技术领域
[0001] 本
发明涉及一种相控阵天线有源反射系数测试系统及方法。
背景技术
[0002] 随着相控阵雷达的发展，相控阵列天线以其馈电方式多样、波束控制灵活、扫描速度快等优点而得到了广泛的应用。相控阵天线工作时，利用多个天线单元的不同幅度
相位馈电组合实现波束合成与指向控制。这种工作模式带来如下问题：
[0003] (1)阵列前端的天线单元因为距离较近，相互间的电磁互耦效应会对天线阻抗产生影响，进而降低整个天线阵列的性能；(2)相控阵天线实际工作状态下，天线阵列存在多种幅度相位组合的馈电方式，不同的馈电方式会在天线单元间产生不同的互耦影响，导致天线单元呈现不同的阻抗特性，会对整个天线阵列性能产生不同影响。
[0004] 为获取阵列天线实际工作状态下各天线单元的馈电效率，以保证相控阵天线的整体性能指标，必须完成相控阵天线阵列在不同馈电方式下阵列中各单元天线的有源反射系数测试。
[0005] 现有的相控阵天线有源反射系数测试方法为间接测试法，其测试原理如图1所示，通过被测天线单元自身反射
信号与互耦单元耦合信号的测量，结合数学运算计算得出。假设阵列规模为M×N(M行N列)，被测天线单元7(位于阵列的m行n列
位置，m≤M，n≤N)，首先完成
矢量网络分析仪10的双端口校准，按图1(a)所示将被测天线单元7与矢量网络分析仪10测试端口相连，阵列中其他天线单元连接匹配负载9，手动或程控矢量网络分析仪10完成被测天线单元7的自耦反射系数测试，记为S11mn；然后按图1(b)所示将天线单元8(位于阵列的j行i列位置，j≤M，i≤N，j≠m，i≠n)与矢量网络分析仪10的另一测试端口相连，手动或程控矢量网络分析仪10完成被测天线单元7与天线单元8之间的互耦系数测试，记为S21mnji，按图1(b)所示，保持被测天线单元7连线方式不变，依次选取不同位置的天线单元作为互耦测试对象(整个测试过程中除测试连线的天线单元外，其他天线单元连接匹配负载)，遍历整个测试过程，完成M×N-1组互耦系数测试。
[0006] 利用公式(1)可以完成被测天线单元7的有源反射系数计算：
[0007]
[0008] 依据上述被测天线单元7有源反射系数测试方法，按照图1所示接线方式依次更换被选天线单元接线，可完成整个天线阵列中所有天线单元有源反射系数的测试。
[0009] 上述间接测试方法在应用中存在如下问题：
[0010] (1)测试不能反映相控阵天线实际工作状态，测试时某一时刻只有一个天线单元处于馈电状态，与相控阵天线单元同时馈电状态不符，测试结果不能如实反映天线阵列在实际状态下的有源反射系数指标；(2)每个天线单元的有源反射系数获取均需要完成大量的互耦参数测试，测试连线工作繁琐，工作量大，测试效率低，对于大规模相控阵来讲，工程实现性较差；(3)上述方法不能实现多路馈电
激励信号的幅度相位变换控制，不能有效反映出相控阵天线在不同激励馈电状态下的有源反射系数。
发明内容
[0011] 针对
现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种相控阵天线有源反射系数测试系统，其采用如下技术方案：
[0012] 一种相控阵天线有源反射系数测试系统，包括矢量网络分析仪、多通道幅相控制分机、信号提取分机、主控计算机、校准件及稳幅稳相
电缆；其中，
[0013] 矢量网络分析仪被配置为用于产生测试激励信号，接收参考、反射和监测信号；
[0014] 多通道幅相控制分机被配置为用于实现测试激励信号由1路到M路的转换、M路信号的独立幅度相位控制，最终实现M路幅相可控激励信号的输出；
[0015] 信号提取分机被配置为用于实现M路幅相可控激励信号的直通输出，M路幅相可控激励信号的参考耦合、监测耦合、反射耦合提取，
开关控制与选择输出；
[0016] 主控计算机被配置为用于实现对整个系统校准与测试的自动控制；
[0017] 校准件被配置为用于完成整个系统的校准；
[0018] 稳幅稳相电缆被配置为用于实现系统中相应设备之间以及系统与被测天线阵列的连接。
[0019] 优选地，多通道幅相控制分机包括一个M路功分网络、M路幅相控制通道、一个多通道幅相控制分机
接口转换
电路、一个多通道幅相控制分机电源、一个多通道幅相控制分机输入接口和M个多通道幅相控制分机输出接口；其中，每路幅相控制通道由一个数控
移相器、一个数控
衰减器和一个功率
放大器组成；数控移相器和数控衰减器通过数控命令分别实现相位、幅度的调节控制，其控制接口通过
控制电缆与多通道幅相控制分机接口转换电路相连；多通道幅相控制分机接口转换电路用于实现外部程控命令到数控
微波件控制命令的接口转换和数据分配；多通道幅相控制分机电源用于为M路幅相控制通道中微波件供电；多通道幅相控制分机输入接口用于实现测试激励信号的接入，该多通道幅相控制分机输入接口与矢量网络分析仪的源输出端口连接；多通道幅相控制分机输出接口用于实现M路幅相可控激励信号的输出，该多通道幅相控制分机输出接口与信号提取分机对应的输入端口相连；信号提取分机包括M路耦合网络、三个M选1开关、一个信号提取分机接口转换电路、一个信号提取分机电源、M个信号提取分机输入接口、M个信号提取分机输出接口、一个参考输出接口、一个监测输出接口和一个反射输出接口；其中，每路耦合网络均由三个
耦合器组成，分别用于实现激励直通输出与参考信号的耦合输出、激励直通输出与监测信号的耦合输出以及激励直通输出与被测天线反射回波信号的耦合输出；三个M选1开关分别用于实现M路参考耦合信号的切换选择输出、M路监测耦合信号的切换选择输出以及M路反射耦合信号的切换选择输出；信号提取分机接口转换电路用于实现外部程控命令到三个M选1开关控制命令的接口转换和数据分配；信号提取分机电源用于为三个M选1开关供电；信号提取分机输入接口用于实现激励信号的接入，该信号提取分机输入接口与多通道幅相控制分机的输出接口连接；信号提取分机输出接口用于幅相控制后的激励信号的输出，该信号提取分机输出接口被配置为用于与被测天线阵列的天线单元馈电接口相连；参考输出接口用于实现幅相控制后激励信号的参考提取输出，该参考输出接口与矢量网络分析仪的接收机一个输入端口相连；监测输出接口用于实现幅相控制后激励信号的监测提取输出，该监测输出接口与矢量网络分析仪的接收机一个输入端口相连；反射输出接口用于实现被测天线单元反射回波的提取输出，该反射输出接口与矢量网络分析仪的接收机一个输入端口相连。
[0020] 此外，本发明还提出了一种相控阵天线有源反射系数测试方法，其采用如下技术方案：
[0021] 一种相控阵天线有源反射系数测试方法，采用上述相控阵天线有源反射系数测试系统，该方法包括如下步骤：
[0022] 矢量网络分析仪端口输出设定
频率与功率的激励信号，该激励信号进入幅相控制分机的输入接口，经M路功分网络功分后，每路信号经幅度相位调整与功率放大，进入信号提取分机，独立幅相调整后的M路信号经耦合网络后，直通信号向被测天线阵列馈电，此时，M个天线单元同时处于馈电状态，且每个天线单元接收的馈
电信号的幅度相位是独立可控的，因此，天线单元间存在的互耦效应与阵列实际工作状态相同，此时，测量得到的天线单元的反射系数与其实际工作状态下的有源反射系数吻合；在主控计算机控制下，矢量网络分析仪同时接收耦合器提取的反射信号与耦合器提取的参考信号，经校准与运算处理后，直接得出被测天线单元的有源反射系数，通过信号提取分机中的M选1开关的切换，分别实现被测天线阵列中M个天线单元的有源反射系数测试；在主控计算机控制下，矢量网络分析仪还接收耦合器提取的监测信号，长时间测试过程中，主控计算机自动完成实时提取的监测信号与存储标准数据的对比，如果实时监测信号幅度相位超出规定
门限，主控计算机提示进行通道校准，用户依据该监测通道实时观测系统的工作状态。
[0023] 此外，本发明还提出了一种相控阵天线有源反射系数测试系统的分机校准方法，该分机校准方法针对上述相控阵天线有源反射系数测试系统；
[0024] 该分机校准方法具体为：首先系统开机预热，随后完成矢量网络分析仪的双端口校准；完成系统各设备的校准连线；设置矢量网络分析仪的工作频率为相控阵天线有源反射系数指标测试时的工作频率，功率为测试时的功率值；设置矢量网络分析仪测试参数为S21和R2/R1，其中，S21代表分机通道的幅相信息，R2/R1代表通道幅相信息的监测标准数据；程控多通道幅相控制分机；改变幅度相位控制量直到满足被测相控阵天线馈电要求，采集并存储该通道对应的S21和R2/R1幅度相位数据；依次完成剩余通道2到通道M对应S21和R2/R1幅度相位数据的采集存储；依据上述步骤依次完成所有工作频率下各通道数据的采集存储，建立分机校准数据矩阵，完成分机校准。
[0025] 此外，本发明还提出了一种相控阵天线有源反射系数测试系统的系统校准方法，该分机校准方法针对上述相控阵天线有源反射系数测试系统；
[0026] 该系统校准方法具体为：首先完成系统中各设备的校准连线；系统开机预热，随后设置矢量网络分析仪工作频率为相控阵天线有源反射系数指标测试时的工作频率，功率为测试时的功率值；设置矢量网络分析仪的测试参数为S21和S11，其中，S21代表系统通道的监测信号，S11代表系统通道的反射信号；按照分机校准数据矩阵设置多通道幅相控制分机的控制量，保持设置不变，设置矢量网络分析仪的测试轨迹为S11，打开校准菜单，选择单端口校准，按照提示利用校准件完成矢量网络分析仪的单端口校准，校准完毕同时完成系统通道1的校准，依据上述步骤完成通道2到通道M的校准，最终完成系统校准。
[0027] 本发明具有如下优点：
[0028] (1)本发明系统可实现多路幅相可控激励信号的同时产生，被测天线测试时的馈电状态与实际工作时相同，系统直接测试天线单元的有源反射系数，不需计算，测试过程简洁，人为操作少，测试结果真实度高；
[0029] (2)本发明系统可通过改变多通道幅相控制分机的控制量，实现相控阵天线在不同波束状态下的馈电，从而可完成相控阵天线在不同波束控制状态下的有源反射系数测试；
[0030] (3)本发明系统具备激励馈电信号的实时监测功能，可实时获取激励馈电信号的幅度相位信息，可结合系统
软件完成激励馈电信号的幅相误差的实时修正；
[0031] (4)本发明校准利用矢量网络分析仪自带的校准
算法，技术成熟，校准精确，可满足有源反射系数高
精度测试要求；
[0032] (5)本发明系统校准完成后，测试过程完全程控化，自动化程度高，测试速度快，避免人为连线操作带来的误差，测试精度高。
附图说明
[0033] 图1为现有技术中天线阵列单元有源反射系数间接测试方法原理图；
[0034] 图2为本发明中一种相控阵天线有源反射系数测试系统
框图；
[0035] 图3为本发明中多通道幅相控制分机的组成框图；
[0036] 图4为本发明中信号提取分机的组成框图；
[0037] 图5为本发明中一种相控阵天线有源反射系数测试系统的分机校准流程示意图；
[0038] 图6为本发明中一种相控阵天线有源反射系数测试系统的分机校准连线图；
[0039] 图7为本发明中一种相控阵天线有源反射系数测试系统的系统校准流程示意图；
[0040] 图8为本发明中一种相控阵天线有源反射系数测试系统的系统校准连线图；
[0041] 其中，1-矢量网络分析仪，2-多通道幅相控制分机，3-信号提取分机，4-主控计算机，5-校准件，6-稳幅稳相电缆，7-被测天线单元，8-天线单元，9-负载，10-矢量网络分析仪；21-M路功分网络，22-幅相控制通道，23-多通道幅相控制分机接口转换电路，24-多通道幅相控制分机电源，25-多通道幅相控制分机输入接口，26-多通道幅相控制分机输出接口，221-数控移相器，222-数控衰减器，223-
功率放大器，31-耦合网络，32、33、34-M选1开关，
35-接口转换电路，36-电源，37-输入接口，38-输出接口，39-参考输出接口，40-监测输出接口，41-反射输出接口，311、312、313-耦合器。
具体实施方式
[0043] 如图2所示，一种相控阵天线有源反射系数测试系统，包括矢量网络分析仪1、多通道幅相控制分机2、信号提取分机3、主控计算机4、校准件5及稳幅稳相电缆6；其中，[0044] 矢量网络分析仪1是信号产生与接收处理的主机，用于产生测试激励信号，接收参考、反射和监测信号，可依据测试频率要求选择对应频段的市场成熟产品。
[0045] 多通道幅相控制分机2被配置为用于实现测试激励信号由1路到M路的转换、M路信号的独立幅度相位控制，最终实现M路幅相可控激励信号的输出。
[0046] 此处，M是指被测天线阵列的天线单元总数。
[0047] 如图3所示，多通道幅相控制分机2包括一个M路功分网络21、M路幅相控制通道22、一个接口转换电路23、一个电源24、一个输入接口25和M个输出接口26；其中，[0048] M路功分网络21可选用功分器实现；每路幅相控制通道22由一个数控移相器221、一个数控衰减器222和一个功率放大器223组成，各部件具体参数依据测试需求设计确定，其中，数控移相器221、数控衰减器222可通过数控命令分别实现相位、幅度的调节控制，控制命令可以为串行、并行等，其控制接口通过控制电缆与接口转换电路23相连。
[0049] 接口转换电路23用于实现外部程控命令到数控微波件控制命令的接口转换和数据分配等，可设计为1路串口或网口或并口或USB口输入，多路串口或并口输出的方式，可用
可编程逻辑器件、专用接口转换芯片等实现，本发明对其具体设计实现不进行详细描述。
[0050] 电源24用于为M路幅相控制通道中微波件供电，依据具体选用的微波件进行设计，本发明对其具体设计实现不进行描述。
[0051] 输入接口25实现激励信号的接入，可选用通用连接器实现，与图2中矢量网络分析仪1的源输出端口相连。
[0052] 输出接口26实现M路幅相控制激励信号的输出，可选用通用连接器实现，与图1中信号提取分机3对应的输入端口相连。
[0053] 信号提取分机3被配置为用于实现M路幅相可控激励信号的直通输出，M路幅相可控激励信号的参考耦合、监测耦合、反射耦合提取，开关控制与选择输出。具体的，[0054] 如图4所示，信号提取分机3由M路耦合网络31、三个M选1开关32、33、34、一个接口转换电路35、一个电源36、M个输入接口37、M个输出接口38、一个参考输出接口39、一个监测输出接口40和一个反射输出接口41组成。其中，
[0055] 每1路耦合网络31(以耦合网络1为例)都由3个耦合器组成，其中，耦合器311用于激励直通输出与参考信号的耦合输出，耦合器312用于激励直通输出与监测信号的耦合输出，耦合器313用于激励直通输出与被测天线反射回波信号的耦合输出，耦合器可依据测试要求选择成品微波件或设计实现。
[0056] M选1开关32用于M路参考耦合信号的切换选择输出，其
控制信号由接口转换电路35提供，供电由电源36提供，可依据测试要求选择成品微波件或设计实现。
[0057] M选1开关33用于M路监测耦合信号的切换选择输出，其控制信号由接口转换电路35提供，供电由电源36提供，可依据测试要求选择成品微波件或设计实现。
[0058] M选1开关34用于M路反射耦合信号的切换选择输出，其控制信号由接口转换电路35提供，供电由电源36提供，可依据测试要求选择成品微波件或设计实现。
[0059] 接口转换电路35实现外部程控命令到M选1开关32、33、34控制命令的接口转换和数据分配等，可设计为1路串口或网口或并口或USB口输入，多路串口或并口输出的方式，可用可编程逻辑器件、专用接口转换芯片等实现，本发明对其具体设计实现不进行详细描述。
[0060] 电源36用于为M选1开关32、33、34供电，依据具体选用的微波件进行设计，本发明对其具体设计实现不进行描述。
[0061] 输入接口37实现激励信号的接入，可选用通用连接器实现，与图2中多通道幅相控制分机2的输出接口26连接。
[0062] 输出接口38用于幅相控制后的激励信号的输出，可选用通用连接器实现，与被测天线阵列的天线单元馈电接口相连。
[0063] 参考输出接口39用于幅相控制后的激励信号的参考提取输出，可选用通用连接器实现，与图2中矢量网络分析仪的接收机R1输入端口相连。
[0064] 监测输出接口40用于幅相控制后的激励信号的监测提取输出，可选用通用连接器实现，与图2中矢量网络分析仪1的接收机B输入端口相连。
[0065] 反射输出接口41用于被测天线单元反射回波的提取输出，可选用通用连接器实现，与图2中矢量网络分析仪1的接收机A输入端口相连。
[0066] 主控计算机(
系统软件)4被配置为用于整个系统校准与测试的自动控制。
[0067] 校准件5被配置为用于完成整个系统的校准，可选用矢量网络分析仪1配套的
电子校准件或机械校准件，可依据测试频率要求选择对应频段的市场成熟产品。
[0068] 稳幅稳相电缆6被配置为用于实现系统中相应设备之间以及系统与被测天线阵列的连接，可依据测试频率要求选择对应频段的市场成熟产品。
[0069] 稳幅稳相电缆6包括6A、6B、6C三组，其中，稳幅稳相电缆6A用于连接信号提取分机3与被测天线阵列；稳幅稳相电缆6B用于连接多通道幅相控制分机2与信号提取分机3；稳幅稳相电缆6C用于连接矢量网络分析仪1与信号提取分机3。
[0070] 实施例2
[0071] 本实施例2中的一种相控阵天线有源反射系数测试方法，采用实施例1中的相控阵天线有源反射系数测试系统，该方法包括如下步骤：
[0072] 矢量网络分析仪1端口输出设定频率与功率的激励信号，该信号进入幅相控制分机2的输入接口25，经M路功分网络21功分后，每路信号经幅度相位调整与功率放大，进入信号提取分机3，独立幅相调整后的M路信号经耦合网络31后，直通信号向被测天线阵列馈电，此时，M个天线单元同时处于馈电状态，且每个天线单元接收的馈电信号的幅度相位是独立可控的，因此天线单元间存在的互耦效应与阵列实际工作状态相同，此时测量得到的天线单元的反射系数与其实际工作状态下的有源反射系数吻合。
[0073] 在主控计算机(系统软件)4控制下，矢量网络分析仪1同时接收耦合器313提取的反射信号与耦合器311提取的参考信号，经校准与运算处理后，可直接得出被测天线单元的有源反射系数，通过信号提取分机3中的M选1开关的切换，可分别实现被测天线阵列中M个天线单元的有源反射系数测试。在主控计算机(系统软件)4控制下，矢量网络分析仪1还可接收耦合器312提取的监测信号，长时间测试过程中，系统软件自动完成实时提取的监测信号与存储标准数据的对比，如果实时监测信号幅度相位超出规定门限，系统软件提示进行通道校准，用户可依据该监测通道实时观测系统工作状态，确保整个系统的测试精度。
[0074] 实施例3
[0075] 本实施例3中的一种相控阵天线有源反射系数测试系统的分机校准方法，针对实施例1中的相控阵天线有源反射系数测试系统，其目的是完成多通道幅相控制分机、信号提取分机、系统电缆的幅相校准。
[0076] 校准流程如图5所示：首先系统开机预热，随后完成矢量网络分析仪的双端口校准；按照图6完成系统各设备的校准连线；设置矢量网络分析仪1的工作频率为相控阵天线有源反射系数指标测试时的工作频率，功率为测试时的功率值；设置矢量网络分析仪1测试参数为S21和R2/R1，其中，S21代表分机通道的幅相信息，R2/R1代表通道幅相信息的监测标准数据；程控多通道幅相控制分机2；改变幅度相位控制量直到满足被测相控阵天线馈电要求，采集并存储该通道对应的S21和R2/R1幅度相位数据；依次完成剩余通道2到通道M对应S21和R2/R1幅度相位数据的采集存储；依据上述步骤依次完成所有工作频率下各通道数据的采集存储，建立分机校准数据矩阵，完成分机校准。
[0077] 本实施例3利用系统分机校准技术，不需要额外增加设备，利用系统中的矢量网络分析仪1与校准件5等设备，通过不同的接线方式，完成多通道幅相控制分机2、信号提取分机3、系统电缆的幅相校准，获取多通道分机校准数据矩阵。
[0078] 实施例4
[0079] 本实施例4中的一种相控阵天线有源反射系数测试系统的系统校准方法，针对实施例1中的相控阵天线有源反射系数测试系统，其目的是完成整个系统测试端口的校准。
[0080] 校准流程如图7所示：首先按图8所示完成系统中各设备的校准连线；系统开机预热，随后设置矢量网络分析仪1工作频率为相控阵天线有源反射系数指标测试时的工作频率，功率为测试时的功率值；设置矢量网络分析仪1的测试参数为S21和S11，其中，S21代表系统通道的监测信号，S11代表系统通道的反射信号；按照分机校准数据矩阵设置多通道幅相控制分机的控制量，保持设置不变，设置矢量网络分析仪1的测试轨迹为S11，打开校准菜单，选择单端口校准，按照提示利用校准件5完成矢量网络分析仪的单端口校准，校准完毕同时完成系统通道1的校准，依据上述步骤完成通道2到通道M的校准，最终完成系统校准。
[0081] 本实施例4利用测试系统本身的
硬件设备与矢量网络分析仪1自带的校准算法，实现整个系统测试端口校准，校准方法简单，校准精度高，可以有效保证测试精度。
[0082] 当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本
说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显
变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
