二角度间隔

排列，

为固定角度间隔，

为角度最大可用采样间隔，N_p为所述探头阵列中微波探头的数量。

本发明通过设计呈螺旋式结构的探头阵列，探头阵列中相邻探头在俯仰方向上间隔第一角度排列，并且在方位方向上间隔第二角度排列，该探头阵列在用于球面近场测试时，在测试校正过程中无需采样架保持驻点模式；传统的直立式的探头阵列在测试过程中，每一个探头在采样时，方位转台的位置是发生变化的，因此每个探头采样时被测天线所处的方位角度位置是不同的，而本发明通过设计的螺旋式结构，在测试过程中，可保证每个探测的方位角完全一致，既保证了测试速度，又保证了测试定位精度。本发明相比于现有的近场天线测试技术解决了两个互相矛盾的问题：运动中采样、采样位置误差问题。

进一步地，所述微波探头的数量满足如下公式：

N≤N_p*N_s

其中，N为第一角度测试点数量，N_s为测试次数，N_p为探头阵列中探头数量。

进一步地，所述第一角度间隔Δ_θ满足如下公式：

其中，θ_max为探头阵列俯仰角度范围最大值。

进一步地，所述方位转台上开设有用于安装所述被测天线的安装孔，且所述方位转台包括旋转机构和升降机构，所述升降机构用于控制所述被测天线在竖直方向升降，所述旋转机构用于控制所述被测天线沿方位方向匀速旋转。

进一步地，所述探头阵列安装于旋转导轨，所述旋转导轨用于调节所述探头阵列中每个微波探头的俯仰角度。

进一步地，所述控制分机包括：

参数设置模块，用于设置测试参数，所述测试参数包括测试系统的固定角度间隔

和测试频率；

采样时间获取模块，用于获取当前测试频率下接收机采样一个采样点所需时间t_p；

采样点工作时间计算模块，用于根据t_p设置在采样点的工作时间t_s，其中t_s>t_p；

旋转速度计算模块，用于计算所述方位转台的旋转速度

N_p为所述探头阵列中微波探头的数量；

测试模块，用于按照所述探头采样点的工作时间t_s，完成每个位置点微波探头的采样测试。

进一步地，所述控制分机经运动控制器分别与所述方位转台和所述旋转导轨连接，所述控制分机包括：

运动控制模块，用于通过所述升降机构控制所述被测天线的中心移动至测试球面的球心位置；以及用于所述旋转机构控制所述被测天线沿方位方向匀速旋转，旋转速度为

此外，本发明还提出了一种球面近场测试方法，所述方法包括：

设置测试参数，所述测试参数包括测试系统的角度固定间隔

和接收机采样时间t_p；

利用所述接收机/信号源提供射频信号给被测天线，以使所述被测天线发射信号，所述被测天线安装于方位转台上；

根据接收机采样时间t_p确定采样点工作时间t_s：t_s>t_p；

计算所述方位转台的旋转速度

并按照旋转速度

控制所述方位转台沿方位方向匀速旋转，

N_p为所述探头阵列中微波探头的数量；

按照所述探头的采样时间间隔t_s，控制所述探头阵列中各探头进行采样测试。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过设计呈螺旋式结构的探头阵列，探头阵列中相邻探头在俯仰方向上间隔第一角度排列，并且在方位方向上间隔第二角度排列，该探头阵列在用于球面近场测试时，在测试校正过程中无需采样架保持驻点模式；传统的直立式的探头阵列在测试过程中，每一个探头在采样时，方位转台的位置是发生变化的，因此每个探头采样时被测天线所处的方位角度位置是不同的，而本发明通过设计的螺旋式结构，在测试过程中，可保证每个探测的方位角完全一致，既保证了测试速度，又保证了测试定位精度。本发明相比于现有的近场天线测试技术解决了两个互相矛盾的问题：运动中采样、采样位置误差问题。

(2)通过控制接收机采样的时间间隔，可以使得每个探头在同一个方位角度完成数据采样。这种特性使得测试周期相比于现有测试方法缩短，测试效率得到了较大的提升，提高了多探头球面近场测试系统的测试产出。

(3)本发明所产生的采样位置误差显著小于现有测试方法。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明第一实施例中球面近场测试系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例中探头阵列角度位置关系示意图；

图3是本发明第一实施例中方位转台示意图；

图4是本发明第二实施例中球面近场测试方法的流程示意图；

图5是本发明第二实施例中球面近场测试方法的整体流程示意图。

图中：

10-探头阵列；20-方位转台；30-接收机/信号源；40-控制分机；50-运动控制器；60-被测天线；70-旋转导轨；80-微波探头。

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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

如图1至图3所示，本发明第一实施例提出了一种球面近场测试系统，所述系统包括探头阵列10、方位转台20、接收机/信号源30和控制分机40，被测天线60固定在所述方位转台20上，所述接收机/信号源30用以为所述被测天线60提供信号，所述控制分机40用以控制所述方位转台20移动；

所述探头阵列10呈螺旋式结构，其包括多个微波探头80，相邻所述微波探头80在俯仰方向按照第一角度间隔Δ_θ排列、在方位方向按照第二角度间隔

排列，

为固定角度间隔，

为角度最大可用采样间隔，N_p为所述探头阵列10中微波探头80的数量。

进一步地，所述接收机/信号源30负责为测试系统提供射频信号输出，并且接收采样射频信号，将射频信号的矢量值记录下来，本实施例所使用的接收机/信号源30与其他常见测试系统类似，采用通用仪表；所述方位转台20可升降移动和旋转转动，用于调整所述被测天线60的位置；所述控制分机40用于控制方位转台20升降和旋，进而调整被测天线60的位置和旋转速度，并控制探头阵列10完成各个接头通道的数据采集，控制接收机按照时序采样，完成球面近场测试。

需要说明的是，与传统传统的直立式的探头阵列10在球面近场测试过程不同的是，直立式探头阵列10中的每个探头在采样时，方位转台20的位置是发生变化的，因此每个探头采样时所处的方位角度位置是不同的；而本发明通过设计的螺旋式结构，在测试过程中，可保证每个探测的方位角完全一致，既保证了测试速度，又保证了测试定位精度，而且在测试校正过程中无需采样架保持驻点模式。本实施例相比于现有的近场天线测试技术解决了两个互相矛盾的问题：运动中采样、采样位置误差问题。

在一实施例中，首先根据被测天线60的尺寸与被测天线60的测试频率计算所需要的测试点数，然后根据测试探头数量设置采样次数：

式中：λ为测量频率对应的波长，r为包围被测天线的最小球直径，D为常数，通常在3-10之间，N为第一角度测试点数量。

得到第一角度测试点数量之后，根据探头数量N_p来配置测试次数N_s使得：

N≤N_p*N_s

其中，N为第一角度测试点数量，N_s为测试次数。

需要说明的是，具体到本实施例中，N_s通常为1，即一次测量。

在一实施例中，俯仰角度间隔值Δ_θ为一个硬件设计固定值，可以根据探头阵列10俯仰角度范围与探头数量计算得到：

式中：θ_max为探头阵列10俯仰角度范围最大值，N_p为探头数量。

在一实施例中，角度最大可用采样间隔的计算公式为：

在一实施例中，所述方位转台20上开设有用于安装所述被测天线60的安装孔，且所述方位转台20包括旋转机构和升降机构，所述升降机构用于控制所述被测天线60在竖直方向升降，所述旋转机构用于控制所述被测天线60沿方位方向匀速旋转。

需要说明的是，方位转台20具备一维度方位旋转功能与高度升降功能，在旋转平台上具备安装被测天线60的安装孔，被测天线60通过安装孔固定在旋转平台上。在测试过程中，调节高度升降装置，使得被测天线60的中心位于测试球面的球心位置；然后在方位转台20的带动下，被测天线60沿着方位方向匀速旋转。

具体地，方位旋转台可通过一个手摇装置加螺杆实现升降，通过伺服电机与齿轮减速器组合实现旋转。

在一实施例中，所述探头阵列10安装于旋转导轨70，所述旋转导轨70用于调节所述探头阵列10中每个微波探头80的俯仰角度。

需要说明的是，在探头阵列10中的探头数量较多，布置较为密集时，可通过旋转导轨70调节探头的俯仰角度。

在一实施例中，所述控制分机40经运动控制器50分别与所述方位转台20和所述旋转导轨70连接，所述控制分机40包括：

运动控制模块，用于通过所述升降机构控制所述被测天线60的中心移动至测试球面的球心位置；以及用于所述旋转机构控制所述被测天线60沿方位方向匀速旋转。

在一实施例中，所述控制分机40包括：

参数设置模块，用于设置测试参数，所述测试参数包括测试系统的角度固定间隔

和测试频率，其中，

为角度最大可用采样间隔。

采样时间获取模块，用于获取当前测试频率下接收机采样时间t_p；

采样点工作时间计算模块，用于根据接收机采样时间t_p确定采样点工作时间t_s，其中t_s>t_p；

旋转速度计算模块，用于计算所述方位转台20的旋转速度

N_p为所述探头阵列10中微波探头80的数量。

需要说明的是，计算得到的方位转台20的旋转速度应小于方位转台20的最快旋转速度。

测试模块，用于按照所述旋转速度

控制所述方位转台转动，并按照所述探头采样点的工作时间t_s控制所述接收机/信号源进行采样，完成每个位置点微波探头的采样测试。

需要说明的是，本实施例相比于现有的近场天线测量技术解决了两个互相矛盾的问题：运动中采样、采样位置误差问题：

(1)运动中采样：

由于探头阵列10在设计过程中包含了一个固定的方位角度间隔

因此在测试过程中，如果设置合适的转台运动速度

通过控制接收机30采样点工作时间t_s的时间间隔，可以使得每个探头在同一个方位角度完成数据采样。这种特性使得测试周期相比于现有测试方法缩短，测试效率得到了较大的提升，提高了多探头球面近场测量系统的测试产出。

(2)采样位置误差：

由于特殊的探头阵列10设计以及测试方法设计，使得位置误差Δ_p控制在一个极小的范围。位置误差由位置真实值与理论值之间的差值计算得到，使用本实施例设计的方案，位置误差由采样时间误差Δ_t，转台运动速度

以及支架加工误差Δ_m确定，即：

相比于现有测试系统，位置误差由采样时间t_s与运动速度

和支架加工误差Δ_m确定，因此本发明在测试中采样误差明显降低，误差计算公式如下：

通常情况下，Δ_t小于1ms，t_s小于20ms，而探头数量n通常在[32，64，128]之间选择；很显然，E₂(n)计算得到的误差明显高于E₁，也就是说应用本实施例设计方案所产生的采样位置误差显著小于现有测试方法。

此外，如图4所示，本发明第二实施例提出了一种球面近场测试方法，所述方法包括以下步骤：

S10、设置测试参数，所述测试参数包括测试系统的角度固定间隔

和接收机采样时间t_p。

S20、利用信号源提供射频信号给被测天线，以使所述被测天线发射信号，所述被测天线安装于方位转台上。

S30、根据接收机采样时间t_p设置在采样点的工作时间t_s，其中t_s>t_p；

S40、计算所述方位转台的旋转速度

并按照旋转速度

控制所述方位转台沿方位方向匀速旋转，

N_p为所述探头阵列中微波探头的数量。

S50、按照所述探头的采样点工作时间t_s，控制所述探头阵列中各探头进行采样测试。

本实施例通过设计了测试系统中方位转台运行速度

以及接收机30采样工作时间t_s，应用该测试方法能够保证系统测试速度与测试精度处于最优状态。

在一实施例中，如图5所示，所述步骤S50，包括：

判断所述探头阵列中所有探头是否完成当前采样点的采样测试；

若否，则所述接收机采样并等待采样周期t_s后重新判断；

若是，进行下一采样点的采样测试。

在一实施例中，所述方法包括：

控制所述方位转台，以使所述被测天线的中心移动至测试球面的球心位置；

控制所述方位转台，以使所述被测天线沿方位方向匀速旋转。

需要说明的是，本发明所述球面近场测试方法的其他实施例或具有实现方法可参照上述各系统实施例，此处不再赘余。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种球面近场测试系统，其特征在于，所述系统包括探头阵列、方位转台、接收机和控制分机，被测天线固定在所述方位转台上，所述接收机/信号源用以为所述被测天线提供信号，所述控制分机用以控制所述方位转台移动；

所述探头阵列呈螺旋式结构，其包括多个微波探头，相邻所述微波探头在俯仰方向按照第一角度间隔Δ_θ排列、在方位方向按照第二角度间隔

排列，

为固定角度间隔，

为角度最大可用采样间隔，N_p为所述探头阵列中微波探头的数量。

2.如权利要求1所述的球面近场测试系统，其特征在于，所述微波探头的数量满足如下公式：

N≤N_p*N_s

其中，N为第一角度测试点数量，N_s为测试次数。

3.如权利要求1所述的球面近场测试系统，其特征在于，所述第一角度间隔Δ_θ满足如下公式：

其中，θ_max为探头阵列俯仰角度范围最大值。

4.如权利要求1所述的球面近场测试系统，其特征在于，所述方位转台上开设有用于安装所述被测天线的安装孔，且所述方位转台包括旋转机构和升降机构，所述升降机构用于控制所述被测天线在竖直方向升降，所述旋转机构用于控制所述被测天线沿方位方向匀速旋转。

5.如权利要求4所述的球面近场测试系统，其特征在于，所述探头阵列安装于旋转导轨，所述旋转导轨用于调节所述探头阵列中每个微波探头的俯仰角度。

6.如权利要求1所述的球面近场测试系统，其特征在于，所述控制分机包括：

参数设置模块，用于设置测试参数，所述测试参数包括测试系统的固定角度间隔

和测试频率；

采样时间获取模块，用于获取当前测试频率下接收机采样时间t_p；

采样点工作时间计算模块，用于根据接收机采样时间t_p确定采样点工作时间t_s，其中t_s>t_p；

旋转速度计算模块，用于计算所述方位转台的旋转速度

N_p为所述探头阵列中微波探头的数量；

测试模块，用于按照所述旋转速度

控制所述方位转台转动，并按照所述探头采样点的工作时间t_s控制所述接收机/信号源进行采样，完成每个位置点微波探头的采样测试。

7.如权利要求5所述的球面近场测试系统，其特征在于，所述控制分机经运动控制器分别与所述方位转台和所述旋转导轨连接，所述控制分机包括：

运动控制模块，用于通过所述升降机构控制所述被测天线的中心移动至测试球面的球心位置；以及用于所述旋转机构控制所述被测天线沿方位方向匀速旋转。

8.一种球面近场测试方法，其特征在于，所述方法包括：

设置测试参数，所述测试参数包括测试系统的固定角度间隔

和接收机采样时间t_p；

利用信号源提供射频信号给被测天线，以使所述被测天线发射信号，所述被测天线安装于方位转台上；

根据接收机采样时间t_p确定采样点工作时间t_s：t_s>t_p；

计算所述方位转台的旋转速度

并按照旋转速度

控制所述方位转台沿方位方向匀速旋转，

N_p为所述探头阵列中微波探头的数量；

按照所述探头的采样时间间隔t_s，控制所述探头阵列中各探头进行采样测试。

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