CN105425185A - 一种平面波幅相性能直角坐标扫描校准***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***，该***包括接收天线、平面波输入模块、直角坐标扫描架、采集及处理模块；平面波输入模块，用于输入能够均匀照射在静区内的平面波信号；直角坐标扫描架，用于在静区中心截面十字线上进行水平极化和垂直极化方向移动；接收天线，安装在与平面波所在辐射场信号传播方向正交的直角坐标扫描架上，用于对静区内的平面波信号进行探测；采集及处理模块，用于采集来自所述接收天线测得的平面波信号，并计算得到所示平面波的幅度和相位信息。本发明所述技术方案，可计算得出测试频点或频段上在静区内的幅度和相位分布，实现对紧缩场静区平面波幅相特性测量校准的目的。

Description

一种平面波幅相性能直角坐标扫描校准***及方法

技术领域

本发明涉及一种平面波幅性能扫描校准方法。更具体地，涉及一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***及方法。

背景技术

紧缩天线测试场(CompactAntennaTestRange，CATR，通常被简称为紧缩场)是目前最理想的远场天线测试***，可在较近的距离上实现一个准平面测试区(通常被称作静区)进行天线的性能测试，从而在有限空间内实现远场条件，是目前天线测试和RCS测试的重要手段，紧缩场测试***可在实验室内进行测试，对场地的尺寸要求相对其它远场测试***来说要小得多，而且不受气候环境条件的影响。

现阶段，对于紧缩场平面波幅相特性的测量方法是目标参考法和时域测量法，其中目标参考法是将长方体金属条或金属板放置在紧缩场的静区内，然后通过测量金属条或金属板的散射来通过数据处理推算被测紧缩场静区的幅相特性，而时域测量方法是将一个窄脉冲信号馈入发射天线，在接收处测量时域脉冲响应，这相当于在频域同时测量多个频率的信号，通过计算得到宽频带内的幅相特性。

以上两种测量方法都是需要进行大量测量数据的运算分析和数据处理，而且测量结果不够直观，况且用时域测量方法时，所使用的馈源带宽通常有限，因此时域测量法的频带不是很宽。

因此，需要提供一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***及方法，采用直角坐标扫描法进行紧缩场平面波的幅相性能校准测量，在静区范围内通过移动接收天线测出紧缩场测试频点或频段上静区内的幅度和相位分布，从而实现对紧缩场静区平面波幅相特性测量校准的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***及方法，解决现有技术中使用的馈源带宽有限而导致测量频带较窄的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***，所述该***包括

接收天线、平面波输入模块、直角坐标扫描架、采集及处理模块；

所述平面波输入模块，用于输入能够均匀照射在所述静区内的平面波信号；

所述直角坐标扫描架，用于在所述静区中心截面十字线上进行水平极化和垂直极化方向移动；

所述接收天线，安装在与所述平面波所在辐射场信号传播方向正交的直角坐标扫描架上，用于对所述静区内的平面波信号进行探测；

所述采集及处理模块，用于采集来自所述接收天线测得的平面波信号，并计算得到所示平面波的幅度和相位信息。

优选的，所述直角坐标扫描架的频率范围为2GHz～18GHz，且频率范围对应的波长的范围为150mm～17mm。

优选的，所述接收天线的方向与所述平面波所在辐射场轴线方向平行，极化方向与所述平面波所在辐射场极化方向一致。

优选的，所述采集及处理模块，以大于八分之一最小干涉波周期的时间间隔采集并记录来自所述接收天线测得的平面波信号。

优选的，所述信号采集及处理模块包括光电变换单元，用于将来自接收天线的平面电信号转换成光信号再进行传输，然后再将光信号转化为电信号进行数据分析。

一种平面波幅性能直角坐标扫描校准方法，所述方法包括

S1、将矢量网络分析仪源端产生的测试信号经功率放大器、馈源及紧缩场反射面产生的平面波均匀照射静区内；

S2、将直角坐标扫描架在所述静区中心截面十字线上进行水平极化和垂直极化方向移动；

S3、将接收天线安装在与所述平面波所在辐射场信号传播方向正交的直角坐标扫描架上，用于对所述静区内的平面波信号进行探测；

S4、采集来自所述接收天线测得的平面波信号，并计算得到所示平面波的幅度和相位信息。

优选的，所述直角坐标扫描架的频率范围为2GHz～18GHz，且频率范围对应的波长的范围为150mm～17mm。

优选的，所述接收天线的方向与所述平面波所在辐射场轴线方向平行，极化方向与所述平面波所在辐射场极化方向一致。

优选的，所述以大于八分之一最小干涉波周期的时间间隔采集并记录来自所述接收天线测得的平面波信号。

优选的，所述将来自接收天线的平面电信号转换成光信号再进行传输，然后再将光信号转化为电信号进行计算得到平面波的幅度和相位信息。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案，与现有技术相比优点在于：

1、应用直角坐标扫描技术实现对平面波幅相性能的校准测量；

2、采用直角坐标扫描方法对紧缩场可以进行点频扫描测量和连续扫频测量两种测量模式；

3、本发明采用的校准***可以对2GHz～18GHz频率范围内紧缩场平面波幅相性能进行校准。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***的组成示意图；

图2示出本发明实施例中一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***及方法中直角扫描架取值坐标示意图；

图3-a和3-b示出本发明实施例中一种平面波幅性能直角坐标扫描校准方法中LS波段水平方向2GHz垂直极化VV条件下幅度/相位测试曲线示意图；

图4-a和4-b示出本发明实施例中一种平面波幅性能直角坐标扫描校准方法中XC波段水平方向8GHz水平极化HH条件下幅度/相位测试曲线示意图；

图5-a和5-b示出本发明实施例中一种平面波幅性能直角坐标扫描校准方法中Ku波段垂直方向16GHz垂直极化VV条件下幅度/相位测试曲线示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

紧缩场是采用反射面将馈源产生的球面波在近距离内变换为平面波，从而满足远场条件的测试场地。紧缩场性能指标主要包括幅度变化和相位变化两项指标。

幅度变化定义为：检测平面与水平或垂直平面交线上幅度对数最大值与最小值之差。引起检测平面上幅度变化的因素有两种，一种是幅度锥削(Taper)，另一种是幅度波纹(Ripple)。通过计算测量幅度的对数最大值与最小值之差得出幅度不平度，在此基础上通过测试曲线拟合得到幅度锥削和幅度波纹。幅度锥削为拟合曲线的最大值与最小值之差，幅度波纹为拟合曲线与测量曲线的最大差值。

相位变化定义为：检测平面与水平或垂直平面交线上相位最大值与最小值之差，通过计算测量相位的最大值与最小值之差得出相位不平度。

如图1所示，本发明公开了一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***，该***包括直角坐标扫描架101、接收天线102、低噪声放大器103、矢量网络分析仪104、功率放大器105、馈源106、网络交换机107、扫描架控制机箱108、控制计算机109和紧缩场反射面110。

校准***的发射部分包括矢量网络分析仪104源端、功率放大器105、馈源106，矢量网络分析仪104源端产生一个测试信号，由电缆送入功率放大器，通过功率放大器105增大输入信号功率后送入馈源106，馈源106产生球面波经紧缩场反射面110转变成平面波。校准***的接收部分包括接收天线102、低噪声放大器103和矢量网络分析仪104接收端、电缆等。

直角坐标扫描架101，能够完成水平和竖直两种状态下接收天线102在导轨上的直线运动，并可以调整接收天线102极化方向，可以使接收天线102在静区内完成直线扫描运动，扫描平面应与静区辐射场主轴方向垂直。接收天线102在扫描平面内移动的同时记录下接收天线102收到的幅度和相位信息，然后分析静区内的幅度和相位分布，可以得到紧缩场的性能数据。在本发明实施例中，直角坐标扫描架101是一个比较关键的设备，直角坐标扫描架101定位精度要求比较高，在2GHz～18GHz频率范围内相应的波长在150mm～17mm之间，按相位变化小于1°的要求，接收天线102的定位准确度要求在0.42mm～0.047mm之间，频率越高对直角坐标扫描架101的定位要求就越高。

低噪声放大器103，用于过滤来自接收天线的信号中的噪声，并对过滤后的信号进行放大；

矢量网络分析仪104接收端将接收来自低噪声放大器103输出的信号并与馈源106发射的电磁波幅相特性进行比较产生紧缩场幅相特性变化曲线。

计算机109通过GPIB接口卡控制矢量网络分析仪104，用于设置测量参数和数据采集。

本发明还公开了一种平面波幅性能直角坐标扫描校准方法，该方法包括

S1、如图1所示，连接测量设备；

S2、将测试扫描架准确定位，保证接收天线在测试平面内移动；

S3、将接收天线的指向调至与辐射轴线平行方向，极化方向调至与辐射场极化方向一致；

S4、将矢量网络分析仪源端信号输出幅度调至满足测试要求为止，并保持不变；

S5、将接收天线在测量平面内水平移动，以不大于八分之一最小干涉波周期间隔记录接收到的信号；

S6、在垂直方向的不同高度上选择不同高度重复步骤第五步；

S7、在每个测量频率下，重复S6和S7，直至完成所有测量频率的测量。

S8、对测量数据处理，幅度变化值计算公式如下：

Aν＝Amax-Amin(1)

式(1)中：Aν-幅度变化，dB；Amax-测试平面内测得的信号幅度最大值，dBm；Amin-测试平面内测得的信号幅度最小值，dBm；

相位变化值计算公式如下：

Pν＝Pmax-Pmin(2)

式(2)中：Pν-相位变化，°；Pmax-测试平面内测得的信号相位最大值，°；Pmin-测试平面内测得的信号相位最小值，°；

本发明所述校准方法是通过在直角坐标扫描架上固定的接收天线，通过接收天线在与辐射场传播方向正交的直角坐标扫描架上移动对紧缩场天线***静区内各点的微波振幅和相位进行检测的方法，即用接收天线通过直角坐标扫描法对紧缩场天线测试***静区内的幅相特性进行校准，得到所述信号的幅度和相位的指标特性。测试时在每个截面上通过移动接收天线测出静区内的幅度和相位分布，从而达到对紧缩场天线***性能的校准。

在紧缩场天线***的校准过程中使用的接收天线会根据紧缩场天线***的实际使用情况和具体要求进行直角坐标扫描校准测试，但是根据实际的测试需要和工作量的要求，大部分的校准过程通常只对紧缩场天线测试***静区内所关心的截面或所关心的方位上来进行校准，校准截面通常选择在天线测试***静区内的前、中、后三个截面上，扫描方位或扫描线通常选为天线测试***被校准静区截面上检测平面的“十字型线”或“米字型线”。

理想平面波情况下，在紧缩场静区平面波等相位面上探测到的场的幅度应该只呈理想锥削分布，相位恒定不变。实际工程上不可能做到这一点。根据具体应用不同，工程上对等相面上的幅度和相位变化提出一定的考核指标。例如在厘米波波段，可规定幅度变化峰峰值小于1dB，相位变化峰峰值小于10度。

本发明所述校准方法目的是获取紧缩场静区的特征位置的幅相特性，因此校准测试的数据要能够反映紧缩场天线测试***整个静区的特性。具体在结果测量同极化幅度不平度和相位不平度指标时，在中心截面十字线上进行两种极化(水平极化和垂直极化)测量，均以该频段中心频率的半波长左右间距进行采样。每个测试频点需要幅度曲线4条和相位曲线4条。将在上(U)、下(D)、左(L)、右(R)四个方位进行。

测试时，直角坐标扫描架在静区垂直于来波方向截面的水平和竖直十字线上进行，如图3所示，每次测试时水平方向(X轴)从L(左)到R(右)移动直角坐标扫描架进行测量取值，垂直方向(Y轴)从D(下)到U(上)移动直角坐标扫描架进行测量取值。

测试共包括5个频段，从低到高分别为：LS波段的2GHz、XC波段的8GHz和Ku波段的16GHz。测试包含垂直VV与水平HH两种极化方式，各波段扫频测量，设置适当的中频带宽及频率间隔，数据处理时加时域门，每个波段分别抽取三个频点进行数据统计，分别得出水平及垂直方向的幅度变化(幅度不平度)、幅度锥削、幅度波纹及相位变化。例如：得到抽取频点如表1所示的LS波段水平方向2GHz垂直极化VV条件下幅度/相位测试值、XC波段水平方向8GHz水平极化HH条件下幅度/相位测试值和Ku波段垂直方向16GHz垂直极化VV条件下幅度/相位测试值，最后根据3个波段的不同频率下的幅度/相位测试值得出如图4-a、4-b，图5-a、5-b，图6-a、6-b所示的幅度与相位测试曲线。

测试数据统计如表1所示：

表1测试数据统计表

综上所述，本发明所述方案采用直角坐标扫描法进行紧缩场平面波的幅相性能校准测量，在静区范围内通过移动接收天线测出紧缩场测试频点或频段上静区内的幅度和相位分布，从而实现对紧缩场静区平面波幅相特性测量校准的目的。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种平面波幅性能直角坐标扫描校准***，其特征在于，所述该***包括

接收天线、平面波输入模块、直角坐标扫描架、采集及处理模块；

所述平面波输入模块，用于输入能够均匀照射在所述静区内的平面波信号；

所述直角坐标扫描架，用于在所述静区中心截面十字线上进行水平极化和垂直极化方向移动；

所述接收天线，安装在与所述平面波所在辐射场信号传播方向正交的直角坐标扫描架上，用于对所述静区内的平面波信号进行探测；

所述采集及处理模块，用于采集来自所述接收天线测得的平面波信号，并计算得到所示平面波的幅度和相位信息。

2.根据权利要求1所述的直角坐标扫描校准***，其特征在于，所述直角坐标扫描架的频率范围为2GHz～18GHz，且频率范围对应的波长的范围为150mm～17mm。

3.根据权利要求1所述的直角坐标扫描校准***，其特征在于，所述接收天线的方向与所述平面波所在辐射场轴线方向平行，极化方向与所述平面波所在辐射场极化方向一致。

4.根据权利要求1所述的直角坐标扫描校准***，其特征在于，所述采集及处理模块，以大于八分之一最小干涉波周期的时间间隔采集并记录来自所述接收天线测得的平面波信号。

5.根据权利要求1所述的直角坐标扫描校准***，其特征在于，所述信号采集及处理模块包括光电变换单元，用于将来自接收天线的平面电信号转换成光信号再进行传输，然后再将光信号转化为电信号进行数据分析。

6.一种平面波幅性能直角坐标扫描校准方法，其特征在于，所述方法包括

S1、将矢量网络分析仪源端产生的测试信号经功率放大器、馈源及紧缩场反射面产生的平面波均匀照射静区内；

S2、将直角坐标扫描架在所述静区中心截面十字线上进行水平极化和垂直极化方向移动；

S3、将接收天线安装在与所述平面波所在辐射场信号传播方向正交的直角坐标扫描架上，用于对所述静区内的平面波信号进行探测；

S4、采集来自所述接收天线测得的平面波信号，并计算得到所示平面波的幅度和相位信息。

7.根据权利要求6所述的直角坐标扫描校准方法，其特征在于，所述直角坐标扫描架的频率范围为2GHz～18GHz，且频率范围对应的波长的范围为150mm～17mm。

8.根据权利要求6所述的直角坐标扫描校准方法，其特征在于，所述接收天线的方向与所述平面波所在辐射场轴线方向平行，极化方向与所述平面波所在辐射场极化方向一致。

9.根据权利要求6所述的直角坐标扫描校准方法，其特征在于，所述以大于八分之一最小干涉波周期的时间间隔采集并记录来自所述接收天线测得的平面波信号。

10.根据权利要求6所述的直角坐标扫描校准方法，其特征在于，所述将来自接收天线的平面电信号转换成光信号再进行传输，然后再将光信号转化为电信号进行计算得到平面波的幅度和相位信息。