CN110018361B - 一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法及*** - Google Patents

一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法及*** Download PDF

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Abstract

一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，包括如下步骤：步骤一、采用平面近场测量***，测量待测相控阵天线在某频率的近场矢量数据；步骤二、利用信号源、频谱仪、探头，测量待测相控阵天线口面中心在步骤一中所述频率下的载噪比；标定探头发射的信号功率；步骤三、利用步骤二中所述的载噪比、信号功率、探头的增益，和，步骤一中所述的近场矢量数据，计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值。本发明方法对场地尺寸需求较小，避免了误差积累，测量精度高。

Description

一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法及***
技术领域
本发明涉及一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法及***，属于天线近场测量技术。
背景技术
相控阵天线接收***中，通常将天线增益与***噪声温度之比称为增益噪声温度比值(简称G/T值)。G/T值用于衡量接收***灵敏度，G/T值越高，表明天线接收或检测检微弱信号的能力越强。因此，G/T值是相控阵天线***的关键技术指标，是评价相控阵天线是否完成既定设计的重要依据。
传统相控阵天线G/T值测量方法，根据被测相控阵天线口径尺寸和结构特点，主要有间接测量和直接测量两种方法。
间接测量方法是指将相控阵天线接收增益和等效噪声温度分别测量。间接测量方法通常使用近场、远场天线方向图测试***测得相控阵天线增益，使用频谱分析仪或功率计测得相控阵天线等效噪声温度，通过数学运算得到相控阵天线G/T值。由于间接测量方法对接收增益和等效噪声温度独立测量，误差积累导致方法测量精度较低，工程中应用较少。
直接测量方法通常在天线远场或紧缩场实验室进行，借助功率已知的辅助照射信号，测量相控阵天线输出信号的载噪比，获得天线G/T值。直接测量方法无需单独测量增益和等效噪声温度，避免了多参数分别测量时的误差积累，测量精度较高。直接测量方法要求实验室的测量静区尺寸大于相控阵天线的辐射口径，这对于口径较大相控阵雷达天线，常规天线远场实验室通常难以满足，限制了方法应用范围。
为满足大口径或毫米波相控阵天线G/T值精确测量需求，需探索新的G/T值测量方法，在保证测量精度的同时又不需要较大的测量距离，满足工程实际测量需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于天线平面近场方向图测量***的相控阵天线G/T值测量方法，方法借助平面近场测量***和通用微波仪表，实现相控阵天线G/T值在近场的精确测量，满足了大型相控阵天线G/T值测控需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，包括如下步骤：
步骤一、采用平面近场测量***，测量待测相控阵天线在某频率的近场矢量数据；
步骤二、利用信号源、频谱仪、探头，测量待测相控阵天线口面中心在步骤一中所述频率下的载噪比；标定探头发射的信号功率；
步骤三、利用步骤二中所述的载噪比、信号功率、探头的增益，和，步骤一中所述的近场矢量数据，计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，步骤三中所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值G/T为：
Figure BDA0002007718450000021
式中，π为圆周率，k为波尔兹曼常数，λ为测试频率对应的电磁波波长，δx为探头在平面近场测量***的扫描架x轴方向的采样步进，δy为探头在平面近场测量***的扫描架y轴方向的采样步进，
Figure BDA0002007718450000022
为扫描平面上(x，y)位置点归一化后的探头接收矢量数据，j为虚数单位，e为自然常数，
Figure BDA0002007718450000023
为波矢在扫描平面上的投影矢量，
Figure BDA0002007718450000025
为探头位置矢量，
Figure BDA0002007718450000024
为载噪比，Pin为探头发射的信号功率，GP为探头的增益。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，步骤一中，平面近场测量***的探头口面与待测相控阵天线口面之间的距离大于3～5倍测试频率对应的电磁波波长；平面近场测量***的探头的采样间隔小于等于0.5倍测试频率对应的电磁波波长，平面近场测量***的探头在平面近场测量***的扫描区域边缘接收到的测量电平至少比扫描区域内的峰值电平低30dB。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，步骤二中，测量待测相控阵天线口面中心在步骤一中所述频率下的载噪比时，所述信号源输出单载波信号。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，步骤二中，利用功率测量装置标定探头发射的信号功率。
一种相控阵天线增益噪声温度比值测量***，包括平面近场测量子***、频谱测量装置、功率测量装置；所述平面近场测量子***至少包括信号源、探头、测试计算机；
所述平面近场测量子***用于测量待测相控阵天线在某频率的近场矢量数据；所述信号源用于向所述探头输出某一信号，所述频谱测量装置用于测量待测相控阵天线口面中心在信号源输出的所述信号下的载噪比；所述功率测量装置用于标定探头发射的信号功率；
所述测试计算机根据所述载噪比、信号功率、探头的增益、近场矢量数据计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量***，所述测试计算机计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值G/T的方法为：
Figure BDA0002007718450000031
式中，π为圆周率，k为波尔兹曼常数，λ为测试频率对应的电磁波波长，δx为探头在平面近场测量子***的扫描架x轴方向的采样步进，δy为探头在平面近场测量子***的扫描架y轴方向的采样步进，
Figure BDA0002007718450000032
为扫描平面上(x，y)位置点归一化后的探头接收矢量数据，j为虚数单位，e为自然常数，
Figure BDA0002007718450000033
为波矢在扫描平面上的投影矢量，
Figure BDA0002007718450000034
为探头位置矢量，
Figure BDA0002007718450000035
为载噪比，Pin为探头发射的信号功率，GP为探头的增益。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量***，平面近场测量子***的探头口面与待测相控阵天线口面之间的距离大于3～5倍测试频率对应的电磁波波长；平面近场测量子***的探头的采样间隔小于等于0.5倍测试频率对应的电磁波波长，平面近场测量子***的探头在平面近场测量子***的扫描区域边缘接收到的测量电平至少比扫描区域内的峰值电平低30dB。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量***，所述信号源用于向所述探头输出某一单载波信号。
上述相控阵天线增益噪声温度比值测量***，所述频谱测量装置为频谱仪，所述功率测量装置为功率计。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)相比在远场或紧缩场进行的G/T值直接测量方法，本发明采用平面近场测量***实现了相控阵天线G/T值的精确测量，该方法不再需要被测天线与辅助测量天线满足远场距离，对场地尺寸需求较小；
(2)相比在远场或紧缩场进行直接测量方法，本发明在平面近场进行相控阵天线的G/T值测量，可以与相控阵天线的调试校正统一试验场地，避免了相控阵天线在各实验室间反复周转，缩短了相控阵天线的研制周期；
(3)相比在平面近场进行的G/T值间接测量方法，本发明通过建立以近场探头作发射、被测相控阵天线作接收的收发链路对相控阵天线增益和和等效噪声温度统一测量，避免了两者独立测量时的误差积累，测量精度较高。
附图说明
图1为本发明方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例被测天线在平面近场架设示意图；
图3为本发明实施例典型平面近场测试***框图；
图4为本发明实施例频谱仪与信号源连接示意图；
图5为本发明实施例与远场直接方法G/T值测量结果比较。
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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤101、采用平面近场测量***，测量待测相控阵天线在某频率的近场矢量数据；平面近场测试***探头与待测相控阵天线之间的距离、平面近场探头采样间隔、平面近场探头扫描范围等设置与平面近场方向图测量标准一致。即平面近场方向图测量标准通常要求平面近场测量***的探头口面与待测相控阵天线口面之间距离大于3～5测试频率对应的电磁波波长，平面近场探头采样间隔小于等于0.5倍测试频率对应的电磁波波长，平面近场探头在扫描区域边缘接收到测量电平至少比扫描区域内峰值电平低30dB。
步骤102、利用信号源输出信号源输出单载波信号给探头，频谱仪与待测相控阵天线连接，测量待测相控阵天线口面中心在步骤一中所述频率下的载噪比；利用功率计标定探头发射的信号功率。
步骤103、利用步骤102中所述的载噪比、信号功率、探头的增益，和，步骤101中所述的近场矢量数据，计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值。待测相控阵天线的增益噪声温度比值G/T为：
Figure BDA0002007718450000051
式中，π为圆周率，k为波尔兹曼常数，λ为测试频率对应的电磁波波长，δx为探头在平面近场测量***的扫描架x轴方向的采样步进，δy为探头在平面近场测量***的扫描架y轴方向的采样步进，
Figure BDA0002007718450000052
为扫描平面上(x，y)位置点归一化后的探头接收矢量数据，j为虚数单位，e为自然常数，
Figure BDA0002007718450000053
为波矢在扫描平面上的投影矢量，
Figure BDA0002007718450000054
为探头位置矢量，
Figure BDA0002007718450000055
为载噪比，Pin为探头发射的信号功率，GP为探头的增益。
一种相控阵天线增益噪声温度比值测量***，包括平面近场测量子***、频谱测量装置、功率测量装置；所述平面近场测量子***至少包括信号源、探头、测试计算机；
所述平面近场测量子***用于测量待测相控阵天线在某频率的近场矢量数据；所述信号源用于向所述探头输出某一信号，所述频谱测量装置用于测量待测相控阵天线口面中心在信号源输出的所述信号下的载噪比；所述功率测量装置用于标定探头发射的信号功率；
所述测试计算机根据所述载噪比、信号功率、探头的增益、近场矢量数据计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值。待测相控阵天线的增益噪声温度比值G/T的计算方法为：
Figure BDA0002007718450000061
式中，π为圆周率，k为波尔兹曼常数，λ为测试频率对应的电磁波波长，δx为探头在平面近场测量子***的扫描架x轴方向的采样步进，δy为探头在平面近场测量子***的扫描架y轴方向的采样步进，
Figure BDA0002007718450000062
为扫描平面上(x，y)位置点归一化后的探头接收矢量数据，j为虚数单位，e为自然常数，
Figure BDA0002007718450000063
为波矢在扫描平面上的投影矢量，
Figure BDA0002007718450000064
为探头位置矢量，
Figure BDA0002007718450000065
为载噪比，Pin为探头发射的信号功率，GP为探头的增益。
实施例：
本发明所提出的相控阵天线G/T值测量方法的基本思路可以概括为：
首先，将被测相控阵天线按照平面近场方向图测量状态架设在平面近场实验室内，借助平面近场测试***，测得被测相控阵天线近场幅度与相位数据；
其次，将近场探头移动到相控阵天线口面中心，断开平面近场测试***功放单元与探头之间的射频连接电缆，断开平面近场测试***混频模块与被测相控阵天线之间的射频连接电缆。将探头通过射频电缆与微波信号源连接，将被测相控阵天线的输出端口通过射频电缆与频谱仪连接；
再次，信号源发射辅助单载波信号，通过频谱仪测试被测相控阵天线输出信号的载噪比，标定此时馈入近场探头端口的单载波信号功率；
最后，通过数据计算，获得相控阵天线G/T值。
本发明实施例G/T值测量方法步骤如下：
步骤1：将被测相控阵天线按照方向图测试的要求架设在平面近场实验室内，如图2所示。平面近场测量***使用近场探头做发射，被测相控阵天线做接收，图3为典型的平面近场测试***连接框图。
步骤2：旋转探头极化方向，使探头和被测天线的极化方向一致，被测天线开机，设置为接收状态。
步骤3：根据G/T值测量频点f0，测试天线对应频点近场矢量数据
Figure BDA0002007718450000073
(x，y为探头采样位置)。x、y方向探头采样步进分别为δx、δy,测试时探头与被测天线口面之间距离大于3～5测试频率对应的电磁波波长、平面近场探头采样间隔小于等于0.5倍测试频率对应的电磁波波长，平面近场探头在扫描区域边缘接收到测量电平至少比扫描区域内峰值电平低30dB。
步骤4：将近场探头移动至天线口面正中心，断开与被测相控阵天线、近场探头连接的测试***电缆(如图3中电缆a、电缆b)。
步骤5：将近场探头与微波信号源连接，被测相控阵天线输出端口与频谱仪连接，如图4所示。
步骤6：设置信号源频率为f0，使信号源输出单载波信号，调整信号源输出功率，确认被测相控阵天线工作在线性区。通过频谱仪，记录被测相控阵天线输出信号的载噪比C/N0。
步骤7：断开与近场探头连接的射频电缆，使用功率计标定步骤6中近场探头馈电端口位置的信号功率Pin(见图4)。
步骤8：数据处理，被测相控阵天线天线G/T值为：
Figure BDA0002007718450000071
Figure BDA0002007718450000072
Figure BDA0002007718450000081
Figure BDA0002007718450000082
式中，
G/T，被测相控阵天线天线(线极化)G/T值，单位dB/K；
k，波尔兹曼常数，取值为1.3806505×10-23J/K；
λ，测试频率对应的电磁波波长；
Figure BDA0002007718450000083
扫描平面上天线口面中心对应位置点探头接收矢量数据；
Figure BDA0002007718450000084
扫描平面上(x，y)位置对应位置点探头接收矢量数据；
Figure BDA0002007718450000085
将
Figure BDA0002007718450000086
相对
Figure BDA0002007718450000087
归一化后的矢量数据；
δx，探头在平面近场测量子***的扫描架x轴方向的采样步进；
δy，探头在平面近场测量子***的扫描架y轴方向的采样步进；
Figure BDA0002007718450000088
波矢在扫描平面上的投影矢量；
kx，波矢
Figure BDA0002007718450000089
方向分量
ky，波矢
Figure BDA00020077184500000810
方向分量；
Figure BDA00020077184500000811
探头位置矢量；
Figure BDA00020077184500000812
载噪比；
Pin，探头发射的信号功率，单位W；
GP，探头的增益。
图5是使用本发明测量方法与远场直接测量方法G/T值测量结果对比，被测相控阵天线工作带宽为100MHz，选择中心频点和上下边频共3个频点分别进行G/T值测量，两种方法测试结果最大差异小于0.1dB，且每种方法测量结果均在另一种方法测量结果的误差范围以内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、采用平面近场测量***，测量待测相控阵天线在某频率的近场矢量数据；
步骤二、利用信号源、频谱仪、探头，测量待测相控阵天线口面中心在步骤一中所述频率下的载噪比；标定探头发射的信号功率；
步骤三、利用步骤二中所述的载噪比、信号功率、探头的增益，和，步骤一中所述的近场矢量数据，计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值；
步骤三中所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值G/T为：
Figure FDA0002967874180000011
式中，π为圆周率，k为波尔兹曼常数，λ为测试频率对应的电磁波波长，δx为探头在平面近场测量***的扫描架x轴方向的采样步进，δy为探头在平面近场测量***的扫描架y轴方向的采样步进，
Figure FDA0002967874180000012
为扫描平面上(x，y)位置点归一化后的探头接收矢量数据，j为虚数单位，e为自然常数，
Figure FDA0002967874180000013
为波矢在扫描平面上的投影矢量，
Figure FDA0002967874180000014
为探头位置矢量，
Figure FDA0002967874180000015
为载噪比，Pin为探头发射的信号功率，GP为探头的增益；
步骤一中，平面近场测量***的探头口面与待测相控阵天线口面之间的距离大于3～5倍测试频率对应的电磁波波长；平面近场测量***的探头的采样间隔小于等于0.5倍测试频率对应的电磁波波长，平面近场测量***的探头在平面近场测量***的扫描区域边缘接收到的测量电平至少比扫描区域内的峰值电平低30dB；
步骤二中，测量待测相控阵天线口面中心在步骤一中所述频率下的载噪比时，所述信号源输出单载波信号。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线增益噪声温度比值测量方法，其特征在于：步骤二中，利用功率测量装置标定探头发射的信号功率。
3.一种相控阵天线增益噪声温度比值测量***，其特征在于：包括平面近场测量子***、频谱测量装置、功率测量装置；所述平面近场测量子***至少包括信号源、探头、测试计算机；
所述平面近场测量子***用于测量待测相控阵天线在某频率的近场矢量数据；所述信号源用于向所述探头输出某一信号，所述频谱测量装置用于测量待测相控阵天线口面中心在信号源输出的所述信号下的载噪比；所述功率测量装置用于标定探头发射的信号功率；
所述测试计算机根据所述载噪比、信号功率、探头的增益、近场矢量数据计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值；
所述测试计算机计算所述待测相控阵天线的增益噪声温度比值G/T的方法为：
Figure FDA0002967874180000021
式中，π为圆周率，k为波尔兹曼常数，λ为测试频率对应的电磁波波长，δx为探头在平面近场测量子***的扫描架x轴方向的采样步进，δy为探头在平面近场测量子***的扫描架y轴方向的采样步进，
Figure FDA0002967874180000022
为扫描平面上(x，y)位置点归一化后的探头接收矢量数据，j为虚数单位，e为自然常数，
Figure FDA0002967874180000023
为波矢在扫描平面上的投影矢量，
Figure FDA0002967874180000024
为探头位置矢量，
Figure FDA0002967874180000025
为载噪比，Pin为探头发射的信号功率，GP为探头的增益；
平面近场测量子***的探头口面与待测相控阵天线口面之间的距离大于3～5倍测试频率对应的电磁波波长；平面近场测量子***的探头的采样间隔小于等于0.5倍测试频率对应的电磁波波长，平面近场测量子***的探头在平面近场测量子***的扫描区域边缘接收到的测量电平至少比扫描区域内的峰值电平低30dB；
所述信号源用于向所述探头输出某一单载波信号。
4.根据权利要求3所述的一种相控阵天线增益噪声温度比值测量***，其特征在于：所述频谱测量装置为频谱仪，所述功率测量装置为功率计。
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