CN114280382B - 一种自动校正球面近场天线测试***及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种自动校正球面近场天线测试***及其测试方法，属于天线测试技术领域，解决现有的天线测试***和测试方法存在的测试效率低下、消耗大量人力资源、无法实现大批量产品测试的问题；本发明的技术方案将天线近场测试***、通用测试台、自动控制分机结合起来，自动控制分机作为控制中心，分别控制近场测试***完成测试、控制通用测试台完成校正；自动校正测试***完成待测天线的性能测试、同时完成对部分通道参数的校正，保证每套测试完成的天线是符合性能指标要求的合格产品；只需设置合格判断标准，***自动完成该校正与测试过程，无需人工介入流程，大幅度提升了天线测试的自动化水平，满足大批量天线的测试需求。
Description
技术领域
本发明属于天线测试技术领域，涉及一种自动校正球面近场天线测试***及其测试方法。
背景技术
球面近场测试***是一种用于测量天线辐射性能的***，参见2016年公开的文献《球面近场测量误差分析与诊断方法研究》(刘勇，电子科学技术大学)，它通常由近场测试采样架与射频仪表子***组成。球面近场测试***可以分为单探头测试***与多探头测试***，单探头测试***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***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***，球面近场能够测量4π立体角空间的天线性能，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，能够采用宽带探头；球面近场测试***配合多个采样探头加电子开关切换可以提升测试速度一个数量级。
有源天线测试台是一类硬件设备，例如申请公布号为CN110146861A、申请公布日为2019年08月20日的中国发明专利申请文献《一种有源相控阵***测试方法及测试台》，公开了一种有源天线测试台，能够实现对有源相控阵天线通道参数的控制、时序的激发、接收与发射信号的同步等功能。由于微波组件的硬件与通信控制协议各不相同，因此天线测试台分为专用测试台与通用测试台。专用测试台即服务于单一型号产品，优点是开发过程简单、测试效率高、无需二次开发；通用测试台可以服务于多种型号雷达产品，优点是服务项目多、兼容性强、设备利用率高。
在现有球面近场天线测试技术中，天线近场测试***完成天线辐射性能测试，产生天线远场方向图数据；测试台负责有源***的参数控制与时序产生，根据上位机指令改变待测有源***的参数配置。测试台***只能按照要求测试工程师或者上位机软件的指令执行测试任务，无法自主判断测试指标符合性、调整通道参数。测试工程师需要判断天线性能测试结果是否符合要求，然后通过上位机软件调整有源通道相关参数，接着需要重复该流程直到测试结果符合要求为止。因此现有的球面近场条件下有源天线测试技术有以下几个缺点：A、天线测试效率低下；B、测试消耗大量人力资源；C、无法实现大批量产品测试。
发明内容
本发明的目的在于设计一种自动校正球面近场天线测试***及其测试方法，以解决现有的天线测试***和测试方法存在的测试效率低下、消耗大量人力资源、无法实现大批量产品测试的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种自动校正球面近场天线测试***，包括：球面近场天线测试架(10)、通用测试台(11)、自动控制分机(12)、矢量网络分析仪(13)、路由器(14)；所述的球面近场天线测试架(10)包括：方位转台(101)、俯仰摆臂(102)、采样探头(103)、俯仰转台(104)、天线阵面(105)；所述的天线阵面(105)安装在方位转台(101)上，所述的俯仰摆臂(102)安装在俯仰转台(104)上，所述的采样探头(103)安装在俯仰摆臂(102)的一端；采样探头(103)极化方向安装俯仰转台(104)；所述的通用测试台(11)的第一通道与天线阵面(105)连接，通用测试台(11)的第二通道与自动控制分机(12)的第一通道连接，通用测试台(11)的第三通道与路由器(14)连接，通用测试台(11)的第三通道与俯仰转台(104)连接，自动控制分机(12)的第二通道与矢量网络分析仪(13)连接，自动控制分机(12)的通讯端与路由器(14)连接，矢量网络分析仪(13)的第一通道与天线阵面(105)连接，矢量网络分析仪(13)的第二通道与俯仰摆臂(102)连接，矢量网络分析仪(13)的通讯端与路由器(14)连接，矢量网络分析仪(13)的时序控制端与俯仰转台(104)连接。
本发明的技术方案将天线近场测试***、通用测试台、自动控制分机结合起来，自动控制分机作为控制中心，分别控制近场测试***完成测试、控制通用测试台完成校正；自动校正测试***不仅完成了待测天线的性能测试、同时还完成了对部分通道参数的校正、完成了一个测试闭环，保证每套测试完成的天线是符合性能指标要求的合格产品；使用者只需要在测试开始之前设置合格判断标准，然后等待***自动完成该校正与测试过程，无需人工介入流程，测试、指标研判、校正、参数调整均自动完成，大幅度提升了天线测试的自动化水平，满足了大批量天线的测试需求。
进一步地，所述的通用测试台(11)、自动控制分机(12)、矢量网络分析仪(13)分别通过网络链路与路由器(14)连接，从而构成局域网，在该局域网中自动控制分机(12)发送控制命令到通用测试台(11)以及矢量网络分析仪(13)上，同时接收通用测试台(11)以及矢量网络分析仪(13)的反馈信息；所述的自动控制分机(12)与通用测试台(11)以及矢量网络分析仪(13)采用数据链路连接，自动控制分机(12)向通用测试台(11)下发校正数据，同时自动控制分机(12)读取矢量网络分析仪(13)发送过来的测试数据；所述的俯仰转台(104)、通用测试台(11)、矢量网络分析仪(13)、天线阵面(105)之间采用时序链路连接，所述的时序链路用于传输它们的同步工作时序信号；所述的矢量网络分析仪(13)、采样探头(103)、天线阵面(105)之间射频链路连接，所述的射频链路用于传输微波射频信号。
进一步地，所述的数据链路使用串口或RS484或GPIB接口。
一种应用于所述的自动校正球面近场天线测试***的测试方法，包括以下步骤：
S1、设置***测试参数，包括：测试频率、测试波位、待测天线尺寸、待测天线通道分布位置；
S2、在***中设置远场参数合格标准，远场参数包括：天线圆极化轴比、方向性系数；
S3、进行近场测试并计算远场参数，得到天线远场方向图；
S4、根据天线远场方向图计算天线圆极化轴比、方向性系数，并将计算结果与参数合格标准相比较，判断计算结果是否通过，如果通过，则结束天线测试，如果不通过则进行步骤S5；
S5、从天线远场方向图中计算得到天线口径场分布，进行天线口径反演；
S6、在计算得到天线口径场分布之后，根据***设置理想情况下的电场分布，计算通道补偿值，
S7、将通道补偿值发送至通用测试台，通用测试台按照位置与端口对应关系将补偿值发送至待测天线进行补偿，完成补偿流程之后，对待测天线进行再次测量，进入下一个循环。
进一步地，所述的根据天线远场方向图计算天线圆极化轴比的方法如下：
ma＝abs(ER)
ca＝abs(EL)
AR＝-20*log10((abs(ma)+abs(ca))/(abs(abs(ma)-abs(ca))))
其中，Ex、Ey分别表示X、Y方向上的远场方向图，AR表示待测天线圆极化轴比，EL是指电磁波中的左旋波分量，ER是指电磁波中的右旋波分量，ma是右旋波分量的幅度值，ca是左旋波分量的幅度值。
进一步地，所述的方向性系数的计算公式如下：
其中，D表示方向性系数，P(θ,φ)表示在θ,φ角度下待测天线远场辐射功率密度情况，P(θ,φ)max表示辐射功率密度最强的点，P(θ,φ)av表示平均辐射能量值，dΩ是指在立体角内对辐射功率密度进行积分。
进一步地，所述的天线口径场分布的计算公方法如下：
1)从天线远场方向图计算波谱系数：
A＝F/cosθ/k*1i
其中，F表示待测天线远场方向图，A分别表示待测天线辐射场的波谱系数，k表示电磁波波数；
2)根据波谱系数计算口径场分布：
其中，km表示波谱最大值，对波谱系数进行积分之后得到待测天线口径场分布情况，x，y表示电场分布所处的位置，即计算坐标值；
是指电磁波波谱函数。
进一步地，所述的通道补偿值包括：幅度补偿值和相位补偿值。
进一步地，所述的幅度补偿值的计算公式如下：
Dx,y＝20*log10(Ec(x,y)/E(x,y))
其中，Dx,y表示幅度补偿值。
进一步地，所述的相位补偿值的计算公式如下：
Px,y＝angle(Ec(x,y))-angle(E(x,y))
其中，Px,y表示相位补偿值，angle()表示对计算结果求相位。
本发明的优点在于：
本发明的技术方案将天线近场测试***、通用测试台、自动控制分机结合起来，自动控制分机作为控制中心，分别控制近场测试***完成测试、控制通用测试台完成校正；自动校正测试***不仅完成了待测天线的性能测试、同时还完成了对部分通道参数的校正、完成了一个测试闭环，保证每套测试完成的天线是符合性能指标要求的合格产品；使用者只需要在测试开始之前设置合格判断标准，然后等待***自动完成该校正与测试过程，无需人工介入流程，测试、指标研判、校正、参数调整均自动完成，大幅度提升了天线测试的自动化水平，满足了大批量天线的测试需求。
附图说明
图1是本发明实施例的自动校正球面近场天线测试***的结构示意图；
图2是本发明实施例的近场天线测试架的结构示意图；
图3是本发明实施例的通用测试台的结构示意图；
图4是本发明实施例的自动校正分机的结构示意图；
图5(a)是本发明实施例的测试方法流程图，图5(b)是现有的测试方法流程图；
图6是本发明实施例的天线远场方向图。
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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1和2所示，一种自动校正球面近场天线测试***包括：安装在微波暗室内的球面近场天线测试架10、通用测试台11、自动控制分机12、矢量网络分析仪13、路由器14；所述的球面近场天线测试架10包括：方位转台101、俯仰摆臂102、采样探头103、俯仰转台104、天线阵面105；所述的通用测试台11的第一通道与天线阵面105连接，通用测试台11的第二通道与自动控制分机12的第一通道连接，通用测试台11的第三通道与路由器14连接，通用测试台11的第三通道与俯仰转台104连接，自动控制分机12的第二通道与矢量网络分析仪13连接，自动控制分机12的通讯端与路由器14连接，矢量网络分析仪13的第一通道与天线阵面105连接，矢量网络分析仪13的第二通道与俯仰摆臂102连接，矢量网络分析仪13的通讯端与路由器14连接，矢量网络分析仪13的时序控制端与俯仰转台104连接。
如图2所示，所述的天线阵面105安装在方位转台101上，跟随方位转台101做360度转动，方位转台101的调节精度为0.01度；所述的俯仰摆臂102安装在俯仰转台104上，所述的采样探头103安装在俯仰摆臂102的一端，跟随俯仰摆臂102正负120度旋转采样，转台精度0.01度；采样探头103极化方向安装俯仰转台104，极化可旋转正负90度；球面近场天线测试架10用于完成天线参数测量任务，获得待测天线的增益、副瓣电平、方向性系数、EIS、ERRP、波束宽度、波束指向等主要参数。
连接链路说明：
a、网络链路：所述的路由器14分别与通用测试台11、自动控制分机12、矢量网络分析仪13连接，从而构成局域网，在该局域网中自动控制分机12发送控制命令到通用测试台11以及矢量网络分析仪13上，同时接收通用测试台11以及矢量网络分析仪13的反馈信息。
b、数据链路：数据链路使用串口、RS484、GPIB等接口，用于自动控制分机12向通用测试台11下发校正数据，同时自动控制分机12读取矢量网络分析仪13发送过来的测试数据。
c、时序链路：时序链路连接俯仰转台104、通用测试台11、矢量网络分析仪13、天线阵面105，用于它们的工作时序同步。
d、射频链路：射频链路连接矢量网络分析仪13、采样探头103、天线阵面105，用于传输微波射频信号。
如图3所示，通用测试台11用于完成有源通道参数调整任务，调整通道延迟时间、相位码值、幅度码值，监控天线阵面105的工作状态，以优化待测天线整体辐射性能。通用测试台11采用CPCI机箱结构，安装多个CPCI插件实现对待测天线有源通道的连接控制功能。该平台共有8个CPCI插槽，其中CPCI电源、CPCI计算机占用两个插槽，其余6个插槽安装多通道CPCI插件。插件配置完成之后，该平台能支持一共96路TTL输入，96路TTL输出，384路RS422输出，96路RS422输入，72路光纤输入，72路光纤输出。
如图4所示，自动控制分机12是自动校正球面近场测量***的核心组成部分，其任务包括采样架运动控制、近场数据采集、近场数据分析、近场-口径场反演计算、有源通道参数计算。自动控制分机12硬件上采用一台工业控制计算机，软件采用模块化设计，分别包括：数据采集模块、运动控制模块、数据处理模块、监控反馈模块、通道控制模块、口径反演模块。自动校正分机12的设计包括软件与算法的设计，其中算法包括球面近场-远场变换算法、球面近场-口径场变换算法、相控阵码值补偿计算算法；而软件的设计则是考虑到自动控制分机与近场测试***软件之间的数据交互、与通用测试台之间的时序与参数交互，同时具备GUI用户交互界面，使得用户能够监控测试进程，查看最终天线产品测试报告。
如图5(a)所示为本实施例的自动校正球面近场天线测试***的测试方法，包括以下步骤：
1、设置***测试参数，包括：测试频率、测试波位、待测天线尺寸、待测天线通道分布位置等；
2、在***中设置远场参数合格标准，远场参数包括：天线圆极化轴比、方向性系数、波束宽度、波束指向；
3、进行近场测试并计算远场参数，得到的天线远场方向图；
4、根据天线远场方向图计算天线圆极化轴比、方向性系数、波束宽度、波束指向，并将计算结果与参数合格标准相比较，判断计算结果是否通过，如果通过，则结束天线测试，如果不通过则进行步骤5；
4.1、天线圆极化轴比计算：在球面近场测量得到远场方向图Ex、Ey(Ex、Ey分别表示X、Y方向上的远场方向图)；根据方向图计算待测天线轴比数据AR；
ma＝abs(ER)
ca＝abs(EL)
AR＝-20*log10((abs(ma)+abs(ca))/(abs(abs(ma)-abs(ca))))
4.2、方向性系数：根据方向图数据计算待测天线的方向性系数D，P(θ,φ)表示在θ,φ角度下待测天线远场辐射功率密度情况，P(θ,φ)max表示辐射功率密度最强的点，P(θ,φ)av表示平均辐射能量值。
在计算得到轴比，方向性系数之后根据合格标准判据来判断待测天线是否符合标准。例如轴比数据AR，在[-10°,10°]角度范围内合格标准为小于等于2，如果计算得到AR值在该范围内小于等于2，即为合格，否则则为不合格，由***自动执行下一步。
4.3、波束宽度：是指远场方向图切面上，相比于辐射能量最强点的功率下降到一定水平(例如3dB、6dB、10dB)所需要的角度跨度，是一个通用技术参数，可以较为轻松的从远场方向图获取。如图6中左边下降到3dB约为-3.8°，右侧下降到3dB约为3.8°，因此3dB波束宽度约为7.6°。
4.4、波束指向：是指辐射能量最强的点所在的角度值，该参数也是一个通用技术参数，可以轻易从远场方向图中获取。
5、进行天线口径反演
从天线远场方向图中计算得到天线口面上的电场分布情况，以下是口径反演计算过程与计算方法。
(1)从天线远场方向图计算波谱系数公式
A＝F/cosθ/k*1i
其中，F表示待测天线远场方向图，A分别表示待测天线辐射场的波谱系数。
(2)根据波谱系数计算天线口径场分布如下：
其中，km表示波谱最大值，对波谱系数进行积分之后得到待测天线口径场分布情况，x，y表示电场分布所处的位置，即计算坐标值。
6、计算通道补偿值
在计算得到E(x,y)分布之后，根据***设置理想情况下的电场分布Ec(x,y)，得到通道补偿值，分别是幅度补偿值Dx,y，相位补偿值Px,y。
幅度补偿值的计算公式如下：
Dx,y＝20*log10(Ec(x,y)/E(x,y))
相位补偿值的计算公式如下：
Px,y＝angle(Ec(x,y))-angle(E(x,y))
其中，angle()表示对计算结果求相位。
7、通用测试台补偿
在计算得到幅度补偿值Dx,y、相位补偿值Px,y之后，将信息发送至通用测试台，通用测试台按照位置与端口对应关系将补偿值发送至待测天线，然后进行幅度与相位补偿。完成补偿流程之后，对待测天线进行再次测量，随即进入下一个循环。
现有测试***的设计中，厂家仅仅考虑近场测试***的功能设计，在测试***中加入了一些天线自动测试功能，这仅仅能给出天线测试结果。本发明的自动校正测试方法是指：将天线近场测试***、通用测试台、自动控制分机结合起来，自动控制分机作为核心，分别控制近场测试***完成测试、控制通用测试台完成校正。因此，自动校正测试***不仅仅完成了待测天线的性能测试、同时还完成了对部分通道参数的校正、完成了一个测试闭环，保证每套测试完成的天线是符合性能指标要求的合格产品。
图5(a)所示为本发明的测试***的流程，图5(b)所示为现有的测试***的测试流程，本发明的整个测试流程由计算机控制自动完成，使用者只需要在测试开始之前设置一些合格判断标准，然后等待***自动完成该校正与测试过程，无需人工介入流程，测试、指标研判、校正、参数调整均自动完成，大幅度提升了天线测试的自动化水平，替代了以前需要人工介入才能实现的测试与校正流程，具备很高的使用价值；对于大批量天线测试需求，本发明能够迅速建立天线测试生产线，结合机械臂工作，可以自动完成天线架设、天线测试、天线校正、天线撤收流程。最终能够完全解决目前天线批量生产测试所遇到的产量问题。相比于现有的近场天线测量技术有两个突出优势：测试校正流程自动化、适用批产测试。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种应用于自动校正球面近场天线测试***的测试方法，所述测试***，包括：球面近场天线测试架(10)、通用测试台(11)、自动控制分机(12)、矢量网络分析仪(13)、路由器(14)；所述的球面近场天线测试架(10)包括：方位转台(101)、俯仰摆臂(102)、采样探头(103)、俯仰转台(104)、天线阵面(105)；所述的天线阵面(105)安装在方位转台(101)上，所述的俯仰摆臂(102)安装在俯仰转台(104)上，所述的采样探头(103)安装在俯仰摆臂(102)的一端；采样探头(103)极化方向安装俯仰转台(104)；所述的通用测试台(11)的第一通道与天线阵面(105)连接，通用测试台(11)的第二通道与自动控制分机(12)的第一通道连接，通用测试台(11)的第三通道与路由器(14)连接，通用测试台(11)的第三通道与俯仰转台(104)连接，自动控制分机(12)的第二通道与矢量网络分析仪(13)连接，自动控制分机(12)的通讯端与路由器(14)连接，矢量网络分析仪(13)的第一通道与天线阵面(105)连接，矢量网络分析仪(13)的第二通道与俯仰摆臂(102)连接，矢量网络分析仪(13)的通讯端与路由器(14)连接，矢量网络分析仪(13)的时序控制端与俯仰转台(104)连接；
其特征在于，所述测试方法，包括以下步骤：
S1、设置***测试参数，包括：测试频率、测试波位、待测天线尺寸、待测天线通道分布位置；
S2、在***中设置远场参数合格标准，远场参数包括：天线圆极化轴比、方向性系数；
S3、进行近场测试并计算远场参数，得到天线远场方向图；
S4、根据天线远场方向图计算天线圆极化轴比、方向性系数，并将计算结果与参数合格标准相比较，判断计算结果是否通过，如果通过，则结束天线测试，如果不通过则进行步骤S5；
根据天线远场方向图计算天线圆极化轴比的方法如下：
ma＝abs(ER)
ca＝abs(EL)
AR＝-20*log10((abs(ma)+abs(ca))/(abs(abs(ma)-abs(ca))))
其中，Ex、Ey分别表示X、Y方向上的远场方向图，AR表示待测天线圆极化轴比，EL是指电磁波中的左旋波分量，ER是指电磁波中的右旋波分量，ma是右旋波分量的幅度值，ca是左旋波分量的幅度值；
方向性系数的计算公式如下：
其中，D表示方向性系数，P(θ,φ)表示在θ,φ角度下待测天线远场辐射功率密度情况，P(θ,φ)max表示辐射功率密度最强的点，P(θ,φ)av表示平均辐射能量值，dΩ是指在立体角内对辐射功率密度进行积分；
S5、从天线远场方向图中计算得到天线口径场分布，进行天线口径反演；
天线口径场分布的计算公方法如下：
1)从天线远场方向图计算波谱系数：
A＝F/cosθ/k*1i
其中，F表示待测天线远场方向图，A分别表示待测天线辐射场的波谱系数，k表示电磁波波数；
2)根据波谱系数计算口径场分布
其中，km表示波谱最大值，对波谱系数进行积分之后得到待测天线口径场分布情况，x，y表示电场分布所处的位置，即计算坐标值；
是指电磁波波谱函数；
S6、在计算得到天线口径场分布之后，根据***设置理想情况下的电场分布，计算通道补偿值，所述的通道补偿值包括：幅度补偿值和相位补偿值；
所述的幅度补偿值的计算公式如下：
Dx,＝20*log10(Ec(x,y)/E(x,y))
其中，Dx,表示幅度补偿值，理想情况下的电场分布Ec(x,y)；
所述的相位补偿值的计算公式如下：
Px,＝angle(Ec(x,y))-angle(E(x,y))
其中，Px,表示相位补偿值，angle()表示对计算结果求相位；
S7、将通道补偿值发送至通用测试台，通用测试台按照位置与端口对应关系将补偿值发送至待测天线进行补偿，完成补偿流程之后，对待测天线进行再次测量，进入下一个循环。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的通用测试台(11)、自动控制分机(12)、矢量网络分析仪(13)分别通过网络链路与路由器(14)连接，从而构成局域网，在该局域网中自动控制分机(12)发送控制命令到通用测试台(11)以及矢量网络分析仪(13)上，同时接收通用测试台(11)以及矢量网络分析仪(13)的反馈信息；所述的自动控制分机(12)与通用测试台(11)以及矢量网络分析仪(13)采用数据链路连接，自动控制分机(12)向通用测试台(11)下发校正数据，同时自动控制分机(12)读取矢量网络分析仪(13)发送过来的测试数据；所述的俯仰转台(104)、通用测试台(11)、矢量网络分析仪(13)、天线阵面(105)之间采用时序链路连接，所述的时序链路用于传输它们的同步工作时序信号；所述的矢量网络分析仪(13)、采样探头(103)、天线阵面(105)之间射频链路连接，所述的射频链路用于传输微波射频信号。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述的数据链路使用串口或RS484或GPIB接口。
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