CN106291133A - 一种uhf波段宽频带dbf阵列天线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，应用于阵列天线测试技术领域。本发明方法仅通过一次测试获得待测阵列天线的各个天线单元方向图，然后对所述天线单元方向图进行数据处理，即可获得所述待测阵列天线全频带内所有扫描角度的方向图。测试时通过控制所述待测阵列天线的各个天线单元的输出获得所述天线单元的方向图。对所述天线单元方向图的数据处理包括相位校准和方向图合成两部分。本发明降低了UHF频段DBF天线测试***的复杂度以及对测试场地的依赖，简化了测试流程，极大的提高了测试的通用性及测试效率。

Description

一种UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法

技术领域

本发明涉及阵列天线测试技术领域，更具体地说，涉及一种UHF(Ultra HighFrequency，300MHz-1000MHz)波段宽频带DBF(Digital Beam Forming，缩写DBF)阵列天线测试方法。

背景技术

数字波束形成是在现代数字集成电路飞速发展、数字器件运算能力日益强大基础上进行的一种在数字域上形成雷达发射和接收波束的技术处理手段。它将各个阵元的接收信号转换到基带，并变成数字信号，然后对数字信号作移相等处理而形成所需的多个波束。采用数字波束技术，相控阵雷达可以利用同一天线口径形成多个独立的发射波束和接收波束，可以提高雷达的搜索数据率和跟踪数据率；灵活控制波束指向，使接收天线波束具有自适应能力，使雷达能同时自适应地进行空域和时域滤波；充分利用波束能量，采用有效的测量方法，实现对目标参数的精确测量。

DBF天线的上述特点要求必须具备高精度大动态的测量技术和设备才能对天线进行精确的测量。由于DBF天线采用全数字接口，因而与传统天线近场测量***中的接收混频和下变频并不兼容，需要在天线测量***采用专门设计的DBF接收机。DBF接收机是专门为DBF天线设计的接收机，具有多个通道的I/Q数字输入，且每个通道均有很高的动态范围。DBF接收机不仅解决了DBF天线的测量问题，而且与传统接收机相比具有更强的功能，在灵敏度、动态范围、噪声基和测量速度等方面都优于模拟信号接收机。此外还需要对近场数据进行处理才能得到待测天线的远场辐射特性。

目前，天线近场测试***测试UHF频段DBF阵列天线时存在如下问题：

1)UHF频段阵列天线在近场测试时，暗室内吸波材料对该频段电磁波的吸收率低，导致探头与待测天线之间的耦合太强，降低天线的测试精度；

2)在暗室内近场测试大口径的DBF阵列时，由于暗室内有限空间而造成的扫描面的截断误差较大，会明显影响天线的测试精度；

3)近场测试时，单次天线测试的测试时间长，由温度漂移引起的测试误差会降低天线的测试精度；

4)DBF接收机等成本高，***搭建复杂，测试代价高。

针对上述UHF波段的DBF阵列天线测试中存在的问题，目前常用的测试方法有：

1)在足够大的微波暗室内对天线进行远场测试；

2)在露天测试场测试天线，在测试过程中采取必要的手段尽量减少环境对天线的影响。

虽然微波暗室内远场测试能够有效屏蔽外界电磁干扰，可以全天候测试、对天线起到保护作用。但是，国内能满足测试距离要求的暗室少，测试通用性不高。而且由有限测试距离引入的误差不能满足天线对测试精度的要求。另外，目前具备DBF接收机的测试环境少，具备宽带接收机的则更少，无论微波暗室内测试还是外场测试均受到复杂测试***的限制。

综合以上，露天测试场测试UHF波段DBF阵列天线相比微波暗室内测试具备很大的优势，包括以下几点：

1)露天测试场的场地容易选择，野外空旷的场地均可作为天线的测试场地；

2)外场测试时，待测天线与辅助天线的间距可以足够远，这样就消除了有限测试距离带来的方向图和增益测试误差；

3)国内满足天线对测试距离要求的暗室较少，测试通用性较差；

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种在远场精确测试UHF频段DBF阵列天线的方法，使用该方法测试天线时，不需要传统天线测试***中的接收混频模块和下变频模块，同时也不需要专用的DBF接收机。

(二)技术方案

本发明的技术方案如下：

一种UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，通过测试获得待测阵列天线的各个天线单元方向图，然后对所述天线单元方向图进行数据处理，获得所述待测阵列天线全频带内所有扫描角度的方向图。

测试时通过控制所述待测阵列天线的各个天线单元的输出，获得所述天线单元的方向图。所述天线单元的输出由单刀多掷开关控制，所述单刀多掷开关能够在各个天线单元之间快速切换。所述待测阵列天线由转台控制转动，所述转台在伺服控制器的控制下能够沿方位向0°～360°转动以及沿俯仰向-45°～90°转动。测试时使用UHF频段对数周期天线作为标准天线和参考天线；由所述标准天线发射信号，所述待测阵列天线和参考天线接收所述发射信号，并将所述待测阵列天线和参考天线的接收信号在矢量网络分析仪内做比值处理。所述比值处理的目的是获得所述待测阵列天线和参考天线的接收信号的幅度比和相位差。

所述数据处理包括相位校准和方向图合成。所述相位校准在相位校准软件进行，调整所述天线单元的相位中心和测试中心重合，对所述天线单元的方向图的幅度和相位数插值，恢复所述天线单元在原位置的方向图。所述方向图合成通过方向图合成软件进行，包括对所述天线单元的方向图配相位加权值，合成天线阵列方向图，得到所述待测阵列天线在全频带内所有扫描角度下的方向图。

(三)有益效果

(1)转台转动一圈即可得到天线所有频率在不同扫描角下的方向图，有效的缩短了测试时间，提高了测试效率；

(2)单刀多掷开关快速切换各天线单元的输出，有效的缩短了测试时间，减小了长时间测试造成的相位漂移，提高了相位方向图的测试精度。通过相位校准，并对实测步进角进行插值，提高了波束合成精度；

(3)天线测试过程中无需增加DBF接收机等专用测试设备，降低了测试***复杂度及测试成本。

(4)消除了近场测试探头和待测天线间的耦合，以及由有限空间而造成的扫描面的截断误差，提高天线的测试精度；

附图说明

图1是根据本发明的一种UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法实施例流程图；

图2是根据本发明实施例的相同天线法标定天线单元增益测试框图；

图3是根据本发明实施例的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试框图；

图4是根据本发明实施例的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法的相位校准流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

直流电源1；功率放大器2；射频电缆3；天线单元4；转台5；转台控制器6；控制电缆7；矢量网络分析仪8；测试计算机9；UHF频段对数周期天线10；***11；滑轨12；单刀三十二掷微波开关13；待测阵列天线14；光纤15；升降杆16。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种在远场精确测试UHF频段DBF阵列天线的方法。使用该方法测试天线时，不需要传统天线测试***中的接收混频模块和下变频模块，同时也不需要专用的DBF接收机，通过控制转台转动结合单刀多掷开关切换天线各单元的输出来获得天线单元方向图，通过后期的相位校准和方向图合成得到待测阵列天线全频带内所有扫描角度的方向图，降低了阵列天线的测试成本，极大的提高了测试效率。本发明以UHF频段的4×8DBF阵列天线为例具体说明。

图1是根据本发明的一种UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法实施例流程图，测试流程如下：

本发明实施例中以UHF频段对数周期天线作为标准天线和参考天线，待测阵列天线后端接单刀三十二掷微波开关。用瞄准镜将标准天线与待测阵列天线的轴向对准，矢量网络分析仪的一端口输出射频信号至标准天线，标准天线发射信号，由参考天线与待测阵列天线接收。待测阵列天线安装在转台上，由转台沿方位向转动，同时通过快速切换单刀三十二掷微波开关，控制待测阵列天线各个天线单元的输出。待测阵列天线与参考天线的接收到的信号分别输出至矢量网络分析仪的二、三端口，经矢量网络分析仪内部处理后，得到两通道输入信号的幅度比和相位差。对应转台一次转动360°，就可得到待测阵列天线所有的天线单元的方向图。

然后对待测阵列天线的所有的天线单元的方向图做数据处理。数据处理分为相位校准和方向图合成两部分。相位校准时，在相位校准软件上，以转台中心作为基准点，调整每个天线单元偏离转台中心的位置，使天线单元的相位中心与转台中心重合，天线单元相位方向图在3dB波束宽度内尽量平坦。记录下此时天线单元的偏移距离和偏移相位差。对单元方向图的幅度和相位数值插值，恢复天线单元在原位置上的方向图。

最后，根据方向图乘积定理合成波束，分别对天线单元配不同的移向值，即可得到待测天线在全频带内对应扫描角度下的方向图。一次测试即可得到待测天线在全频带内所有扫描角度的方向图。

本发明中，转台在伺服控制器的控制下可沿能够沿方位向0°～360°转动以及沿俯仰向-45°～90°转动。参考天线与标准天线为UHF频段的对数周期天线，参考天线与待测阵列天线的接收信号在矢量网络分析仪内部做比值处理，消除了因地面反射等外界环境干扰造成的待测天线单元方向图的抖动。瞄准镜的主要作用是将标准天线与待测天线的轴向对准。

本发明的具体操作步骤如下：

步骤1：选定空旷野外场地作为天线的测试场地。

步骤2：相同天线法标定天线单元的增益。图2是根据本发明实施例的相同天线法标定天线单元增益测试框图。选定几个相同且同一批次加工的天线单元，分别测试天线单元的驻波，选定驻波曲线最接近的两天线单元分别作为信号发射天线单元4和信号接收天线单元4，用矢量网络分析仪8标定射频电缆3的损耗。信号发射天线单元4安装于升降杆16上，信号接收天线单元4架设在转台5上，用瞄准镜将信号发射天线单元4与信号接收天线单元4轴向对准。矢量网络分析仪8的一端口输出的射频信号经功率放大器2放大后输入至信号发射天线单元4，由信号发射天线单元4发射信号，信号接收天线单元4接收信号。信号接收天线单元4接收的信号输入至矢量网络分析仪8的二端口。具体测试过程如下：

(1)按照图2所示搭建测试***，信号发射天线单元4和信号接收天线单元4的间距满足远场条件，信号发射天线单元4和信号接收天线单元4距离地面大于1.5m，信号发射天线单元4与信号接收天线单元4几何中心须架设在同等高度，并用瞄准镜将两天线单元轴向对准，将信号发射天线单元4与信号接收天线单元4置于同极化。

(2)开启直流电源1，分别对矢量网络分析仪8、转台5、功率放大器2加电，对***预热。

(3)测试计算机9通过控制电缆7向转台控制器6发出控制指令，控制转台5沿方位向转动360°，得到矢量网络分析仪8在各个方位角下的S₂₁值(S₂₁指的是对于多端口网络，端口1匹配时，由端口2到端口1的传输系数)；将测试得到的功率电平、电缆损耗、空间损耗进行计算，得到信号接收天线单元4的增益。计算公式如下：

$G_{dB}=\frac{1}{2}\[-20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}R}{\mathrm{\λ}}\right)+P-L\]---\left(1\right)$

上式中，R为标准天线单元与待测天线单元之间的间距，单位：m；

λ为天线的工作波长，单位：m；

P为矢量网络分析仪S₂₁插损，单位：dB；

L为所有连接电缆损耗，单位：dB。

为了进一步消除由于加工误差所引起的测量误差，将信号发射天线单元4和信号接收天线单元4互换，重复以上测试过程。取两次测试结果的平均值作为天线单元4的增益值。

步骤3：测试DBF阵列天线的方向图。图3是根据本发明实施例的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试框图。本实施例中待测阵列天线14共有32个天线单元，标准天线10和参考天线10均采用工作在UHF频段的对数周期天线。标准天线10安装在滑轨12上，可沿着滑轨12上下移动，移动的角度范围为0°～90°。标准天线10与待测阵列天线14的间距为100m，满足阵列天线的远场测试条件。转台5位于弧形滑轨12的圆心处，待测阵列天线14和参考天线10安装于转台上。矢量网络分析仪8一端口输出的射频信号经***11的调制、光纤15的传输及***11的解调，进入功率放大器2，然后通过标准天线10发射，由待测阵列天线14和参考天线10接收。待测阵列天线14和参考天线10接收到的信号分别输入至矢量网络分析仪8的二、三端口。为了有效抑制地面反射，标准天线10、待测阵列天线14和参考天线10距离地面高度大于2.5m。

完成图3所示的测试***搭建与对准后，开始测试天线，具体测试过程如下：

(1)开启直流电源1，分别对矢量网络分析仪8、转台4、功率放大器2、单刀三十二掷微波开关13加电，并对***预热；

(2)对单刀三十二掷微波开关13及开关后端射频电缆3的幅度、相位的不一致性进行标定；

(3)将标准天线10沿着滑轨12升高，使得标准天线10的轴线与地面夹角为30°。将瞄准仪架没在待测阵列天线14的几何中心上，测试计算机9通过控制电缆7向转台控制器6发送指令，控制转台5沿俯仰向转动，并使用瞄准镜对准，使得待测阵列天线14与标准天线10轴向对准。将标准天线10、待测阵列天线14和参考天线10置于同极化；

(4)控制转台5沿方位向转动360°，测试待测阵列天线14。在测试过程中，矢量网络分析仪8发射的射频信号经过***11的调制，光纤15的传输及***11的解调，接入发射端的功率放大器2，然后通过标准天线10辐射出指定频率的信号，参考天线10和待测阵列天线14接收，测试计算机9通过向单刀三十二掷微波开关13发送控制指令来实现单刀三十二掷微波开关13快速切换待测阵列天线14各天线单元的输出。参考天线10和待测阵列天线14将接收到的信号分别输出至矢量网络分析仪8的二、三端口，经过矢量网络分析仪8的内部处理，输出两路信号的幅度比和相位差，进而得到待测阵列天线各个天线单元的方向图；

(5)记录测试结果及转台的旋转轴角度，作为天线阵的置零角。

(6)用UHF频段的一分三十二功分器替换单刀三十二掷微波开关，重复上述测试过程，得到待测阵列天线14的合成法向方向图。

在测试过程中，单刀三十二掷微波开关13快速切换各天线单元的输出，通过向开关发送控制指令来实现各天线单元接收通道的选通，缩短测试时间，提高了测试效率，同时减少了由温度漂移引起的测试误差。

步骤4：测试DBF阵列天线增益。用步骤2中已标定好增益的天线单元4替换步骤3中的待测阵列天线14，重复步骤3测试过程。按照公式(2)计算出待测天线的增益。

G_待测＝G_标准+P_Amax-P_Bmax+L_loss-G_m (2)

式中：G_标准-已标定好的天线单元4的增益，dBi；

G_待测-待测阵列天线14的增益，dBi；

P_Amax-待测天线最大值方向的功率电平，dBm；

P_Bmax-已标定好的天线单元最大值方向的功率电平，dBm；

L_loss-电缆损耗，dBm；

G_m-功率放大器的增益，dBm。

步骤5：对步骤3中的测试数据进行数据分析合成。数据的分析合成主要分为相位校准和方向图合成两部分。

相位测试通常比幅度测试对***的要求更高，为保证测试精度，相位方向图最好能在尽量短的时间内完成，与此同时，鉴于待测阵列天线14的端口数量较多，选用一分多路开关及增大步进角间隔两种方式，可以大大缩短测试周期。而步进角的增大会影响波束合成的精度，因此就需要进行相位校准，对实测步进角进行插值，以提高波束合成精度。

图4是根据本发明实施例的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法的相位校准流程图。相位校准原理如下，在相位校准软件中，以图3中的转台5中心作为基准点，调整待测阵列天线14的每个天线单元偏离转台5的前后、左右距离，使得该天线单元的相位起伏在扫描角范围尽量平整，从而确保天线相位中心处于转台5中心位置，记录下最佳偏离距离，同时记录下每个天线单元偏移的相位差Δφ₁、Δφ₂、...、Δφ_n。天线扫描角为θ时对应的理想移相值为φ₁、φ₂、...、φ_n。实际配相时，天线单元分别对应的配移相值为Φ₁＝φ₁+Δφ₁、Φ₂＝φ₂+Δφ₂、...、Φ_n＝φ_n+Δφ_n。

方向图的合成是根据方向图乘积定理，利用公式(3)计算出天线阵方位面的合成波束，并绘制出天线的方位面方向图。

$P_{total}\left(\mathrm{\θ}\right)=20\×\lg \[\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}({10}^{\frac{p_i\left(\mathrm{\θ}\right)}{20}}\×e^{{\mathrm{j\Φ}}_i\left(\mathrm{\θ}\right)})\]---\left(3\right)$

上式中，N为天线阵列数；

P_total为计算得出的天线阵接收幅度电平，单位：dBm；

P_i为第i列天线子阵接收幅度，单位：dBm；

Φ_i为第i列天线子阵配相值，单位：rad。

一次测试完成后，就可以得到待测阵列天线14的各个天线单元的方向图，对每个天线单元配移相值Φ₁、Φ₂、...、Φ_n，即可得到待测阵列天线14在全频带内，该移相量对应扫描角度下的扫描方向图，极大的提高了天线的测试效率。

将合成的法向方向图与在待测阵列天线14后端接功分器时测试得到的方向图做比较，结果表明两方向图一致性很好，证明了本发明的有效性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，

测试获得待测阵列天线的各个天线单元方向图；

对所述天线单元方向图进行数据处理，获得所述待测阵列天线全频带内所有扫描角度的方向图。

2.根据权利要求1所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，测试时通过控制所述待测阵列天线的各个天线单元的输出，获得所述天线单元的方向图。

3.根据权利要求1所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，所述天线单元的输出由单刀多掷开关控制，所述单刀多掷开关能够在各个天线单元之间快速切换。

4.根据权利要求1所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，所述待测阵列天线由转台控制转动，所述转台在伺服控制器的控制下能够沿方位向0°～360°转动以及沿俯仰向-45°～90°转动。

5.根据权利要求1所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，测试时使用UHF频段对数周期天线作为标准天线和参考天线；所述标准天线发射信号，所述待测阵列天线和参考天线接收所述发射信号，并将接收到的信号在矢量网络分析仪内做比值处理。

6.根据权利要求5所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，所述比值处理的目的是获得所述待测阵列天线和参考天线的接收信号的幅度比和相位差。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，所述数据处理包括相位校准和方向图合成。

8.根据权利要求7所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，所述相位校准在相位校准软件进行，调整所述天线单元的相位中心与测试中心重合，对所述天线单元的方向图的幅度和相位数插值，恢复所述天线单元在原位置的方向图。

9.根据权利要求7所述的UHF波段宽频带DBF阵列天线测试方法，其特征在于，所述方向图合成通过方向图合成软件进行，包括对所述天线单元的方向图配相位加权值，合成天线阵列方向图，得到所述待测阵列天线在全频带内所有扫描角度下的方向图。